Почему Плутон — не планета? Отрывок из книги «Большое космическое путешествие»

Обложка книги «Большое космическое путешествие».

29 января издательский дом «Питер» выпускает книгу «Большое космическое путешествие». В ней астрофизики Нил Деграсс Тайсон (Neil deGrasse Tyson), Майкл Стросс (Michael A. Strauss) и Джон Ричард Готт (John Richard Gott) рассказывают о сложных теориях понятным языком. В основу книги лёг Принстонский курс для гуманитариев, английское издание стало бестселлером по версии The New York Times. XX2 ВЕК публикует отрывок из девятой главы «Почему Плутон — не планета», написанной Нилом Деграссом Тайсоном. Текст предоставлен издательским домом «Питер».

Сейчас я расскажу, как Плутон утратил статус планеты и был разжалован в снежок на задворках Солнечной системы. Также расскажу, какую роль сыграл в этом я, работая в «Роуз-центре Земли и Космоса» при Американском музее естественной истории.

На территории Роуз-центра мы решили обустроить специальный корпус, где можно было бы не просто показывать красивые космические картинки — их и в Интернете хватает. Мы соорудили сферу диаметром 26,5 метра, расположенную в стеклянном кубе. Архитектура и экспонаты сочетаются таким образом, что вы ощущаете себя частью Вселенной — словно идёте сквозь неё. У нас цельная сфера. В большинстве планетариев есть только купол, под которым установлен проектор звёздного неба, а в коридорах вокруг проектора можно любоваться изображениями Вселенной. Именно таким образом устроено большинство планетариев. Да, космические картинки хороши, но мы думаем, что пора подробнее показать, как устроена Вселенная, а не просто собирать глубочайшие космические феномены и превращать их в экспонаты.

Мы принялись за дело, заручившись поддержкой архитекторов — Джима Польшека и партнёров, а также дизайнеров — Ральфа Аппельбаума и коллег. Пожалуй, Ральф наиболее известен проектом мемориального музея холокоста в Вашингтоне, округ Колумбия. Вселенная любит сферы. Можно многое понять о том, как она работает, просто осознав, что законы физики словно сговорились придавать телам форму шара: это правило действует от звёзд и планет до атомов. Как правило, если тело не круглое, это означает, что какие-то силы мешают ему округлиться — например, если это тело быстро вращается. Если найти архитектурное решение округлой формы, то оно само сможет послужить элементом экспозиции и поможет соотносить размеры тел во Вселенной. Мы взяли купол, венчающий космический театр в планетарии Хейдена, и превратили его в полноценную сферу, внутренняя поверхность которой сразу сгодилась в качестве выставочного пространства. У нас получился театр Большого взрыва, посетители которого могут смотреть вниз и наблюдать модель зарождения Вселенной.

Вокруг двадцатишестиметровой сферы мы соорудили галерею, посетители которой могут воочию оценить масштабы Вселенной. Для начала вообразите, что сфера планетария — это вся наблюдаемая Вселенная. На ограждении установлена модель нашего сверхскопления, состоящего из тысяч галактик, одна из которых — Млечный Путь. Диаметр модели — около 10 сантиметров. Вы понимаете, что наша Вселенная намного, намного больше, чем наш родной уголок, для которого у нас есть название, словно строчка в адресе: Сверхскопление Девы. Вы делаете ещё несколько шагов, и мы предлагаем вам перенастроиться на другой масштаб: теперь весь планетарий соответствует Сверхскоплению Девы. Его диаметр — 26,5 метра. На перилах установлена модель диаметром 60 сантиметров, в которой изображены Млечный Путь, туманность Андромеды и несколько галактик-спутников. Это наша Местная группа галактик. Далее мы уподобим сферу планетария Местной группе, а на ограждении видим модель Млечного Пути диаметром все те же 60 сантиметров. Галактика напоминает большое зажаренное яйцо: она плоская, с вздутием в центре (так называемый балдж). Пройдём ещё немного — и теперь сфера планетария соответствует Млечному Пути, а на ограждении мы видим плексигласовый шар диаметром всего сантиметров пять, а на нем — сотню тысяч пятнышек. Это шаровое звёздное скопление в галактике Млечный Путь. Далее вся сфера планетария соответствует по размеру этому звёздному скоплению, а на ограждении у нас установлен шар диаметром около 20 сантиметров. Это пространство, в котором умещаются все орбиты комет, окружающих Солнечную систему: они образуют облако Оорта.

Бесчисленные кометы из этого облака, вторгающиеся во внутренние области Солнечной системы, — самые опасные для Земли космические тела. Каждая из них, прилетая с окраин Солнечной системы, начинена колоссальной кинетической энергией, и, приближаясь к Солнцу, она только разгоняется. В последний раз комета из Облака Оорта, вероятно, побывала во внутренней части Солнечной системы более 40 тысяч лет назад — никаких исторических свидетельств о таких событиях Примеч. науч. ред."" data-trigger=""hover"" style=""border: 1px solid #ddd; padding: 3px;"">не сохранилось. Если какая-нибудь комета оттуда полетит прямо к Земле, у нас почти не будет времени что-нибудь предпринять. Когда рядом пролетает обычный астероид, мы обычно можем заранее спрогнозировать его траекторию на сотни оборотов вперёд. Можно начертить, как его орбита соотносится с земной, и определить, столкнёмся мы через несколько сотен оборотов или нет. В таком случае у нас в запасе будет лет сто, чтобы подготовить космическую экспедицию и отклонить астероид с этой траектории. Но если комета прилетает из-за орбиты Нептуна и направляется прямо на нас, то почти ни на какое раннее оповещение рассчитывать Примеч. авт."" data-trigger=""hover"" style=""border: 1px solid #ddd; padding: 3px;"">не приходится.

На следующей остановке в галерее «Масштабы Вселенной» большая сфера соответствует Солнцу, а вокруг неё расположены планеты, причём размеры планет выполнены в правильном масштабе относительно Солнца. Процесс продолжается, масштабы шаг за шагом уменьшаются, пока мы не достигаем центра атома. Когда большая сфера соответствует атому водорода, мы показываем точку, соответствующую по размеру его ядру, — диаметр такой точки не более 0,02 сантиметра. Атом водорода — практически пустота.

Сфера планетария оказалась отличным наглядным пособием, чтобы оценить относительные размеры тел во Вселенной.

Сегодня Роуз-центр выглядит роскошно, особенно ночью (рис. 9.1). Слева видна галерея, стоя в которой можно сравнить большую сферу-Солнце с масштабными моделями планет. На картинке заметны Сатурн (с кольцами), а рядом с ним — Юпитер. Разумеется, там видны и Уран, и Нептун. Меркурий, Венера, Земля и Марс слишком маленькие, на этой картинке их не увидишь. По размеру эти модели варьируются от бейсбольного мяча до грейпфрута, и все они установлены на галерейном ограждении, а не свисают с потолка. Вот я и подхожу к рассказу о злоключениях Плутона. Мы не поставили на этом ограждении масштабную модель Плутона рядом с Меркурием, Венерой, Землёй и Марсом. И у нас были на то причины.

Мы оказались в эпицентре спора, начатого не нами. Через год после открытия выставки её посетил один журналист, заметивший, что среди масштабных моделей планет не хватает Плутона. Он решил раздуть из этого большую новость и опубликовал на тему Плутона целую передовицу в газете The New York Times. Тогда и началась свистопляска. Рассказываю, что именно мы сделали и почему.Рис. 9.1. Так выглядит ночью «Роуз-центр Земли и Космоса». Сфера диаметром 26 метров утопает в голубом свете, она хорошо заметна внутри стеклянного куба. Масштабные модели Юпитера и Сатурна хорошо заметны рядом с большой сферой, которая в данном случае обозначает Солнце. Среди этих моделей не было Плутона, из-за чего и разгорелись споры. Снимок предоставлен Alfredo Gracombe.

История Плутона начинается с Персиваля Лоуэлла, утончённого джентльмена из Новой Англии. Ему нравилась астрономия, он был богат, поэтому он выстроил обсерваторию, которая называлась (вы угадали) Обсерваторией Лоуэлла. Обсерватория располагалась в Аризоне на высоте 2175 метров. Она так там и сохранилась, а само место называется «Марсианский холм». Лоуэлл фанатично увлекался Марсом; он любил его так беззаветно и так жаждал, чтобы там обнаружилась жизнь, что даже написал три книги на эту тему. Допустим, можно написать книгу о возможности жизни на Марсе, но по свидетельству Лоуэлла, одного лишь Лоуэлла, он наблюдал в телескоп признаки жизни на Марсе. Он видел там растительный покров, изменявшийся в зависимости от времени года, а также видел каналы. Лоуэлл полагал, что на месте пересечения каналов раскинулись оазисы. Он считал, что марсиане страдают от нехватки воды, поскольку увиденные им каналы протянулись от полюсов в те районы, где была заметна растительность. На Марсе есть полярные ледяные шапки. Лоуэлл представлял, что они подтаивают и вода доставляется по каналам везде, где она нужна. Без такого масштабного инженерного проекта марсианская жизнь была бы обречена на гибель от засухи. Сила человеческого воображения удивительна, вот почему мы проверяем наши гипотезы научным методом. Когда в 1877 году Земля и Марс особенно сблизились, Джованни Скиапарелли увидел на Марсе длинные русла, которые назвал итальянским словом canali. Это слово ошибочно перевели на другие языки как «каналы». Русла — естественные формы рельефа. Каналы же могут быть проложены только разумной цивилизацией. Это два совершенно разных слова. Но было поздно. Лоуэлл ухватился за эту идею, начертив затейливую систему каналов. Наконец, когда никому больше не удалось увидеть их в телескопы, пришло понимание, что каналы могут быть обычным обманом зрения, когда глаз выстраивает из случайных чёрточек длинные линии. На современных снимках не видно никакой системы каналов. Регионы с «растительностью» оказались тёмными скоплениями базальтовых скал, которые выглядят зеленоватыми на фоне красных пустынь Марса. В разные сезоны эти скалы то покрываются слоем песка во время бурь, то вновь обнажаются.

Персиваль Лоуэлл не только интересовался Марсом, но и инициировал поиски планеты Икс. На рубеже XIX и XX веков были известны восемь планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Оказалось, что законы Ньютона красиво описывают движения всех планет в Солнечной системе — кроме Нептуна. Предполагалось, что может существовать неизвестный и незамеченный источник тяготения, который влияет на его траекторию, — то есть неоткрытая планета. Лоуэлл был убеждён, что такая планета есть, и назвал её «планета Икс». Для поисков этой планеты он пригласил на работу Клайда Томбо. Поиски начались близ эклиптики — той плоскости, в которой вращаются известные планеты. Томбо искал объект, который бы заметно сдвигался при сравнении двух снимков одной и той же области неба, сделанных с интервалом в несколько дней или недель. Если бы такой объект обнаружился, это была бы далёкая планета, вращающаяся вокруг Солнца. Томбо пользовался прибором под названием «блинк-компаратор» — это важный инструмент, сыгравший значительную роль в истории астрономии, хотя сегодня такие сравнения делаются при помощи компьютера. Первый снимок прикрепляется по одну сторону прибора, второй — по другую, и в компараторе имеется один окуляр с двумя линзами. Наблюдатель быстро просматривает два изображения, которые сменяют друг друга. При этом перебрасывается специальная заслонка, благодаря которой освещается то один, то другой снимок. Любые элементы, положение которых от снимка к снимку изменяется, при этом хорошо заметны. Именно таким образом Клайд Томбо и открыл Плутон в 1930 году.

Название «Плутон» придумала одиннадцатилетняя девочка Венеция Берни, как раз изучавшая в школе древнеримскую мифологию. Планеты именуются в честь римских богов, а Плутон был богом подземного мира. Официальное обозначение Плутона состоит из букв P и L, случайно совпавших с инициалами Персиваля Лоуэлла. Спустя почти полвека был открыт спутник Плутона. Это тело напоминало маленький бугорок на нечётком снимке Плутона, сделанном в 1978 году. Спустя много лет, когда система Плутона расположилась под более удобным углом к лучу зрения, удалось зафиксировать затмения и прохождения спутника по диску планеты. В эти моменты, когда Плутон и его спутник заслоняли друг друга, их совокупная яркость немного снижалась. Когда космический телескоп «Хаббл» сделал снимки в более высоком разрешении, мы смогли непосредственно рассмотреть и сам спутник Плутона, который назвали Харон (по имени паромщика, перевозившего души усопших через реку Стикс в Аид). У Плутона есть спутник, хорошо. Если он претендует на членство в клубе планет, то для начала неплохо. Никаких проблем, думали мы.

Но проблема была. Во-первых, после открытия Плутона считалось, что это и есть недостающая планета Икс, воздействующая на Нептун. Но в таком случае планета Икс должна была оказаться массивной, а не крошечной по сравнению с Нептуном и Ураном. Тем не менее чем больше информации о Плутоне мы добывали и чем точнее его измеряли, тем меньше и легче он казался. Десятилетие за десятилетием Плутон всё уменьшался и уменьшался. Только после открытия Харона удалось в точности измерить массу Плутона — по силе тяготения, с которой он удерживает Харон. Что выяснилось? Плутон в 500 раз легче Земли, это просто мизер по сравнению с массой, которая могла бы заметно изменить орбиту Нептуна. Плутон больше не годился для объяснения траектории Нептуна. Что же его отклоняет? Другая планета Икс? Мы продолжали всматриваться в небо. Так и смотрели, пока в 1992 году Майлс Стэндиш, прямой потомок Майлса Стэндиша (одного из отцов-пилигримов) в 12-м поколении, не проанализировал исторические данные, на основании которых орбита Нептуна считалась изменчивой. Наш Майлс Стэндиш — астрофизик из Лаборатории реактивного движения (Пасадена, штат Калифорния). Он опирался на уточнённые оценки масс Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, полученные в 1980-е годы, когда эти планеты облетал «Вояджер». При этом он исключил одну сомнительную подборку данных, полученных Военно-морской обсерваторией США в период с 1895 по 1905 год. В результате он пришёл к выводу, что орбита Нептуна полностью согласуется с законами Ньютона, и для её описания не требуется учитывать никаких дополнительных гравитационных воздействий со стороны неких таинственных тел. На следующее утро планета Икс отправилась на свалку истории.

Что же насчёт Плутона? Получалось, что Плутон — самая маленькая известная планета. В Солнечной системе существует семь спутников, которые крупнее него, в том числе наша Луна. Плутон — единственная планета, чья орбита пересекает орбиту другой планеты, настолько это вытянутый эллипс. Плутон состоит в основном изо льда — на 55% по объёму. Для ледяных глыб в Солнечной системе уже есть названия. Их можно было бы назвать «ледяные шары», но гораздо раньше (когда ещё не было известно, что они ледяные) за ними закрепилось другое название: кометы. В древности люди любили подбирать поэтические названия для небесных тел. Кометы считались «косматыми светилами», поскольку если у вас копна волос, то на бегу они будут развеваться подобно «хвосту». «Копна волос» по-древнегречески будет «комета». Кометы. Именно так и называются ледяные объекты в Солнечной системе. Плутон во многом схож с кометами. Но он такой один. Он не подлетал к Солнцу с огромной скоростью, а потом не улетал обратно, как положено комете. Когда ледяная комета приближается к Солнцу, её вещество испаряется, и у неё вырастает длинный хвост. Плутон никогда не приближается к Солнцу, поэтому и хвоста у него нет. Несмотря на все странности Плутона, все мирились с его статусом и готовы были считать его планетой.

Но мы в Роуз-центре стремились, чтобы наши экспонаты как можно дольше сохраняли научную точность. Поэтому мы придавали большое значение тем тенденциям, что прослеживались в изучении планет. Плутон сильнее отличается от Меркурия, Венеры, Земли и Марса, чем все они — друг от друга. Меркурий, Венера, Земля и Марс — небольшие «твёрдые планеты» (рис. 9.2). Все они относятся к одному семейству.

Меркурий — ближайшая к Солнцу планета. У него большое железное ядро и изрытая кратерами поверхность, атмосферы почти нет. Венера укрыта облаками. На рис. 9.2 она изображена без облаков, мы хотели показать её рельеф: грандиозные горные хребты и несколько кратеров. У Венеры плотная атмосфера, состоящая из углекислого газа (CO₂), там царит чудовищный парниковый эффект, и на поверхности невыносимо жарко. Марс меньше Венеры и Земли, но больше Меркурия. У него есть тонкая атмосфера из углекислого газа, поддерживающая слабенький парниковый эффект. По этой причине, а также потому, что сам Марс находится достаточно далеко от Солнца, на Марсе гораздо холоднее, чем на Земле. Атмосферное давление на поверхности Марса примерно в 100 раз ниже, чем на поверхности Земли. Тёмные области на изображении Марса — это обнажённые базальтовые породы, не покрытые песком. Красные области (Марс и называют «красной планетой») — это песчаные пустыни. На Марсе есть огромная и длинная рифтовая долина, которая протянулась бы через всю территорию США, от океана до океана. На Марсе есть потухший вулкан Олимп высотой 27 километров. На полюсах Марса — две ледяные шапки, состоящие в основном из водяного льда и припорошённые замёрзшим углекислым газом (сухим льдом). Если не считать Земли, Марс наиболее пригоден для жизни по сравнению с остальными планетами.Рис. 9.2. Сравнительные масштабы планет земной группы («твёрдых» планет), а также Луны, естественного спутника Земли. Венера показана без густых облаков, так, чтобы был виден её рельеф (данные получены с радаров, которые были установлены на космическом аппарате «Магеллан»). Снимки адаптированы по материалам статьи J. Richard Gott, Robert J. Vanderbei, Sizing Up the Universe, National Geographic, 2011. Рис. 9.3. Сравнительные масштабы газовых гигантов (для сравнения показаны Земля и Солнце). Снимки адаптированы по материалам статьи J. Richard Gott, Robert J. Vanderbei, Sizing Up the Universe, National Geographic, 2011.

Какие планеты ещё остались? Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Все это газовые гиганты (рис. 9.3), иное семейство планет. Опять же, они гораздо более похожи друг на друга, чем на Плутон.

Юпитер вращается по орбите, следующей после Марса. Он состоит в основном из водорода и гелия. Во внешних слоях юпитерианской атмосферы есть метановые и аммиачные облака. Полосы на Юпитере — это облачные пояса, а Большое красное пятно, хорошо заметное на картинке, — это вихрь, бушующий уже более 300 лет. Сатурн похож на Юпитер, но его окружают величественные кольца. Эти кольца состоят из частиц льда, вращающихся на орбите планеты. Уран и Нептун похожи на них, но не такие крупные. У Урана есть тонкие кольца (как и у Юпитера, но у нас на картинке они не показаны). В 1989 году космический аппарат «Вояджер-2» обнаружил, что на Нептуне также есть огромный вихрь, Большое тёмное пятно, скорость ветра в котором превышает 2400 километров в час. Повторные наблюдения, выполненные космическим телескопом «Хаббл» пять лет спустя, показали, что Большое тёмное пятно исчезло.

Планеты земной группы образовались во внутренней части Солнечной системы. Там было достаточно тепло, чтобы лёгкие элементы, гелий и водород, разогрелись до высоких температур и преодолели гравитацию планет. Газовые гиганты, сформировавшиеся во внешней части Солнечной системы, холоднее, поэтому они удержали свой водород и гелий и получились очень массивными. Планеты земной группы и газовые гиганты — это два разных семейства планет. Их свойства сравниваются в табл. 9.1.Таблица 9.1. Планеты Солнечной системы. Примечание. Дана температура (в градусах Цельсия) на поверхности твёрдых планет (весь наблюдаемый диапазон) и в верхних слоях атмосферы газовых гигантов.

Плутон никуда не вписывается. Все эти десятилетия мы просто не обижали Плутон, сохраняя за ним место в компании планет, хотя в глубине души понимали, что ему там делать нечего. Достаточно посмотреть в книги конца 1970-х годов (когда мы наконец определились с размерами и массой Плутона) и 1980-х годов — и сразу видно, что Плутон начинают сравнивать с кометами, астероидами и прочими «отбросами» Солнечной системы. Это были первые предвестники полноценного разжалования Плутона из числа планет.

Орбита Плутона также небезупречна. Во-первых, как уже отмечалось, она пересекает орбиту Нептуна. Планеты так не летают. Никаких но. Во-вторых, его орбита существенно наклонена к плоскости, в которой лежат орбиты всех других планет. Это тоже вопиющий факт. Свойства орбиты Плутона просто неприменимы к орбитам планет. Затем, в 1992 году, на одном из блинк-компараторных снимков удалось заметить на окраине Солнечной системы ещё один объект, постепенно перемещающийся со временем, — ещё одно ледяное тело за орбитой Нептуна. С тех пор были открыты более тысячи таких объектов. На что похожи их орбиты? Все они расположены за орбитой Нептуна, причём по склонению и эксцентриситету многие из них напоминают орбиту Плутона (эксцентриситет — это мера, характеризующая степень отклонения формы орбиты от окружности). Эти свежеобнаруженные ледяные тела образуют абсолютно новый класс объектов в нашей Солнечной системе. Поскольку все они мелкие и льдистые, как предсказал в своё время Примеч. пер."" data-trigger=""hover"" style=""border: 1px solid #ddd; padding: 3px;"">Джерард Койпер, их совокупность именуется поясом Койпера. Орбита Плутона частично проходит по внутреннему краю этого пояса, как и орбиты большинства других ледяных тел. Теперь стало понятнее, откуда взялся Плутон. У него есть братишки. Дом. Плутон родом из пояса Койпера.

Учитывая, что Плутон — самый крупный из известных объектов пояса Койпера, разве не логично, что первым из всего этого пояса был обнаружен наиболее заметный и яркий представитель? Церера была открыта первой из астероидов — и до сих пор более крупных астероидов не найдено. Сторонники Плутона поначалу настаивали, что он слишком велик, чтобы считаться одним из объектов пояса Койпера. Но он вращается рядом с остальными подобными объектами, имеет такой же состав и схожие орбитальные свойства. Смотрим на пояс Койпера и отмечаем среднее расстояние от каждого из объектов до Солнца, а затем соотносим расстояние с эксцентриситетом. Находим скопление таких объектов, период вращения находится в орбитальном резонансе 3:2 с Нептуном. Это соотношение означает, что за каждые три оборота Нептуна вокруг Солнца такой объект из пояса Койпера успевает совершить два оборота вокруг Солнца — точно как Плутон. Все объекты из пояса Койпера, для которых характерно такое соотношение, называются плутино. Они схожи с Плутоном даже сильнее, чем с остальными объектами из пояса Койпера.

Итак, мы на нашей выставке в Роуз-центре поместили Плутон в одном ряду с другими объектами из пояса Койпера. Мы даже не утверждали, что Плутон — не планета. Просто физические свойства значили для нас больше, чем ярлыки.

Целый год нас никто не трогал, пока 21 января 2001 года в газете The New York Times не вышла судьбоносная статья «Плутон — не планета? Только в Нью-Йорке». Написал её научный журналист Кеннет Чанг:

Памела Кёртис из Атланты прогуливалась по Роуз-центру мимо выставки планет и вдруг… озадаченно почесала бровь. Планет не хватало. Она стала считать по пальцам, припоминая мнемоническую фразу, которую сынишка год назад выучил в школе: «Мама Варит Земляничный Морс, а Юный Сын Уже Не Плачет». Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. «Я всю её обошла, недоумевая, которая из них потерялась. Плутон! Плутона не хватало», — рассказывает она. «Теперь я знаю, что Юный Сын Уже Не… что? Фраза обрывается», — говорит миссис Кёртис. Американский институт естественной истории тайком исключил Плутон из числа планет… по-видимому, так больше не поступили ни в одном крупном научном учреждении… «Мы не собираемся об этом спорить, — заявил доктор Нил Деграсс Тайсон, директор Хейденского планетария, — кстати, вы довольно внимательны, раз заметили недостачу.

Я старался быть дипломатичным. Мы не говорили «планет всего восемь», или «мы в"