Американец Дэвид Рассел, учитель химии одной из школ штата Нью-Йорк, предложил ни много ни мало пересмотреть определение планеты. Статью со своей идеей и весьма подробным ее обоснованием он выложил в архив электронных препринтов Корнельского университета, где обычно и появляются открытые публикации свежих научных результатов. Из идеи Рассела следует новая, физически обусловленная, классификация планет, которая, по его мнению, более корректна и устойчива к открытию новых тел, чем действующая сегодня классификация Международного астрономического союза, принятая в 2006 году.
Сразу стоит пояснить, почему этот вопрос вообще до сих пор занимает ученых — казалось бы, почему бы просто не договориться об определении планеты и больше к нему не возвращаться? Важно понимать, что классификация объектов и явлений природы необходима для более полного понимания их устройства, для поиска тех немногих общих фундаментальных законов, которые определяют их свойства и эволюцию. Разделив исследуемые объекты на классы, мы можем изучать схожие объекты совместно. (Чтобы изучать жизнь насекомых, нужно сначала отделить мух от слонов, чтобы потом не пришлось тратить время и силы на решение вопроса о том, почему слоны не летают.) Поэтому важно, чтобы любая классификация была физически обусловленной, а это неизбежно заставляет нас пересматривать ее по ходу накопления новых данных об исследуемых объектах.
А поскольку последние десятилетия принесли много нового в науку о планетах, до сих пор жива и дискуссия о том, что же стоит считать планетой и какие типы планет необходимо выделять.
Cколько мы знаем планет в Солнечной системе? На протяжении большей части истории науки ответ на этот вопрос действительно был скорее результатом общественного договора о том, что считать планетой. Еще в античности люди отметили семь небесных тел, которые сравнительно быстро — за месяцы или даже дни — меняли свое положение относительно «неподвижных звезд». То есть они, в отличие от других источников света, могли странствовать по небу. Собственно, греческое слово πλάνης, породившее термин «планета», и переводится как «странник».
Такое кинематическое разделение на «планеты» и «не планеты» в то время было единственно возможным. С точки зрения древнего астронома, кроме как своим движением, одни звезды от других больше ничем не отличались. За исключением, разумеется, Солнца и Луны, которые видны как светящиеся диски, а не точки. Впрочем, это не помешало им оказаться в списке планет на равных правах с пятью другими его членами – Меркурием, Венерой, Марсом, Юпитером и Сатурном. Земля планетой тогда, разумеется, не считалась.
Если бы этот античный критерий действовал и по сей день, то планетами пришлось бы признать почти все источники света на нашем небе. Сегодня мы знаем, что обычные звезды тоже не стоят на месте, хотя их перемещение и невозможно заметить без телескопических наблюдений.
Позже благодаря Копернику стало понятно, что Солнце занимает выделенное положение в Солнечной системе, что все известные планеты (а вместе с ними и Земля) обращаются вокруг него, Луна же, в отличие от них, обращается вокруг Земли. Эти свойства уже указывали на то, что жители нашей планетной системы имеют разную физическую природу. Соответственно, появилось более объективное (то есть по возможности свободное от непрочных человеческих договоренностей) определение того, что считать планетой. Таковой стали называть тело, центром орбиты которого является Солнце. Впоследствии добавилось уточнение: светиться оно должно отраженным солнечным, а не собственным светом. Так, Галилео Галилей, открывший четыре больших спутника Юпитера, в своих записях называл их именно планетами.
XIX-й век потребовал добавить к этому определению еще и классификацию: выяснилось, что планеты могут быть очень разными. Во-первых, обнаружение 1 января 1801 года, после долгих поисков, планеты между орбитами Марса и Юпитера (это была Церера) положило начало открытию множества астероидов (то есть «звездоподобных» — даже в мощные телескопы у них не наблюдалось дисков), располагающихся на весьма близких орбитах. Это заставило разделить известные планеты на большие и малые. Астероиды действительно очень сильно уступают большим планетам по своим размерам и, как правило, представляют собой просто каменные глыбы неправильной формы. Во-вторых большие планеты были разделены на планеты земного типа и планеты-гиганты (типа Юпитера). Этому разделению можно придать геологическое обоснование — у гигантов как минимум отсутствует твердая поверхность. Необходимость такой классификации была связана с тем, что разные типы больших планет, а также малые планеты имеют, по-видимому, несколько отличные механизмы образования.
После открытия в 1930 году Плутона (отнесенного к планетам земного типа) количество больших планет в Солнечной системе достигло девяти и оставалось неизменным больше семидесяти лет.
Но и XX век приносил все больше и больше сведений о строении нашей планетной системы. Было открыто множество сравнительно больших тел, похожих на Плутон, находящихся за его орбитой. Все они являются телами пояса Койпера — периферийного аналога пояса астероидов. И Плутон, кстати, не самый большой из этих объектов. Мощные телескопы XX века позволили установить, что Церера — крупнейший из астероидов — имеет вполне правильную сферическую форму. Были открыты малые тела, находящиеся прямо на орбите Юпитера, тела-квазиспутники (у Земли их три) и даже кометы стали полноправными членами Солнечной системы, прилетающими из далекого облака Оорта.
В результате (по большей части, конечно, благодаря открытию большого числа планет типа Плутона) Международный астрономический союз (МАС) в 2006 году принял новую, действующую по сей день, классификацию планет.
Итак, сегодня большой планетой считается тело, которое 1) обращается вокруг Солнца, 2) имеет шарообразную форму и 3) не имеет «соседей» на близких орбитах (как в поясе астероидов). Если третий критерий не выполняется, то соответствующая планета считается карликовой. А если не выполняется еще и второй, тогда — малой.
Таким образом, Плутон, Церера и еще три тела с орбитами в районе орбиты Плутона попали в список карликовых планет. В малые записали все астероиды (в том числе из пояса Койпера). А больших планет осталось восемь — четыре земного типа и четыре планеты-гиганта.
Таково на сегодня состояние «планетоведения». Но, видимо, останавливаться на этом еще рано. Принятая в 2006 году классификация с самого начала устраивала не всех ученых. Критики выдвигают следующие аргументы.
Во-первых, такую классификацию сложно использовать для внесолнечных экзопланет, которых мы знаем уже под тысячу. Более того, экзопланеты в этой классификации даже не упоминаются. Конечно, очень сложно с сегодняшними телескопами проверить, например, шарообразность далекой планеты. Но мы уже сейчас начинаем изучать такое сложное явление, как планетные системы, на примере не только нашего родного дома, но и других систем — а для этого необходимо иметь одинаковую мерку для всех. Так что хорошая классификация должна быть по возможности универсальна.
Во-вторых, даже если мы сможем измерить форму далекой планеты, мы столкнемся с тем, что само понятие шарообразности строго не определено. Насколько поверхность планеты может быть «не гладкой»? Ответа на этот вопрос нет. При этом такой геометрический критерий вполне можно заменить физическим ограничением на массу и размеры планеты. Ведь чем тяжелее планета, тем скорее она примет сферическую форму под действием собственной гравитации.
В-третьих, критиков не устраивает критерий отсутствия близких соседей. Прежде всего, его тоже можно переформулировать в физических терминах гравитации планеты и ее скорости, ведь более массивной и быстрой планете гораздо легче «расчистить» себе путь вблизи ее орбиты. Однако если одну из планет земного типа (скажем, Землю) поместить на орбиту Плутона в сегодняшней Солнечной системе, то ее орбитальная скорость неизбежно упадет и «расчистить» себе орбиту она уже не сможет. А значит, формально ее придется исключить из числа больших планет и перевести в карликовые. Многим астрономам, как и американскому учителю Дэвиду Расселу, ситуация, в которой тип планеты определяется ее положением в Солнечной системе, кажется неудовлетворительной.
Кроме того, Рассел обращает внимание на такие детали, как само определение «карликовая». Оно предполагает процедуру сравнения. Но с чем? По сравнению с Землей, например, Плутон, несомненно, карлик. Однако по сравнению с Юпитером карликом будет уже сама Земля. Большинство известных нам планет (вне Солнечной системы) близки по своим размерам скорее к Юпитеру, чем к Земле. И может быть, такие гиганты как раз суть «более нормальные» планеты, нежели наша, и сравнивать нужно именно с ними? Корректная классификация, говорит Рассел, в идеале должна быть лишена и такого недостатка тоже.
В конечном итоге Рассел сформулировал свои критерии определения и классификации планет, лишенные, по его мнению, всех перечисленных недостатков. Критерии эти таковы.
1. Тело, называемое планетой Солнечной системы, обращается по орбите вокруг Солнца.
2. Планета имеет массу, достаточную для того, чтобы под действием самогравитации принять приблизительно шарообразную форму, но недостаточную для начала термоядерных реакций в ее недрах (что сделало бы эту планету звездой). Это значит, что минимальная масса планеты составляет около 1019 килограммов при диаметре в 400 километров.
3. Все планеты делятся на четыре класса: (A) планеты земного типа; (B) планеты типа Цереры; (C) планеты типа Юпитера (планеты-гиганты); (D) планеты пояса Койпера. В рамках каждого класса, таким образом, собраны объекты c близким механизмом образования, эволюции и со схожими физическими характеристиками типа расстояния до Солнца, состава, плотности, массы, размера.
4. Если в будущем будут открыты тела, отвечающие критериям 1 и 2, но располагающиеся в так называемом облаке Оорта, то они должны быть отнесены к дополнительному, пятому классу — «оортовских планет» (oortian planets).
5. Любая планета, обращающаяся вокруг другой звезды, называется экзопланетой до тех пор, пока точность наблюдений не позволит отнести ее к одному из четырех (пяти) описанных выше классов.
Дополнительно Рассел предлагает классифицировать и известные спутники планет, разделив их на «луны» (moons) и собственно «спутники» (satellites). Луной он предлагает называть тело, обращающееся вокруг одной из планет и отвечающее критерию шарообразности. В противном случае следует называть это тело спутником. Таким образом, Луна является «луной», а спутники Марса — Фобос и Деймос — «спутниками». Так решается и еще одна проблема, состоящая в том, что некоторые спутники планет-гигантов (Титан, Ганимед) по своим размерам превосходят Меркурий, считающийся одной из больших планет.
Все оставшиеся объекты Солнечной системы, которые не подпадают под описанную классификацию, Рассел предлагает называть просто — «астероид», «объект пояса Койпера», «объект облака Оорта», «комета» и так далее.
Если принять такую классификацию, то в Солнечной системе мы найдем четыре планеты земного типа (Меркурий, Венера, Земля и Марс), четыре планеты типа Цереры (Церера, Паллада, Веста и Гигея — сегодня это просто крупнейшие объекты главного пояса астероидов), четыре планеты-гиганта типа Юпитера (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун), а также 15 планет пояса Койпера, включая Плутон. Итого 27 планет.
Классификация Рассела, в общем, достаточно разумна, но все же не исключает дискуссии. Во-первых, если разделение планет Солнечной системы на четыре предложенных класса еще возможно в силу особенностей структуры нашей системы, то как можно будет отличить планеты типа Цереры от планет пояса Койпера в других системах, не очень понятно. Каждому из этих классов не помешало бы строгое физическое определение.
Во-вторых, стоило бы наконец уточнить, что значит «обращается вокруг Солнца». Как известно, любое движение относительно и Солнце не в меньшей степени обращается вокруг любой из выбранных планет. Если, например, ориентироваться на величину силы гравитации, считая, что Солнцем планета должна притягиваться сильнее, чем всеми другими телами вместе взятыми, то Луну в таком случае придется признать отдельной планетой, потому что формально Солнцем она притягивается несколько сильнее, чем Землей.