О том, что такое движение возможно, первым догадался выдающийся французский математик, механик и астроном Жозеф Луи де Лагранж (1736–1813). Теоретически исследуя движение малых тел под действием притяжения Солнца и большой планеты (например, Юпитера), Лагранж выяснил, что легкий астероид может двигаться синхронно с планетой, находясь не только на одной линии с ней и Солнцем (это было ясно и до Лагранжа), но и в одной из двух точек, равноудаленных от планеты и Солнца, так что все три тела располагаются в углах равностороннего треугольника. Более того, если положение равновесия астероида на одной линии с Солнцем и планетой неустойчиво, то, попадая в «треугольные» точки, астероид оказывается в ловушке, откуда не так-то просто ускользнуть. С тех пор, как в 1772 г. появилась работа Лагранжа о точках равновесия, их стали называть точками либрации или «точками Лагранжа». Линейные, или, как говорят математики, коллинеарные точки получили обозначение L₁, L₂ и L₃, а треугольные – Ь₄ и L₅.

Рис. 4.19. Положение точек Лагранжа в системе «Солнце – планета».

Оказалось, что астероиды живут в полном согласии с абстрактной математикой. Греки и троянцы совершают устойчивое либрационное движение (покачивание) вблизи точек Лагранжа L₄ и L₅, отстоящих на равное расстояние от Юпитера и Солнца. Часто для краткости оба семейства вместе называют троянцами. Первый из них – астероид 588 Ахилл открыл Макс Вольф в 1906 г. К 2000 г. было обнаружено 257 троянцев, к маю 2003 г. их было уже 1600, а в феврале 2010 г. было открыто 4076. Из них 2603 движутся в окрестности точки L₄ и 1473 – в окрестности точки L₅. По оценкам, общее число троянцев на орбите Юпитера может превысить 1 млн. Хуже обстоят дела с открытием подобных семейств у других планет. Несколько небольших астероидов было замечено вблизи лагранжевых точек Сатурна (подтверждения пока нет), 7 найдено у Нептуна, да еще 4 «троянца» обнаружены в лагранжевых точках Марса.

Как видим, пристальное изучение пространства между большими планетами открыло астрономам целые семейства новых обитателей Солнечной системы. А что же делается за орбитами больших планет, там, куда с трудом дотягиваются телескопы, где Солнце светит, но уже не греет?

Долгое время за орбитой Нептуна не удавалось найти ни одного объекта, кроме Плутона (1930 г.) и его единственного, но очень крупного спутника Харона (1978 г.), однако в 1992 г. все изменилось: на окраине Солнечной системы астрономы открыли неизвестное скопище малых тел, похожих на астероиды и ядра комет. Некоторые из них по размеру почти не уступают Плутону. Существование этого скопления занептуновых тел подозревали давно. Ирландский инженер Кеннет Эджворт в 1943 и 1949 гг., а также американский астроном Джерард Койпер в 1951 г. высказали предположение, что за орбитами планет-гигантов, на расстоянии 35–50 а. е. от Солнца существует область, откуда во внутреннюю часть Солнечной системы регулярно приходят короткопериодические кометы. Идея подтвердилась, и эту область за орбитой Нептуна, населенную мини-планетами, называют теперь поясом Койпера или Эджворта – Койпера, если уважают историческую справедливость (к этой теме мы вернемся в главе 7). К 2010 г. за Нептуном уже было обнаружено около 1200 тел, причем диаметры большинства из них превышают 100 км, а у некоторых доходят до 2400 км!

Первый транснептуновый объект диаметром около 280 км открыли в конце 1992 г. Дейвид Джюит и Джейн Луу из Гавайского университета в Гонолулу. Объект получил обозначение 1992 QB1. К 1995 г. за орбитой Нептуна обнаружили еще 17 малых планет, из них 8 на расстояниях 40–45 а. е. от Солнца, т. е. даже за орбитой Плутона. К марту 1999 г. было открыто уже 113 транснептуновых объектов, и стало окончательно ясно, что пояс Койпера существует. Оказалось, что все тела пояса Койпера обращаются вокруг Солнца в прямом направлении, как и большие планеты. По параметрам орбит их разделили на два класса. Более половины отнесли к классическим объектам пояса Койпера (КВО – Kuiper Belt Object); некоторые астрономы называют их объектами Эджворта – Койпера (ЕКО). Почти круговые орбиты этих тел лежат в области 40–50 а. е. от Солнца, а плоскости орбит наклонены к эклиптике менее чем на 40°. Около ¹/₃ планеток объединили в класс плутино (т. е. «плутончики»); большие полуоси их орбит близки к 39,5 а. е., а значит, их орбитальный период такой же, как у Плутона (248 лет), и соотносится с орбитальным периодом Нептуна как 3:2. Возможно, именно эта резонансная связь с планетой-гигантом служит стабилизирующим фактором движения плутино: некоторые из них пересекают орбиту Нептуна, но никогда не сближаются с ним, как и сам Плутон.

Несколько объектов не вписались в указанную классификацию. Движение некоторых из них также имеет резонансный характер по отношению к Нептуну, но с отношением периодов 4: 3, 5: 3 или 5:4. Еще несколько объектов не попадают ни в один из классов, а объект 1996 TL66 вообще стал родоначальником особого класса транснептуновых объектов, поскольку имеет весьма вытянутую (е = 0,58) орбиту с большой полуосью 84 а. е., а значит, удаляется от Солнца в афелии втрое дальше Плутона.

Объекты за Нептуном пока трудно отнести к какому-либо классу малых тел Солнечной системы – к астероидам или ядрам комет. Новооткрытые тела в большинстве своем имеют диаметры от 100 до 1000 км и очень темную красноватую поверхность, что указывает на ее древний состав и возможное присутствие органических соединений. Судя по оценкам, это скопление малых тел в сотни раз массивнее Главного пояса астероидов, но уступает по массе гигантскому кометному облаку Оорта (или Эпика – Оорта), простирающемуся на тысячи астрономических единиц от Солнца. Возможно, пояс Койпера представляет собой остаток протопланетной туманности, из которой сформировалась Солнечная система.

Сегодня изучение пояса Койпера – интереснейшая область астрономии. Каждые несколько месяцев приносят сенсационные открытия. Кроме большого количества новых объектов, поражает и их «качество». В 2002 г. Чедвик Трухильо и Майкл Браун из Калифорнийского технологического института, используя телескоп Шмидта Паломарской обсерватории, открыли объект 18,5^m, обозначенный как 2002 LM60. Выяснилось, что он находится от нас на расстоянии около 43 а. е., что на 11 а. е. больше нынешнего расстояния до Плутона. Однако, в отличие от Плутона, орбита которого вытянута, орбита новой планетки оказалась близка к круговой. Применив самый зоркий инструмент нашего времени – космический телескоп «Хаббл», астрономы измерили угловой размер этого объекта. Он оказался равным 0,04″, что на расстоянии в 43 а. е. соответствует диаметру около 1300 км. Планетка оказалась крупнейшим объектом, открытым в Солнечной системе за 72 года, прошедшие с момента открытия Плутона. Да и размером она оказалась в половину Плутона. Как было не дать столь выдающемуся объекту собственное имя! Первооткрыватели назвали этот ледяной мир Кваваром (Quaoar), что у индейцев племени тонгва, коренных жителей района Лос-Анджелеса, служит именем бога-создателя. Квавар сошел с небес и после превращения хаоса в порядок возложил Мир на спины семи гигантов, потом создал низших животных, а затем и людей, гласит легенда. Хотя Квавар по размеру меньше Плутона, по объему он больше, чем все астероиды Главного пояса вместе взятые. Правда, по массе он им уступает, поскольку сложен не из плотных скальных пород, а в основном изо льда. Более всего он, вероятно, похож на гигантское ядро кометы.

Прошло немногим более года после открытия Квавара, и вот – новый чемпион: объект диаметром около 1700 км, предварительно обозначенный как 2003 VB12 и после определения орбиты зарегистрированный под номером 90377 с именем Седна (Sedna). Это имя эскимосской богини моря, живущей в темных глубинах холодного северного океана. Очень подходящее имя для объекта, «живущего» вообще за пределами пояса Койпера, если считать его внешней границей расстояние в 50 а. е. Нынешнее гелиоцентрическое расстояние до Седны 90 а. е. Орбита у нее чрезвычайно вытянутая, но даже в перигелии она не подходит к Солнцу ближе, чем на 76 а. е. А в афелии Седна удаляется от Солнца на 961 а. е., совершая оборот вокруг него за 12 тыс. лет. Похоже, что Седна – первый представитель внутренней части облака Оорта.