Открытие Плутона Клайдом Томбо в 1930 году –важный этап в эволюции представлений о планете X и транснептуновых объектах

     После открытия Нептуна в 1846 году астрономы обратили внимание на то, что открытие Нептуна не сняло все имевшиеся несоответствия в расчётах относительно орбиты Урана. Уран и Нептун имели отклонения в орбитальном движении, которые могли объясняться существованием девятой планеты за пределами орбиты Нептуна. Попытки поисков девятой планеты начались ещё в XIX веке, однако системный проект по обнаружению девятой планеты был запущен лишь в начале XX века. Инициатором проекта был американский бизнесмен, математик, астроном и писатель из Бостона Персиваль Лоуэлл. Прочитав книгу Камиля Фламмариона «Планета Марс», Лоуэлл увлёкся изучением Марса и вдохновился идеей изучения марсианских каналов. Он основал обсерваторию Флагстафф в штате Арзиона, которая была позднее названа его именем. Затем он занялся построением карты Венеры, а в 1906 году начал программу поисков гипотетической девятой планеты за пределами Нептуна – «планеты X». Лоуэлл полагал, что траектория Урана и Нептуна была изменена под воздействием гравитации ещё не открытой планеты Х. Поиски начались с расчётов предполагаемых областей нахождения девятой планеты, для чего была сформирована команда исследователей – «вычислителей» во главе с американским астрономом Элизабет Уильямс. Уильямс проводила математические расчёты, которые должны были помочь Лоуэллу определить области потенциальный район нахождения планеты Х. Кроме того, Уильямс должна была определить примерный размер предполагаемой планеты.
В 1909 году Лоуэлл и американский астроном Уильям Пикеринг предположили несколько возможных небесных координат для девятой планеты. Для поиска планеты использовалась камера с апертурой 5 дюймов, однако из-за малого поля зрения 42-дюймового телескопа рефлектора этот инструмент оказался не очень практичным для поиска.

     Поэтому в 1914 году Лоуэлл взял в аренду у обсерватории Спроул 9-дюймовый телескоп, и поиски с использованием математических расчётов Элизабет Уильямс были продолжены. Как выяснилось позднее, 19 марта и 17 апреля 1915 года обсерватория Лоуэлла сделала снимки Плутона, однако у исследователей на тот момент не было понимания, что на снимках изображена не звезда. Во втором случае планету не удалось различить из-за пузырька воздуха на фотоэмульсии. Некоторые исследователи указывают на то, что Плутон фиксировался на снимках и ранее, в частности, в ходе наблюдений Йеркской обсерватории ещё 20 августа 1909 года, но также не был тогда идентифицирован в качестве объекта, отличного от звезды.
После смерти Персиваля Лоуээла в 1916 году работа по поиску планеты была на длительное время приостановлена из-за десятилетней судебной тяжбы вдовы Персиваля Лоуээла Констанс Лоуэлл с обсерваторией Лоуээла из-за наследия своего мужа. Поиски планеты Х были возобновлены лишь в 1929 году. В 1926 году американский астроном Весто Мелвин Слайфер был назначен директором обсерватории Лоуэлла. Слайфер получил известность благодаря тому, что он впервые выполнил измерения лучевых скоростей галактик и обнаружил, что далёкие галактики имеют красное смещение, что заложило основу для теории расширения Вселенной. Слайфер поручил возобновить поиски планеты Х Клайду Томбо. Томбо было 23 года, он только что пришёл в обсерваторию, куда его пригласил Слайфер, высоко оценив астрономические рисунки Томбо.
Томбо родился в Иллинойсе и рос на ферме в Канзасе. Он был самоучкой в области астрономии и оптической инженерии, сам собирал телескопы из подручных материалов и вручную шлифовал линзы. Его интерес к астрономии начался в 1918 году, когда в возрасте 12 лет он посетил Йеркскую обсерваторию на Женевском озере в Висконсине. Интерес к астрономии в нём пробудил его дядя, астроном-любитель, использовавший неахроматический трёхдюймовый телескоп-рефрактор. Прочитав, несколько книг по астрономии, подаренных ему дядей, Томбо начал читать журнал Popular Astronomy. Ознакомившись в этом журнале со статьёй астронома-любителя с зарисовками Юпитера, Томбо решил сконструировать собственный телескоп, чтобы увидеть эти детали. Изготовив телескоп, он сделал зарисовки Юпитера и Марса и отправил их в обсерваторию Лоуээла во Флагстаффе. Рисунки попали директору обсерватории Весто Слайферу, и Томбо предложили работу в обсерватории.
    Получив от Слайфера задание вести поиск транснептуновой планеты, Слайфер 6 апреля 1929 года начал вести наблюдения. Свои наблюдения он вёл на основании расчётов Элизабет Уильямс и Уильяма Пикеринга. Томбо начал фотографировать ночное небо парами снимков, а затем изучал каждую пару и определял, не сместились ли какие-то объекты. Вначале он использовал 13-дюймовый астрограф обсерватории, чтобы фотографировать один и тот же участок неба с разницей в несколько ночей. Затем он стал вести сравнения с помощью компаратора для сравнения изображений. При переключении между двумя изображениями движущийся объект, например, планета, как будто перескакивал с одного места на другое, а более удалённые объекта, например, звёзды, казались неподвижными.
Томбо делал парные снимки с разницей примерно в две недели. Оба снимка помещались в компаратор, которое, быстро обмениваясь изображениями, создавало иллюзию замедленной съёмки движения любого планетарного тела. Существовала вероятность того, что более быстро движущийся (и, следовательно, более близкий) объект будет принят за новую планету, поэтому Томбо сделал снимки каждого региона вблизи точки противостояния, на расстоянии 180 градусов от Солнца, где видимое ретроградное движение объектов за пределами земной орбиты наиболее заметно. Он также сделал третий снимок для контроля, чтобы исключить вызванные дефектами фотопластинок возможные ложные результаты. Томбо сделал снимки всего зодиакального пояса, а не стал сосредотачиваться лишь на тех регионах, которые указал Лоуэлл.
      К началу 1930 года поиски Томбо достигли созвездия Близнецов. После почти года поисков, 18 февраля 1930 года, Томбо обнаружил возможный движущийся объект на фотографиях, сделанных 23 и 29 января. Движущийся объект был обнаружен недалеко от места, предсказанного Лоуэллом, за пределами орбиты Нептуна. Фотография более низкого качества, сделанная 21 января, помогла подтвердить движение объекта. Получив подтверждение, Томбо вошёл в кабинет Слайфера и сообщил ему: Доктор Слайфер, я нашёл вашу планету X». Объект находился всего в шести градусах от одного из двух предполагаемых мест расположения планеты Х, указанных Лоуэллом. В дальнейшем обсерватория получила дополнительные подтверждающие фотографии, исключив возможность того, что наблюдался астероид, и 13 марта 1930 года новость об открытии передали по телеграфу в обсерваторию Гарвардского колледжа.
Были предложены разные варианты названия новой планеты. Так, рассматривалось название «Кронос», однако от него отказались из-за разногласий с астрономом Томасом Джефферсоном Джексон Си, а от названия «Минерва» отказались, поскольку оно уже использовалось для обозначения астероида.
Идея назвать «Планету Х» в честь бога подземного царства в древнеримской мифологии Плутона, который мог становиться невидимым, принадлежала Венеции Берни – 11-летней школьнице из Англии, увлекающейся античной мифологией. Сотрудники обсерватории Лоуэлла единогласно приняли вариант Венеции. В решении назвать небесное тело Плутоном также скрывался знак почтения основателю обсерватории Лоуэллу – символом Плутона стали инициалы Персиваля Лоуэлла – сочетание из букв «П» и «Л». Название «Плутон» также единогласно поддержали в Американском астрономическом обществе и в Королевском астрономическом обществе. Название «Плутон» было официально утверждено 1 мая 1930 года.
Тусклость Плутона и отсутствие видимого диска могли означать, что Плутон недостаточно массивен, для того чтобы рассматриваться в качестве ожидавшейся «Планеты Х». После открытия Плутона Томбо продолжил поиски других транснептуновых объектов, однако поиски того времени не принесли результата.
Оценочная масса Плутона неоднократно корректировалась исследователями в сторону уменьшения. Если Лоуэлл в 1915 году предсказывал, что масса планеты Х составит около 7 масс Земли, то американские астрономы Сет Барнс Николсон и Николас Ульрих Мэйолл в 1931 году оценили массу Плутона как примерно равной массе Земли, а голландский астроном Джерард Питер Койпер в 1948 году оценил массу Плутона как составляющую 0,1 массу Земли. В 1971 году Зайдельман, Клепчинский, Данкомб и Джексон оценили массу Плутона в 0,11 массы Земли. В 1976 году Крукшенк, Пилчер и Моррисон оценили массу Плутона в 0,002 – 0,005 массы Земли. В 1978 году Кристи и Харрингтон оценили массу Плутона уже в 0,0017 массы Земли, а в 2006 году Буи оценил массу Плутона как составляющую лишь 0,00218 массы Земли.
     После 1992 года было сделано множество открытий небесных тел в поясе Койпера – околозвёздном диске во внешней части Солнечной системы, простирающемся от орбиты Нептуна до расстояния примерно 50 а.е. от Солнца. В 2005 году была открыта Эрида – массивный объект с массой на 27 % больше массы Плутона, что обострило споры насчёт того, можно ли считать Плутон планетой.
      В августе 2006 года на собрании Международного астрономического союза уругвайские астрономы Гонсало Танкреди и Хулио Анхель Фернандес предложили следующее определение термина «планета»: объект в Солнечной системе может считаться планетой, если он одновременно соответствует трём условиям: объект должен находиться на орбите вокруг Солнца; объект должен быть достаточно массивным, чтобы его форма определялась собственной гравитацией, при этом собственная гравитация должна придавать ему форму, определяемую гидростатическим равновесием; объект должен очищать окрестности вокруг своей орбиты. Плутон не соответствовал третьему условию, поскольку его масса значительно меньше массы других объектов на его орбите. В сентябре 2006 года Международный астрономический союз отнёс Плутон наряду с Эридой к группе карликовых планет. Не все астрономы поддержали эту классификацию и лишение Плутона статуса планеты – с критикой выступил, например, Марк Буйе, первооткрыватель множества малых планет, работавший тогда в обсерватории Лоуэлла. Однако классификация Плутона как карликовой планеты пока сохраняет свою силу.
     Несмотря на своего рода понижение в классификации, Плутон является очень интересным объектом исследований. Он значительно отличается от своих соседей – планет-гигантов, скорее он похож на один из их спутников – имеет небольшие размеры, поверхность изо льда и горных пород, атмосфера преимущественно состоит из азота и имеет сезонный характер. У Плутона открыто 5 спутников, крупнейшим из которых является Харон. Любопытно, что эксцентричная орбита Плутона периодически приближает его к Солнцу ближе, чем Нептун, но стабильный орбитальный резонанс предотвращает их столкновение. Плутон был ближе к Солнцу, чем Нептун, в течение достаточно длительного периода – с 7 февраля 1979 года до 11 февраля 1999 года. Интересным является изучение поверхности Плутона – несмотря на то, что равнины Плутона на 98 процентов состоят из азотного льда, на них присутствуют следы монооксида углерода и метана. Горы Плутона состоят из водяного льда. Поверхность Плутона имеет большие различия в яркости, цвете и топографии. Плутон относится к числу наиболее контрастных небесных тел Солнечной системы наряду со спутником Сатурна Япет. Цвет поверхности варьируется от белого до тёмно-оранжевого и угольно-чёрного. Географические особенности планеты включают в себя наличие областей, известных как «кастет», «кит» и «сердце». На поверхности не заметно наличие кратеров, но есть конвекционные ячейки. Плутон обладает удивительно разнообразным рельефом, а на поверхности есть поля поперечных дюн. Не исключено, что на границе ядра и мантии Плутона находится подповерхностный океан жидкой воды.
К числу необычных особенностей Плутона следует также отнести то, что ось вращения Плутона наклонена на 120 градусов – планета вращается «лёжа на боку». Харон является очень крупным спутником, если соотнести его с массой самого Плутона – они вращаются вокруг общего центра масс и всегда повернуты друг к другу одной стороной.
     В 2020 году в журнале Nature Geoscience вышла статья Карвера Бирсона, Фрэнсиса Ниммо и Алана Стерна, в которой исследователи предположили, что у Плутона, возможно, был подповерхностный океан, который мог быть пригоден для жизни после своего формирования. Говоря о происхождении Плутона, современные исследователи предполагают, что Плутон являлся планетезималью и компонентом исходного протопланетного диска вокруг Солнца, который не смог сформироваться в полноценную планету.
Наличие всех этих интересных особенностей Плутона требует дополнительных научных исследований. В 2015 году мимо Плутона пролетел аппарат New Horizons. Наблюдения велись с помощью комплекса дистанционного зондирования – изучалась геология и морфология планеты. После этой миссии ученые выступили за дополнительную миссию аппарата, который вернется к Плутону для решения новых научных задач. В ходе новой научной миссии будет необходимо провести картографирование поверхности, изучение особенностей вращения Плутона вокруг своей оси, изучить, есть ли у Плутона подповерхностный океан.
Главный исследователь проекта «Новые горизонты» Алан Стерн выступает за создание орбитального аппарата вроде «Кассини», который мог бы стартовать к 2030 году, в год столетия открытия Плутона, и использовать гравитацию Харона для корректировки орбиты, а впоследствии для покидания системы. В исследовании программы НАСА NIAC рассматривается возможность создания орбитального аппарата и посадочного модуля для Плутона с термоядерным двигателем на основе реактора с обратной конфигурацией поля. Такой двигатель может быть положен в основу программы Direct Fusion Drive, предполагающей, что термоядерный ракетный двигатель с низким уровнем радиоактивности может использоваться для создания как тяги, так и электроэнергии, и может использоваться для межпланетных космических аппаратов. По некоторым данным, концепция такого двигателя вступила в фазу моделирования, которая осуществляется корпорацией Princeton Satellite Systems. В случае успешной реализации проекта в ближайшие годы можно рассчитывать на запуск к Плутону космического аппарата с термоядерным двигателем, и мы сможем узнать много нового о карликовой планете, открытой Клайдом Томбо почти столетие назад.
Что касается мифической планеты X, как её описывал Лоуэлл, в настоящее время большинство учёных сходятся во мнении, что в таком виде её не существует. Однако ряд учёных высказывают и иные гипотезы. Так, Майкл Браун и Константин Батыгин предполагают существование массивной планеты на окраине Солнечной системы, возможно, ядра зарождающегося газового гиганта в 5-10 раз тяжелее Земли с диаметром в 2-4 раза больше земного и вытянутую орбиту с периодом обращения приблизительно 15 тысяч земных лет. Однако существование такой планеты пока не доказано.
Итак, открытие Плутона Клайдом Томбо в 1930 году стало отличным примером, когда настойчивость молодого исследователя позволила ему самостоятельно сконструировать наблюдательную технику, устроиться на работу в ведущую обсерваторию и, проанализировав большой массив данных, наработанный до него опытными исследователями в течение многих лет, сделать важное научное открытие. При этом другие исследователи за много лет до этого получили изображение Плутона, но не смогли его идентифицировать в качестве небесного тела, отличного от звезды. Открытие Плутона в целом по его местоположению и траектории движения отвечало прогнозам, а вот его свойства существенно отличались от предполагаемых и постоянно уточнялись в дальнейшем.
Необходимо обязательно реализовать проект миссии на Плутон в 2030-х годах на основе термоядерного ракетного двигателя с реактором обратной конфигурацией поля. Во-первых, такая миссия может стать пилотным проектом для реализации в будущем аналогичных космических миссий. Во-вторых, детальное изучение Плутона может дать человечеству уникальную информацию о его подповерхностном океане (возможно, из воды, смешанной с аммиаком), о криовулканах, извергающих лёд, состоящих из криолавы – полузамёрзшей смеси из водяного льда, аммиака, метана и азота, напоминающей по консистенции зубную пасту. Также можно получить больше информации о причинах контрастности поверхности Плутона, о ледяном «сердце» Плутона – гигантском леднике из замёрзшего азота, запускающем азотные ветры в результате постоянного цикла испарения и конденсации. Интерес представляют слоистая атмосфера Плутона, выглядящая как ярко-голубое светящееся кольцо, а также уникальные иглы из метанового льда высотой сотни метров и многие другие явления. В-третьих, технологии, наработанные в рамках проекта NIAC, могут быть впоследствии использованы на Земле для генерации чистой электроэнергии в модульных электростанциях.
Открытие Клайдом Томбо Плутоном подтолкнуло других исследователей к исследованию отдалённых частей Солнечной системы. Были открыты множество карликовых планет, астероидов, комет, открыт пояс Койпера, высказана гипотеза о существовании облака Оорта – источника долгопериодических планет. В результате дальнейших исследований окраин Солнечной системы учёные получат ответы на множество интересующих вопросов, касающихся эволюции Солнечной системы и формирования планет, наличия или отсутствия ещё одной массивной планеты на окраине Солнечной системы, а также об источниках происхождения и процессах эволюции комет, характерных для Солнечной системы.
Юрий Понажоев, Смоленск