Орбита

Орбита Плутона значительно отличается от орбит других планет. Она сильно наклонена относительно эклиптики (более чем на 17°) и сильно эксцентрична (эллиптически). Орбиты всех других планет Солнечной системы близки к круговым и составляют небольшой угол с плоскостью эклиптики. Среднее расстояние Плутона от Солнца составляет 5,913 млрд км, или 39,53 а. е., но из-за большого эксцентриситета орбиты (0,249) это расстояние меняется от 4,425 до 7,375 млрд км (29,6—49,3 а. е.). Солнечный свет идёт до Плутона около пяти часов, соответственно, столько же потребуется радиоволнам, чтобы долететь от Земли до космического аппарата, находящегося возле Плутона. Большой эксцентриситет орбиты приводит к тому, что часть её проходит от Солнца ближе, чем Нептун. Последний раз такое положение Плутон занимал с 7 февраля 1979 по 11 февраля 1999. Детальные вычисления показывают, что до этого Плутон занимал такое положение с 11 июля 1735 по 15 сентября 1749, причём всего 14 лет, тогда как с 30 апреля 1483 по 23 июля 1503 он находился в таком положении 20 лет. Из-за большого наклона орбиты Плутона к плоскости эклиптики, орбиты Плутона и Нептуна не пересекаются. Проходя перигелий, Плутон находится на 10 а. е. над плоскостью эклиптики. К тому же, период обращения Плутона равен 247,69 года, и Плутон делает два оборота за то время, пока Нептун делает три. В результате Плутон и Нептун никогда не сближаются более чем на 17 а. е.^[65][66] Орбиту Плутона можно предсказать на несколько миллионов лет как назад так и вперёд, но не больше. Механическое движение Плутона хаотично и описывается нелинейными уравнениями. Но чтобы заметить этот хаос, необходимо наблюдать за ним достаточно долго. Есть характерное время его развития, так называемое ляпуновское время, которое для Плутона составляет 10—20 млн лет. Если наблюдать в течение малых промежутков времени, будет казаться, что движение регулярное (периодическое по эллиптической орбите). На самом же деле орбита с каждым периодом чуть сдвигается, и за ляпуновское время сдвигается настолько сильно, что следов от первоначальной орбиты уже не остаётся. Поэтому и моделировать движение очень сложно^[65][66].

 Орбиты Нептуна и Плутона

Вид на орбиты Плутона (обозначена красным) и Нептуна (обозначена голубым) «сверху». Плутон периодически бывает к Солнцу ближе Нептуна. Затемнённый участок орбиты показывает, где орбита Плутона ниже плоскости эклиптики. Положение дано на апрель 2006

Плутон находится с Нептуном в орбитальном резонансе 3:2 — на каждые три оборота Нептуна вокруг Солнца приходится два оборота Плутона, весь цикл занимает 500 лет. Кажется, что Плутон должен периодически сильно приближаться к Нептуну (ведь проекция его орбиты пересекается с орбитой Нептуна)^{[67][68][69][70]}.
Парадокс заключается в том, что Плутон иногда оказывается ближе к Урану. Причина этого — всё тот же резонанс. В каждом цикле, когда Плутон первый раз проходит перигелий, Нептун оказывается в 50° позади Плутона; когда Плутон второй раз будет проходить перигелий, Нептун сделает полтора оборота вокруг Солнца и окажется примерно на том же расстоянии что и в прошлый раз, но впереди Плутона; в то время, когда Нептун и Плутон оказываются на одной линии с Солнцем и по одну от него сторону, Плутон уходит в афелий.
Таким образом, Плутон не бывает ближе 17 а. е. к Нептуну, а с Ураном возможны сближения до 11 а. е.
Орбитальный резонанс между Плутоном и Нептуном очень стабилен и сохраняется миллионы лет^[71]. Даже если бы орбита Плутона лежала в плоскости эклиптики, столкновение было бы невозможно^[69].
Стабильная взаимозависимость орбит свидетельствует против гипотезы, что Плутон был спутником Нептуна и покинул его систему. Однако возникает вопрос: если Плутон никогда не проходил близко от Нептуна, то откуда мог возникнуть резонанс у карликовой планеты, гораздо менее массивной, чем, например, Луна? Одна из теорий предполагает, что если Плутон изначально не был в резонансе с Нептуном, то он, вероятно, время от времени сближался с ним гораздо сильнее, и эти сближения за миллиарды лет воздействовали на Плутон, изменив его орбиту и превратив её в наблюдаемую ныне.

 Дополнительные факторы, влияющие на орбиту Плутона

Схема аргумента перигелия

Расчёты позволили установить, что в течение миллионов лет общая природа взаимодействий между Нептуном и Плутоном не меняется^[67][72]. Однако существует ещё несколько резонансов и воздействий, которые влияют на особенности их перемещения относительно друг друга и дополнительно стабилизируют орбиту Плутона. Помимо орбитального резонанса 3:2 преимущественное значение имеют следующие два фактора.
Во-первых, аргумент перигелия Плутона (угол между точкой пересечения его орбиты с плоскостью эклиптики и точкой перигелия) близок к 90°^[72]. Из этого следует, что при прохождении перигелия Плутон максимально поднимается над плоскостью эклиптики, таким образом предотвращая столкновение с Нептуном. Это прямое следствие эффекта Козаи^[67], который соотносит эксцентриситет и наклонение орбиты (в данном случае — орбиты Плутона), учитывая воздействие более массивного тела (здесь — Нептуна). При этом амплитуда либрации Плутона относительно Нептуна составляет 38°, и угловое разделение перигелия Плутона с орбитой Нептуна всегда будет более 52° (то есть 90°−38°). Момент, когда угловое разделение бывает наименьшим, повторяется каждые 10 000 лет^[71].
Во-вторых, долготы восходящих узлов орбит этих двух тел (точек, где они пересекают эклиптику) практически находятся в резонансе с вышеуказанными колебаниями. Когда эти две долготы совпадают, то есть когда можно протянуть прямую линию через эти 2 узла и Солнце, перигелий Плутона составит с ней угол в 90°, и при этом карликовая планета будет находиться выше всего над орбитой Нептуна. Другими словами, когда Плутон пересечёт проекцию орбиты Нептуна и наиболее глубоко зайдёт за её линию, то он сильнее всего удалится от её плоскости. Это явление называют суперрезонансом 1:1^[67].
Для того чтобы понять природу либрации, представьте, что вы смотрите на эклиптику из удалённой точки, откуда планеты видны движущимися против часовой стрелки. После прохождения восходящего узла Плутон находится внутри орбиты Нептуна и движется быстрее, нагоняя Нептун сзади. Сильное притяжение между ними вызывает вращательный момент, приложенный к Плутону за счёт гравитации Нептуна. Он переводит Плутон на немного более высокую орбиту, где он движется чуть медленнее в соответствии с 3-м законом Кеплера. Так как орбита Плутона меняется, то процесс постепенно влечёт за собой изменение перицентра и долгот Плутона (и, в меньшей степени, Нептуна). После многих таких циклов Плутон настолько тормозится, а Нептун настолько ускоряется, что Нептун начинает ловить Плутон на противоположной стороне своей орбиты (возле узла, противоположного тому, с которого мы начали). Процесс затем обращается и Плутон отдаёт вращательный момент Нептуну до тех пор, пока Плутон не разгоняется настолько, что начинает догонять Нептун возле первоначального узла. Полный цикл завершается примерно за 20 000 лет^[69][71].