В 1930 году астроном Клайд Томбо, работая в обсерватории Лоуэлла во Флагстаффе, штат Аризона, обнаружил легендарную "девятую планету" (или "планету X"). Существование этого тела было предсказано ранее на основе возмущений в орбите Урана и Нептуна. После получения более 1000 предложений со всего мира и дебатов среди сотрудников обсерватории, вновь обнаруженный объект был назван Плутоном - это название предложила школьница из Оксфорда (Венеция Берни).
С тех пор Плутон стал предметом многочисленных исследований и споров о его названии, а 14 июля 2015 года его впервые посетила миссия "Новые горизонты". С самого начала было ясно одно - характер орбиты Плутона является крайне эксцентричным и наклонным. Согласно новым исследованиям, орбита Плутона относительно стабильна в более длительных временных масштабах, но подвержена хаотическим возмущениям и изменениям в более коротких временных масштабах.
Исследование проводилось доктором Рену Малхотрой, профессором научных исследований Луизы Фукар Маршалл в Лунной и планетарной лаборатории (LPL) Аризонского университета, и Такаши Ито, доцентом Центра исследований планетных исследований (PERC) Технологического института Чиба и Центра вычислительной астрофизики Национальной астрономической обсерватории Японии (NAOJ). Статья с описанием их результатов недавно появилась в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Орбита Плутона радикально отличается от орбит планет, которые движутся по почти круговым орбитам вокруг Солнца вблизи его экватора (эклиптика). В отличие от них, Плутону требуется 248 лет, чтобы совершить один оборот вокруг Солнца, и он движется по высокоэллиптической орбите, наклоненной на 17° к плоскости эклиптики Солнечной системы. Эксцентричность его орбиты также означает, что в течение каждого периода Плутон проводит 20 лет на орбите ближе к Солнцу, чем Нептун.
Природа орбиты Плутона является непреходящей загадкой, о которой астрономы узнали вскоре после его открытия. С тех пор было предпринято множество попыток смоделировать прошлое и будущее его орбиты, что позволило обнаружить удивительное свойство, защищающее Плутон от столкновения с Нептуном. Как рассказал доктор Малхотра, это условие орбитального резонанса, известное как "резонанс среднего движения":
"Это условие гарантирует, что в то время, когда Плутон находится на том же гелиоцентрическом расстоянии от Нептуна, его долгота почти на 90 градусов отличается от долготы Нептуна". Позже было обнаружено еще одно особенное свойство орбиты Плутона: Плутон приходит в перигелий в месте, расположенном намного выше плоскости орбиты Нептуна; это другой тип орбитального резонанса, известный как «колебания vZLK»."
Эта аббревиатура обозначает фон Цейпеля, Лидова и Козаи, которые изучали это явление как часть "проблемы трех тел". Эта проблема состоит в том, чтобы взять начальные положения и скорости трех массивных объектов и решить вопрос об их последующем движении в соответствии с тремя законами движения Ньютона и его теорией всемирного тяготения, для которых не существует общего решения. Как добавил д-р Малхотра:
"В конце 1980-х годов, с появлением более мощных компьютеров, численное моделирование выявило третье особенное свойство - орбита Плутона технически хаотична, то есть небольшие отклонения начальных условий приводят к экспоненциальной дивергенции орбитальных решений в течение десятков миллионов лет. Однако этот хаос ограничен. В ходе численного моделирования было установлено, что два особых свойства орбиты Плутона, упомянутые выше, сохраняются на многолетних временных масштабах, что делает его орбиту удивительно стабильной, несмотря на показатели хаоса".
Эти результаты, вероятно, будут иметь значительные последствия для будущих исследований внешней Солнечной системы и ее орбитальной динамики. Доктор Малхотра считает, что при дальнейшем изучении астрономы смогут больше узнать об истории миграции планет-гигантов и о том, как они в конечном итоге обосновались на своих нынешних орбитах. Это также может привести к открытию нового динамического механизма, который объяснит происхождение орбиты Плутона и других тел с большим наклоном орбиты.
Это будет особенно полезно для астрономов, занимающихся изучением динамики Солнечной системы. Как отметил доктор Малхотра, исследователи в этой области начали подозревать, что свидетельства, которые могли бы пролить свет на эволюцию орбиты Плутона, могли быть стерты нестабильностью и хаотическим характером этой самой орбитальной механики. Как резюмировал доктор Малхотра:
"Я думаю, что наша работа дает новую надежду на установление связи между современной динамикой Солнечной системы и исторической динамикой Солнечной системы". Происхождение наклонов орбит малых планет во всей Солнечной системе - включая транснептуновые объекты - представляет собой серьезную нерешенную проблему; возможно, наша работа привлечет к ней больше внимания".
"Еще один момент, который подчеркивает наше исследование, - это ценность простых приближений для сложной проблемы: т.е. сведение 21 параметра к одному в уравнении трех тел, открыло дверь к основным динамическим механизмам, влияющим на очень интересную, но трудную для понимания орбитальную динамику Плутона".