Как была рассчитана орбита карликовой планеты Плутон, кто придумал название «Плутон» и почему лучшим астрономам долгое время не удавалось найти её на звездном небе.
Опубликовано: 22/02/2020
(Обновлено: 03/03/2020)

Карликовая планета Плутон – находится в 30 раз дальше от Солнца, чем Земля. Немыслимое расстояние! При этом, Плутон, хоть и является “крупнейшим объектом пояса Койпера”, все же не является полноценной планетой – то есть довольно мал, его диаметр составляет 2376 километров – на треть меньше Луны.

Даже в наше время, располагая мощнейшими наземными и космическими телескопами, отыскать цель размером с Плутон, на таком гигантском расстоянии было бы проблемой, но эта карликовая планета была открыта аж в 1930 году – когда человечество не располагало и третью возможностей доступных нам сегодня. Как же удалось разглядеть Плутон?

Плутон - не зря называют карликовой планетой, на самом деле он даже меньше Луны

Плутон – не зря называют карликовой планетой, на самом деле он даже меньше Луны. Найти такую «планету» на небе – сложнее, чем иголку в стоге сена

На самом деле, говоря про историю обнаружения планеты Плутон (далее я буду говорить именно “планета”, а не карликовая планета), уместнее было бы сказать – как было рассчитано существование Плутона, так как математика сыграла здесь более важную роль, чем собственно наблюдение.

В самом деле, для открытия Плутона была выполнена масса теоретических исследований, более объемных и разнообразных, чем при расчетах планеты Нептун (также вычисленной, а не обнаруженной). Однако Нептун был первым и к тому же триумфом, а вот с Плутоном пришлось повозиться…

Урбен Жан Жозеф Леверье и новая планета за орбитой Нептуна

Вопрос о существовании еще одной планеты Солнечной системы возник в конце XIX — начале XX веков. Дело в том, что астроном Урбен Жан Жосеф Леверье после открытия Нептуна приступил к уточнению теории движения Урана с учетом Нептуна, а также к построению теории движения Нептуна. Закончив исследования в 1874 году (Уран) и 1875 году (Нептун), Леверье сумел добиться большой точности в вычислениях. Но все же полного схождения теории и реальных наблюдений как для Урана, так и для Нептуна не было.

И хотя расхождения между вычисленными и наблюдаемыми координатами планет оставались очень небольшими, почти не превышающими обычные погрешности точности наблюдений, но все же эти расхождения имели систематический характер. Этот факт заставлял подозревать, что они появляются не в результате каких-либо ошибок в теории движения или случайных ошибок наблюдений, а реального несоответствия теории и фактического движения Урана и Нептуна.

За 1690-1830 годы, несмотря на большое количество попыток уточнить орбиты Нептуна и Урана с помощью вычислений, картина расхождений в целом была почти та же, что у Леверье. Особенно показательны расхождения за 1873-1903 годы – точность вычислений существенно повысилась и это сделало закономерность их появлений совершенно очевидной.

Но, пока ещё были сомнения – кто его поймет, может все же есть ошибка в расчетах орбит? Только в начале 20-го века стало понятно – дело не в расчетах, скорее всего где-то в Солнечной системе еще одна большая планета, движущаяся за орбитой Нептуна (транснептуновая планета).



Урбен Жан Жозеф Леверье, первооткрыватель Нептуна

Урбен Жан Жозеф Леверье, первооткрыватель Нептуна. С него-то и началась история с Плутоном!

Как была вычислена орбита Плутона

Англичанин А. Гайо первым принялся за задачу определения элементов орбиты этой неизвестной планеты. Задача была технически гораздо труднее, так как расхождения были заметно меньше, чем в случае взаимного влияния Нептуна и Урана (в среднем меньше в 15 раз!). К тому же эти расхождения едва превышали погрешность наблюдений и, следовательно, их значения были ненадежны.

Все же А. Гайо получил в 1909 году решение задачи, использовав методику Леверье с некоторыми усовершенствованиями. Правда, это решение никто не использовал. Как выяснилось позднее, точные положения новой планеты отличались от вычисленных по Гайо на 20° и более.

В это же самое время над задачей о неизвестной планете работает американский астроном Персиваль Лоувелл (1855-1916), известный ранее своими многочисленными наблюдениями Марса, рисунками и картами его поверхности. Еще в 1905 году он получает свое первое решение задачи об этой планете, которую он назвал “планетой Икс”.

В 1908 году Лоувелл находит второе решение, а затем в 1915 году подводит итог всем своим многолетним исследованиям в большом докладе на 105 страницах под названием «Сообщение о транснептуновой планете», представленном в Американскую Академию наук и вскоре опубликованном.

В итоге, П. Лоувелл провел колоссальные исследования, значительно большие, пожалуй, чем даже Леверье. При этом он следовал, как и Гайо, в основном методике Леверье. Ловелл использует таблицу невязок Гайо для долготы Урана и составляет по ней всего 37 условных уравнений вида

δэν+δν=νн-νв

где δэν — поправки долготы за счет уточнения элементов орбиты Урана, δν — возмущения от неизвестной планеты и νн-νв — расхождения Гайо. Выражения для δэν и δν примерно такие же, как у Леверье, но для δν несколько более точные. Лоувелл, как и Леверье, пренебрегает в выражении для δν наклонением орбиты, но, однако, допускает, что оно может достигать 10°.

Далее Лоувелл задает различные значения большой полуоси а’ (40,5, 42,5, 45,0, 47,5, 51,25 а. е.) и средней долготы ε’ от начального момента 0° до 360° через каждые 10°. Для каждой пары заданных а’, ε’ (таких пар 180) он получает линейные условные уравнения относительно массы m’ неизвестной планеты и величин h’=e’sinω‘, k’= е’cosω‘, где е’ и ω‘ — эксцентриситет и долгота перигелия орбиты этой планеты.

Плутон не только находится дальше, чем 8 планет Солнечной системы

Плутон не только находится дальше, чем 8 планет Солнечной системы (на рисунке изображен «вид сверху» на орбиты Нептуна и Плутона), но ещё и вращается «под наклоном» по отношению к другим планетам. Поэтому, даже зная расстояние от Плутона до Солнца, довольно сложно найти его визуально – ведь он находится вне плоскости обращения других известных планет!

Решая такие уравнения обычным методом наименьших квадратов, Лоувелл составляет соответствующею сумму квадратов остаточных невязок S, получая, таким образом, столько значений S, сколько задано пар (а’, ε’). Для каждого из пяти значений строится график зависимости S от ε’, т. е. всего пять таких графиков. По ним выбираются такие а’ и ε’, при которых S — наименьшее. Эта пара а’, ε’ и соответствующие значения m’, е’, ω‘ дают искомое решение задачи.

Лоувелл варьировал также исходные условные уравнения. Если говорить точнее, то он разбил их на четыре группы, охватывающие определенные годы наблюдений, и варьировал так называемые веса этих групп. Например, в одном варианте Ловелл, разбивая все уравнения на четыре группы, относящиеся к 1690-1781 годам (первая), 1782-1830 годам (вторая), 1836-1873 годам (третья), 1873-1903 годам (четвертая), принял их веса равными 1; 1,5; 2 и 2 соответственно.

С помощью весов оценивают точность соответствующих условных уравнений или, правильнее сказать, данных наблюдений, по которым составлены эти уравнении. Приведенные веса означают, что первая группа принималась в √2 раз менее точной, чем третья н четвертая группы. Другими словами, приписывание большего веса группе уравнений означает, что исследователь считает наблюдения, входящие в эти уравнения, более точными.

В другом варианте Ловелл принял веса этих групп равными 0; 1,5; 2; 2,5 соответственно.

Кроме того, Ловелл варьировал выражение для возмущений δν от неизвестной планеты, выписывая в нем большее или меньшее число членов.

Таким путем Ловелл получил довольно много вариантов окончательного решения для искомых элементов орбиты неизвестной планеты (и для поправок к элементам первоначальной орбиты Урана). Качество (надежность) каждого решения он оценивал с помощью величины

R=100(1-S20/S2)%,

где S20 — сумма квадратов исходных расхождении νн-νв no Рано, которые выписаны в решаемых условных уравнениях и S2 — сумма квадратов остаточных невязок этих условных уравнений для данного решения. При этом, впоследствии, выяснилось что точность качества этих решений колебалась от 70% до 99,5%.

Впрочем, несмотря на впечатляющие результаты, выбор между ними сделать было не просто, так как математически они были совершенно эквивалентны.

Тогда Ловелл прибегнул к дополнительному анализу отклонений Нептуна от неизвестной планеты, оценивая, в какой же период времени эти отклонения наибольшие, т. е. когда же эта планета ближе к Нептуну. Это позволило установить группу решений, максимально приближенных к истине.

Ловелл нарисовал карту с предполагаемыми орбитами и траекториями на небе своей планеты Икс и сам же начал в 1915 году на своей обсерватории (Обсерватория была построена Лоувеллом в 1894 году вблизи Флагстаффа (штат Аризона, США). Позже ее стали называть Ловелловской обсерваторией)) поиски.

Он фотографировал один за другим участки неба, где, по его предположению, находилась планета, сравнивал положения звезд и искал движущуюся «звезду». Однако поиски были безуспешными.

Поверхность Плутона, как её сфотографировала исследовательская станция «Новые горизонты» 14 июля 2015 года

Поверхность Плутона, как её сфотографировала исследовательская станция «Новые горизонты» 14 июля 2015 года

Клайд Томбо – человек, который нашел Плутон

В 1916 году Персиваль Лоувелл умер и поиски неизвестной планеты за орбитой Нептуна никто не продолжил. Остался открытым вопрос, насколько правильными и точными были решения Лоувелла и его предсказанные положения этой “планеты иск”. Между тем результаты Ловелла, как выяснилось впоследствии, были очень хорошими. Сравним, например, ошибки в элементах орбиты, полученные в свое время Леверье для Нептуна и Ловеллом для Плутона с фактическими элементами.

 
Нептун Плутон
Леверье Фактически Ошибка Ловелл (Х1) Фактически Ошибка
ε(1850,0) 332°,4 334°,2 0,5% 22°,1 19°,4 0,8%
ω(1850,0) 284°,8 47°,2 34,2% 203°,8 221°,3 4,8%
а 36,15 30,0 20,3% 43,0 39,6 8,6%
е 0,1076 0,00872 1140% 0,202 0,246 17,9%

Сравнение ошибок в процентах показывает, что решение Ловелла было в целом значительно лучше, чем решение Леверье, причем точность решения была очень высока.

Поиски Плутона (точнее “планеты икс”) возобновились в декабре 1919 года по инициативе известного американского астронома Вильяма Пикеринга (1858-1938), также занимавшегося проблемой новой неизвестной планеты. Первое решение он получил еще в 1909 году, применив новый графический метод анализа задачи. В 1919 году, улучшив свой метод, он получил еще два решения, которые он считал более точными.

Это первое решение Пикеринга  и правда можно было использовать для поисков, однако, к сожалению, выяснилось это лишь впоследствии. Второе решение Пикеринга было несколько хуже, но… Пикерииг ведь не знал, какому решению следует отдать предпочтение.

По его просьбе на обсерватории Маунт Вилсон в США сфотографировали несколько участков неба, соответствующие полученным элементам орбиты. Однако планету на этих пластинках не нашли и вскоре поиски опять прекратились. Позднее выяснилось, что фактически изображение планеты па пластинках присутствовало, но астрономы просматривали лишь узкую полосу, на 2° по обе стороны от эклиптики (ведь планеты от Марса до Нептуна находятся в этой полосе). Плутон же оказался несколько дальше, на расстоянии 4° от эклиптики, так как его орбита довольно сильно наклонена к эклиптике (i=17°,1).

Вид на Плутон в мощный телескоп с Земли

Вид на Плутон в мощный телескоп с Земли

Таким образом, решениями Вильяма Пикеринга астрономы воспользоваться не сумели. На неизвестную планету, вообще, по-видимому, махнули рукой, вера в теоретические результаты Ловелла и Пикеринга оставалась очень слабой и поиски планеты возобновились только через 10 лет.

В 1929 году в Лоувелловской обсерватории был установлен новый телескоп, предназначенный именно для фотографирования звезд. Поле зрения было большое, так что на одной пластинке помещался участок неба в 160 кв. градусов. При выдержке в один час на пластинке получались изображения даже очень слабых (до 17-й звездной величины) звезд.

С января этого же года на обсерватории появился новый сотрудник, молодой ассистент Клайд Томбо, который с детских лет интересовался астрономическими наблюдениями и сооружением телескопов.

По предложению руководителей обсерватории Томбо начал в апреле 1929 года на новом фотографическом телескопе поиски неизвестной планеты. Поиски оказались длительными и упорными, ведь на каждой пластинке было в среднем 160000 изображений (от 100000 до 400000) звезд и все их надо было просмотреть, сравнить с другой пластинкой этого же участка неба, чтобы выявить «звезду», которая изменяет положение.

Однако Томбо не надо было занимать терпения и аккуратности. Правда, надо сказать, что он не особенно доверял теоретическим данным Ловелла и Пикеринга и фотографировал участки неба один за другим, не придерживаясь только той части неба, на которую указывали теоретические расчеты.

К тому же у Лоувелла и Пикеринга имелось по несколько решений. Какого из них придерживаться? С его точки зрения эти решения скорее напоминали предсказания .

Как бы то ни было, после года кропотливого просмотра пластинок Томбо, наконец, обнаружил ту самую “неизвестную” планету за орбитой Нептуна. Она выглядела как звездочка 15-й величины. Это случилось 18 февраля 1930 года, когда были сравнены пластинки, снятые 23 и 29 январи 1930 года. В то время Плутон находился на небе вблизи звезды δ созвездия Близнецов. Таким образом, Плутон был официально открыт 18 февраля 1930 года.

13 марта 1930 года сообщение об открытии новой планеты впервые появилось в печати и Ловелловской обсерватории предоставили выбор названия планеты.

Люди неразрывно связанные с Плутоном - астроном Клайд Томбо и Венеция Берни

Люди неразрывно связанные с Плутоном – астроном Клайд Томбо, который открыл Плутон и увлеченная школьница Венеция Берни, которая дала новой планете имя

Почему планета Плутон называется именно так?

Название «Плутон» предложила 11-летняя дочка (Венеция Берни) одного из профессоров астрономии – такое мрачное имя (в греческой мифологии – бог подземного царства), Венеция выбрала неспроста – эта интересующаяся астрономией девочка вполне разумно предположила, что новая планета скорее всего представляет из себя темный, мрачный, холодный мир. Плутон  был отличным кандидатом.

Впрочем – были и другие варианты названия (свое название мог предложить любой сотрудник обсерватории), но при голосовании из “Минервы”, “Кроноса” и “Плутона”, выбрали все же последний вариант.

За это открытие в 1931 году Клайд Томбо был награжден золотой медалью Английского Астрономического общества. А Венеция Берни – поощрена премией в 5 фунтов стерлингов от своего деда Ф. Мейдана, который рассказал ей об удивительном открытии, а затем, передал её вариант названия сотрудникам Лоувелловской обсерватории.


Использованы фото и другие материалы с: Marks a Curious Corner on Pluto’s Icy Plains, Заполнение белых пятен, Недопланета, Pluto Fact Sheet


Список источников литературы