Код против телескопа: Алгоритм DBSCAN нашел «невидимый уровень» Солнечной системы

На окраине Солнечной системы простирается обширная область - пояс Койпера. Он начинается примерно от орбиты Нептуна и тянется до расстояний около 50 астрономических единиц, где одна астрономическая единица - это дистанция между Землей и Солнцем. В поясе Койпера находятся в основном ледяные и небольшие каменные тела, вроде Плутона. Считается, что эти объекты являются остатками вещества, из которого формировалась Солнечная система.

Теперь в препринте на arXiv астрономы описали ранее невыделенную область, которая, судя по данным, выглядит как отдельная структура внутри пояса Койпера, хотя пока остаются сомнения.

Еще в 2011 году астрономы заметили, что на расстоянии около 44 астрономических единиц есть участок с повышенной плотностью объектов. Его назвали "ядром". Объекты в этом ядре имеют низкие наклоны орбит к плоскости эклиптики и небольшие эксцентриситеты по сравнению с остальными телами пояса Койпера. Проще говоря, их орбиты более круглые и лежат ближе к плоскости Солнечной системы, а не наклонены под углом. Само ядро входит в состав так называемой "динамически холодной" популяции, где орбиты в целом более "ровные" и спокойные.

Первоначально ядро выделили по визуальному анализу распределения объектов, поэтому детали могли ускользнуть. У части исследователей возник вопрос, не скрываются ли в этих данных более тонкие структуры, которые можно будет увидеть при более строгой обработке.

Авторы нового препринта решили применить к объектам пояса Койпера кластеризационный алгоритм DBSCAN (Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise). Этот метод уже использовали для других астрономических выборок, но не для пояса Койпера. Исследователи рассчитали для 1650 классических объектов пояса Койпера их барицентрические свободные орбитальные элементы, такие как большая полуось, эксцентриситет и наклонение орбиты, и затем применили DBSCAN, чтобы найти группы схожих тел.

Алгоритм уверенно выделил известное ядро, а заодно обнаружил рядом с ним еще одну структуру, на расстоянии около 43 астрономических единиц. Ее назвали "внутренним ядром". Это внутреннее ядро выделяется тем, что разброс эксцентриситетов его объектов заметно уже, чем у основного ядра, что указывает на возможную отдельную популяцию. По оценке авторов, на внутреннее ядро приходится около 7–10 % классических объектов пояса Койпера.

Однако четкая граница между ядром и внутренним ядром зависит от выбранных параметров алгоритма кластеризации. Если немного изменить настройки, картина может выглядеть по-другому. Поэтому пока неясно, действительно ли речь идет о двух разных структурах или же это единая область, искусственно разделенная методикой анализа. Сами авторы признаются, что без дополнительного условия "алгоритм обязан сначала восстановить известное ядро" становится гораздо труднее однозначно отделить внутреннее ядро от остальной структуры.

Ситуацию смогут прояснить новые наблюдения. В ближайшие годы начнет работу Обсерватория Веры Рубин, которая даст огромный массив данных о далеких объектах Солнечной системы. Совместно с другими обзорами это поможет точнее понять, как устроены эти структуры в поясе Койпера и каковы их истоки.

При этом, по мнению авторов работы, внутреннее ядро уже сейчас выглядит важным результатом. Они отмечают, что возможны два сценария, и пока нельзя выбрать один из них. Либо реальное ядро значительно больше, чем считалось раньше, либо в "холодной" части пояса Койпера действительно существует дополнительная отдельная структура. В обоих случаях внутреннее ядро, выделенное в их анализе, оказывается тем самым недостающим элементом мозаики.