Плутон (134340 Pluto) — крупнейшая известная карликовая планета Солнечной системы, транснептуновый объект и десятое по массе (без учёта спутников) небесное тело, обращающееся вокруг Солнца — после восьми планет и Эриды. Первоначально Плутон считали девятой классической планетой, но сейчас он считается карликовой планетой и крупнейшим объектом пояса Койпера (в частности, крупнее Эриды).

Как и большинство тел пояса Койпера, Плутон состоит в основном из камня и льда и он относительно мал: его масса меньше массы Луны примерно в 6 раз, а объём — примерно в 3 раза. Площадь Плутона (17,7 млн км²) немногим больше площади России (17,1 млн км²). У орбиты Плутона большой эксцентриситет и большой наклон к плоскости эклиптики.

Из-за эксцентричности орбиты Плутон то приближается к Солнцу на расстояние 29,7 а.е. (4,4 млрд км), оказываясь к нему ближе Нептуна, то удаляется на 49,3 а.е. (7,4 млрд км). Плутон и его крупнейший спутник Харон, открытый в 1978 году, часто рассматриваются как двойная планета, поскольку барицентр их системы находится вне обоих объектов. Международный астрономический союз (МАС) заявил о намерении дать формальное определение для двойных карликовых планет, а до этого момента Харон классифицируется как спутник Плутона. У Плутона есть ещё четыре меньших спутника:

Никта и Гидра, открытые в 2005 году;

Кербер, первое сообщение о котором опубликовано 20 июля 2011 года;

Стикс, об открытии которого было объявлено 11 июля 2012 года.

Со дня своего открытия в 1930 и до 2006 года Плутон считался девятой планетой Солнечной системы. Советские учёные ещё в 1950-х годах высказали предположение, что Плутон является лишь самой большой из карликовых планет, которые обращаются в этой области космического пространства по близким орбитам. Эта гипотеза блестяще подтвердилась: в конце XX и начале XXI века во внешней части Солнечной системы было открыто множество объектов. Среди них примечательны Квавар, Седна и особенно Эрида, которая на 27 % массивнее Плутона, однако, как установили в 2015 году, Плутон больше Эриды по размеру. 24 августа 2006 года МАС впервые дал определение термину «планета». Плутон не попадал под это определение, и МАС причислил его к новой категории карликовых планет вместе с Эридой и Церерой. После переклассификации Плутон был добавлен к списку малых планет и получил номер 134340 по каталогу Центра малых планет. Некоторые учёные продолжают считать, что Плутон должен быть переклассифицирован обратно в планету.

Орбита Плутона сильно отличается от орбит больших планет Солнечной системы: у неё намного больший эксцентриситет (0,2488) и наклон к плоскости эклиптики (17,14°). Большая полуось орбиты Плутона составляет 5,906 млрд км, или 39,482 а.е., но из-за большого эксцентриситета расстояние Плутона от Солнца меняется от 4,437 млрд км в перигелии до 7,376 млрд км в афелии (29,7–49,3 а.е.). Свет (как и радиоволны) проходит расстояние от Солнца до Плутона за 247 минут в перигелии и 410 минут в афелии, а интенсивность освещения отличается в 2,8 раза. Когда Плутон в противостоянии, сигнал с Земли достигает его на 8 минут быстрее, чем когда он в квадратуре.

Большой эксцентриситет орбиты приводит к тому, что часть её проходит ближе к Солнцу, чем Нептун. Последний раз такое положение Плутон занимал с 7 февраля 1979 по 11 февраля 1999 года. Вычисления показывают, что в предыдущий раз он был в таком положении с 11 июля 1735 по 15 сентября 1749 года (всего 14 лет), тогда как с 30 апреля 1483 по 23 июля 1503 года он находился в таком положении 20 лет. Из-за большого наклона орбиты Плутона к плоскости эклиптики она не пересекается с орбитой Нептуна. Проходя перигелий, Плутон находится в 10 а.е. над плоскостью эклиптики. К тому же период обращения Плутона равен 247,92 земного года, и Плутон делает два оборота, пока Нептун делает три. В результате Плутон и Нептун никогда не сближаются менее чем на 17 а.е.

Орбиту Плутона можно предсказать на несколько миллионов лет как назад, так и вперёд, но не больше. Его движение хаотично и описывается нелинейными уравнениями. Но чтобы заметить этот хаос, необходимо наблюдать за ним достаточно долго. Есть характерное время его развития, так называемое время Ляпунова, которое для Плутона составляет 10-20 млн лет. Если производить наблюдения в течение малых промежутков времени, то это движение будет казаться регулярным (периодическим по эллиптической орбите). На самом же деле орбита с каждым периодом чуть сдвигается, и в конце концов сдвигается настолько сильно, что следов от первоначальной орбиты уже не остаётся. Поэтому моделировать движение Плутона для отдалённых моментов времени очень сложно.

Сначала астрономы, полагая, что Плутон и есть та самая «Планета X» Лоуэлла, пытались вычислить его массу на основе его предполагаемого воздействия на орбиту Нептуна и Урана. Сам Лоуэлл в 1915 году предсказывал массу 6,6 земных. В 1931 году считалось, что масса Плутона близка к массе Земли, а дальнейшие расчёты к 1971 году позволили понизить эту оценку на порядок, примерно до массы Марса (такая же оценка была получена в 1950 году в ходе попыток измерить его угловой диаметр). В 1976 году астрономы из Гавайского университета обнаружили в спектре Плутона признаки метанового льда. Это указывало на его большое альбедо, а оно, в свою очередь, — на малый размер и, соответственно, массу в несколько тысячных земной.

Открытие в 1978 году спутника Плутона — Харона — позволило измерить их общую массу, используя третий закон Кеплера. Дальнейшие исследования позволили определить массу Плутона и Харона по отдельности. Современное значение массы Плутона — (1,303 ± 0,003)⋅1022 кг, что составляет 0,22 % массы Земли.

До 1950 года считалось, что по диаметру Плутон близок к Марсу (то есть около 6700 км), ввиду того, что если бы Марс был на таком же расстоянии от Солнца, то он тоже имел бы 15 звёздную величину. В 1950 Дж. Койпер измерил при помощи телескопа с 5-метровым объективом угловой диаметр Плутона, получив значение 0,23″, которому соответствует диаметр в 5900 км. В 1963 году Холидей (Ian Halliday) предложил метод оценки диаметра Плутона на основании наблюдения из нескольких обсерваторий покрытия им звезды. Расчёты показали, что в ночь с 28 на 29 апреля 1965 года Плутон должен был покрыть звезду 15-й величины с экваториальными координатами: прямое восхождение — 11 ч 23 мин 12,1 с, склонение — 19°47’32" (1950), если бы его диаметр был равен определённому Койпером. Двенадцать обсерваторий следили за блеском этой звезды, но он не ослабел. Так было установлено, что диаметр Плутона не превосходит 5500 км. В 1978 году, после открытия Харона, диаметр Плутона был оценён как 2600 км. Позднее наблюдения за Плутоном во время затмений Плутона Хароном и Харона Плутоном в 1985—1990 годах позволили установить, что его диаметр равен 2290±92 км. В 2007 году диаметр Плутона был определён в 2322 км, в 2014 году — в 2368±8 км. В 2015 году на основе данных АМС «Новые горизонты» было получено значение 2376,6 ± 3,2 км. Соответственно, площадь поверхности Плутона составляет 17,7 млн км², что ненамного больше площади современной Российской Федерации (и меньше площади СССР). Заметной сплюснутости у него нет (по крайней мере, она не превышает 1 %, то есть экваториальный радиус отличается от полярного не более чем на 12 км).

Плутон уступает по размерам и массе не только большим планетам Солнечной системы, но и некоторым их спутникам. Он меньше семи спутников: Ганимеда, Титана, Каллисто, Ио, Луны, Европы и Тритона. Масса Плутона меньше массы Луны почти вшестеро (и в 480 раз меньше массы Земли), его диаметр составляет 2/3 диаметра нашего естественного спутника. Но он в 2,5 раза крупнее и в 14 раз массивнее Цереры, самого большого тела пояса астероидов. Среди известных транснептуновых объектов Плутон — крупнейший в диаметре, но по массе он на четверть уступает карликовой планете Эриде из рассеянного диска.

Атмосфера Плутона была обнаружена в 1985 году при наблюдении покрытия им звезды. Если у покрывающего объекта нет атмосферы, свет звезды исчезает довольно резко, а в случае с Плутоном — постепенно. Окончательно наличие атмосферы было подтверждено в 1988 году интенсивными наблюдениями нового покрытия.

Атмосфера Плутона очень разрежена и состоит из газов, испаряющихся из поверхностного льда. Это азот с примесью метана (около 0,25 %) и угарного газа (около 0,05–0,1%). Под действием жёсткого излучения из них образуются более сложные соединения (например, этан, этилен и ацетилен), постепенно выпадающие на поверхность. Вероятно, именно их частицы образуют лёгкую слоистую дымку, достигающую высот >200 км.

Давление атмосферы Плутона очень мало и сильно меняется со временем, причём неожиданным образом. Из-за эксцентричности орбиты в афелии Плутон получает почти втрое меньше тепла, чем в перигелии, и это должно приводить к сильным изменениям в его атмосфере. По некоторым прогнозам, в афелии она большей частью замерзает и выпадает на поверхность, а её давление уменьшается во много раз. Но наблюдения покрытий Плутоном звёзд показывают, что с 1988 до 2015 года это давление выросло примерно втрое, хотя с 1989 года Плутон удаляется от Солнца. Вероятно, это связано с тем, что в 1987 году северный (точнее, положительный) полюс Плутона впервые за 124 года вышел из тени, что способствовало испарению азота из полярной шапки. В 2015 году измерения зонда «Новые горизонты» показали, что поверхностное давление составляет около 10–5 атм (1 Па). Это согласуется с наблюдениями покрытий за предыдущие несколько лет, хотя некоторые расчёты указывали на то, что данные покрытий соответствуют значительно большему давлению (определение поверхностного давления по наблюдениям покрытий сопряжено с некоторыми трудностями).

Температура поверхности Плутона растёт с высотой (3–15° на километр). Средняя температура поверхности — 50 К (-223,15 °C), а средняя по атмосфере — на 40° больше (данные 2008 года). Это результат парникового эффекта, вызванного метаном.

Взаимодействие с атмосферой существенно влияет на температуру поверхности Плутона. Расчёты показывают, что она, несмотря на очень низкое давление, способна эффективно сглаживать суточные перепады этой температуры. Участки поверхности, где возгоняется азотный лёд, охлаждаются (подобно охлаждению при испарении воды) на величину до 20°.

У Плутона известно пять естественных спутников, один из которых — Харон — намного больше остальных. Он был открыт в 1978 году Джеймсом Кристи, а остальные — значительно позже с помощью телескопа «Хаббл». Никту и Гидру обнаружили в 2005 году, Кербер — в 2011, Стикс — в 2012. Все они обращаются по почти круговым орбитам примерно в экваториальной плоскости Плутона в ту же сторону, что и он вокруг своей оси.

Ближайший к Плутону спутник — Харон; дальше идут Стикс, Никта, Кербер и Гидра. Все они близки к орбитальному резонансу: периоды их обращения соотносятся примерно как 1:3:4:5:6. Три спутника — Стикс, Никта и Гидра — действительно находятся в резонансе с соотношением периодов 18:22:33.

Спутниковая система Плутона интересна тем, что занимает очень малую часть возможного объёма. Максимальный возможный радиус стабильных орбит для его проградных спутников оценивают в 2,2 млн км (для ретроградных — ещё больше), но фактически радиус орбиты известных спутников Плутона не превышает 3 % этой величины (65 000 км).

Харон вращается синхронно с Плутоном, а другие спутники — нет: периоды их осевого вращения намного меньше орбитальных, а оси вращения сильно наклонены к осям Плутона и Харона.

Все 4 маленьких спутника Плутона имеют неправильную форму и неожиданно яркие (геометрическое альбедо около 0,6, а у Гидры — даже 0,8). Это существенно больше, чем у Харона (0,38) и большинства других небольших тел пояса Койпера (около 0,1); вероятно, они покрыты довольно чистым водяным льдом.

Съёмка системы Плутона аппаратом «Новые горизонты» позволила определить предельные размеры неоткрытых спутников. Установлено, что на расстояниях до 180 000 км от Плутона нет спутников размером >4,5 км (для меньших расстояний эта величина ещё меньше). При этом предполагается альбедо 0,38, как у Харона.

Открытие маленьких спутников Плутона позволило предположить наличие у него системы колец, образованных выбросами от ударов в эти спутники метеоритов. Но ни по данным «Хаббла», ни по данным «Новых горизонтов» никаких признаков колец найти не удалось (если они и существуют, то настолько разрежены, что их геометрическое альбедо не превышает 1,0⋅10−7).