В середине XX века астрономы выдвинули гипотезу: где-то за орбитой Нептуна находится резервуар особых космических тел — планетоземалей. Это сгустки пыли, камней, льда из протопланетного облака. Их считают зародышами планет.

В 1992 году гипотеза подтвердилась: открыли карликовые тела дальше орбиты Нептуна, на расстоянии 30-55 астрономических единиц. В честь голландско-американского астронома Джерарда Койпера эту область назвали поясом Койпера.

Сейчас астрономам известны примерно две тысячи объектов в этой области Солнечной системы. Предполагается, что там порядка ста тысяч тел с радиусом больше ста километров. Одни движутся по почти круговым орбитам, другие — по сильно вытянутым, с огромной полуосью в сотни астрономических единиц. Вероятно, что-то сильно исказило их траектории, поэтому ученые говорят о «горячей» популяции в противовес «холодной», с невозмущенными орбитами.

В «холодной» популяции большинство объектов сдвоенные — например астероид Ультима Туле, с которым в январе этого года сближался аппарат «Новые горизонты». Небесное тело выглядит единым, но на самом деле это два небольших объекта одинакового цвета и, вероятно, состава.

Есть категория тел, чьи орбиты находятся в резонансе с орбитой Нептуна. То есть соотношение периодов обращения вокруг Солнца кратно целым числам, скажем, 2:3 или 3:1. Такие объекты время от времени сближаются и влияют друг на друга посредством сил тяготения, как Земля и Луна.

Особый тип — троянские астероиды. Это небольшие каменно-ледяные тела на орбите планеты, но движущиеся в резонансе с ней: впереди или позади в точках Лагранжа, где гравитационные влияния Солнца и планеты уравновешиваются. Такие есть у Юпитера. Как выяснилось, троянцами располагает и Нептун. Считается, что эти астероиды были захвачены и принесены в пояс Койпера извне.

Очень интересен так называемый рассеянный диск. Это остатки планетоземалей, путешествующих с момента начала формирования Солнечной системы. Они так и не обрели стационарную орбиту, хотя некоторые временно попали в резонанс с Нептуном и задержались в поясе Койпера.

Среди них выделяют ископаемый рассеянный диск — тела на орбите с большой полуосью порядка 500 астрономических единиц (например, карликовая планета Седна). Из-за очень вытянутых орбит, но в перигелиях всего 35-40 астрономических единиц эти объекты не подвержены влиянию Нептуна. Их очень сложно наблюдать, и ученые полагают, что «ископаемых» может быть много, на них приходится основная масса пояса Койпера.

Как вычислили в Институте прикладной астрономии РАН (Санкт-Петербург), масса пояса Койпера — на два порядка меньше двух масс Земли.

«Общая масса всех объектов, а там есть крупные тела типа Плутона, примерно в пятьдесят раз больше общей массы пояса астероидов. Это дает основания для предположений о происхождении Солнечной системы. Одни считают, что за орбитой Нептуна изначально было больше вещества. По другим представлениям, планеты-гиганты путешествовали по Солнечной системе, приближались к Солнцу, потом отодвигались подальше», — рассказывает РИА Новости соавтор работы Елена Питьева, заведующая лабораторией эфемеридной астрономии.

Массу пояса Койпера необходимо учитывать при расчете движения планет и космических аппаратов.

«Влияние пояса Койпера довольно большое. Из-за него орбиты близких планет смещаются за десять лет на несколько километров», — уточняет Питьева.

В России нет возможности наблюдать за объектами пояса Койпера. Единственный телескоп с шестиметровым зеркалом, способный на это, БТА на Кавказе, работает главным образом на астрофизику. Астрометрией же, то есть определением положения объектов на небе, занимались в Пулковской обсерватории. Но ее судьба теперь под вопросом.

В недавнем обзоре ученые из Франции и США описывают историю пояса Койпера с помощью модели Ниццы, разработанной в 2005 году. Согласно ей, Солнечная система была более компактной, планеты вращались вокруг звезды по круговым орбитам и располагались ближе друг к другу, чем сейчас.

Затем, после удаления газа из системы, вся «конструкция» пришла в движение, планеты меняли орбиты, раскидывая и рассеивая протопланетное вещество. Все, что осталось позади Нептуна, а также захваченные объекты типа троянских астероидов и нестабильных спутников образовали пояс Койпера. Вероятно, оттуда часть комет была выброшена планетами-гигантами еще дальше — в облако Оорта. Так называют гипотетическую зону на самой окраине Солнечной системы, на расстоянии десять тысяч астрономических единиц.

По мнению авторов обзора, модель Ниццы согласуется со многими наблюдаемыми фактами и позволяет сделать ряд предположений, которые уже подтвердились экспериментально или проверяемы. Но есть и нестыковки.

Ученые разработали собственную версию модели Ниццы — NM12 (аббревиатура имен авторов и год). Она эффективнее всего, если принять, что в Солнечной системе было пять или больше планет-гигантов, а затем осталось четыре.

Сценарий примерно такой. Четыре миллиарда лет назад из газопылевого облака начала формироваться Солнечная система. Через шесть миллионов лет планетам стало тесно и они принялись менять орбиты. Далеко прыгнули Сатурн и Юпитер, вытолкав безымянного ледяного гиганта за пределы нашей планетной системы. Уран и Нептун удалялись от Солнца и через сто миллионов лет достигли своего нынешнего места.

Не исключено, что пятый ледяной гигант до сих пор находится в Солнечной системе — на орбите гораздо дальше нептунианской. Такую идею высказали американские астрономы Константин Батыгин и Майкл Браун в 2016 году, проанализировав аномальные орбиты рассеянных объектов пояса Койпера, в том числе Седны, не объяснимые влиянием известных планет. Эти орбиты очень вытянутые, и перигелии группируются в одной области. Как будто что-то очень массивное на них повлияло. Так возникла гипотеза о девятой планете — до сих пор не подтвержденная и не опровергнутая. Возможно, ее удастся проверить в ближайшие годы с помощью наблюдений на телескопах или в планируемых космических миссиях к Урану и Нептуну.