Новости Солнечной системы

Загадочная девятая планета Солнечной системы находится примерно в полтора раза ближе к нам, чем считали ученые, и является не газовым гигантом, а «суперземлей». К такому выводу пришли ее первооткрыватели, известные астрофизики Майкл Браун и Константин Батыгин из Калифорнийского технологического института. Свою статью они опубликовали в журнале Physics Reports.

Уточненные расчеты траектории движения небесного тела неожиданно показали, что первоначально Батыгин и Браун значительно завышали массу Планеты Х, угол наклона орбиты и расстояние до нее. Оказалось, что она похожа по размерам не на Нептун, а на увеличенную Землю.

Подобные изменения, как объясняет Батыгин, связаны с тем, что в 2016 году астрономам не было известно ни одного объекта, большая полуось орбиты которого была бы длиннее 250 астрономических единиц. Астрономическая единица примерно равна 150 млн километров — это среднее расстояние от Земли до Солнца. Большая полуось — это полусумма расстояний от планеты до Солнца в перигелии и афелии. Перигелий — ближайшая к Солнцу точка орбиты планеты или иного небесного тела Солнечной системы. Афелий — наиболее удаленная от Солнца точка орбиты.

За последние годы было открыто сразу 14 подобных небесных тел, значительно изменивших представления о внутренней «архитектуре» окраин Солнечной системы.

Натан Эйсмонт, ведущий научный сотрудник Института космических исследований РАН

«Это так называемые транснептуновые объекты, то есть те, что дальше от Солнца, чем Нептун. И их продолжают открывать главным образом благодаря наблюдательным возможностям телескопов Subaru и Hegg, введенных в строй на Гавайях, — рассказал “Стимулу” ведущий научный сотрудник Института космических исследований РАН Натан Эйсмонт. — У них такие возможности, о которых еще десять лет назад и мечтать не могли. Они сейчас только начинают работать, еще находятся в стадии отладки и уже сделали много открытий».

Почти все орбиты этих далеких миров, как подчеркивает Константин Батыгин, были бы нестабильными, если бы их движениями не управляла Планета Х, расположенная в конкретном регионе пространства и обладающая четко выверенной массой.

«Когда три года назад я и Майк опубликовали нашу первую статью, мы не боялись, что нам придется проделать огромную работу, чтобы найти эту планету. Мы опасались совсем другого — того, что есть какое-то более простое объяснение этим аномалиям. К счастью, пока мы другого объяснения не нашли», — рассказывает Константин Батыгин.

Предвестники открытия

Раньше девятой планетой Солнечной системы считался Плутон, но в 2006 году его лишили этого статуса, переквалифицировав в карликовую планету, по сути в астероид. Инициатором этого стал Майкл Браун. Все это он описал в книге «Как я убил Плутон и почему это было неизбежно».

Браун целенаправленно исследует пояс Койпера — область, где сосредоточены ледяные осколки материи, оставшиеся после образования Солнечной системы. Самые крупные — порядка 900 километров. Всего там обнаружено примерно две тысячи небесных тел. Исследователь продолжает искать транснептуновые объекты. Он открыл 27 небесных тел, в том числе карликовые планеты Седну и Эриду.

«Виртуальному открытию Планеты Х предшествовала серия реальных открытий объектов Солнечной системы, орбиты которых выходят далеко за пределы орбиты Нептуна, — рассказывает Натан Эйсмонт. — Некоторые из них, как оказалось, имеют довольно заметные размеры, сопоставимые с размерами Плутона, как, например, карликовая планета Эрида, радиус которой 1163 километра, что почти совпадает с радиусом Плутона (1187 километров). Карликовая планета Седна (ее радиус примерно 750 километров) удаляется от Солнца почти на столько же, на сколько удаляется предполагаемая новооткрытая девятая планета. Орбитальный период этой планеты составляет около 10 500 лет».

Среди транснептуновых объектов есть аномальные, чьи орбиты очень сильно вытянуты. Чтобы объяснить эту странность, Браун и Батыгин в 2016 году выдвинули гипотезу о существовании на задворках Солнечной системы еще одной планеты.

Виртуальному открытию Планеты Х предшествовала серия реальных открытий объектов солнечной системы, орбиты, которых выходят далеко за пределы орбиты Нептуна

Nature

Путь к девятой планете

Константин Батыгин признается, что поначалу участники исследований весьма скептически относились к гипотезе существования девятой планеты, но по мере продолжения своей работы все больше склонялись к мысли, что такая планета существует, то есть список планет Солнечной системы неполон. Однако путь к открытию не был прямым. В 2014 году защитивший до этого докторскую диссертацию ученик Брауна Чад Трухилье и его коллега Скотт Шепард опубликовали статью, где утверждалось, что 13 из наиболее удаленных объектов пояса Койпера похожи в странностях своих орбит. Чтобы объяснить эту схожесть, они предположили возможное присутствие небольшой планеты. Браун оценил такое решение как маловероятное, но идея, тем не менее, его заинтересовала.

Он рассказал о задаче Батыгину, и с этого началось их полуторагодовое сотрудничество в исследовании удаленных объектов. Поскольку Браун был наблюдателем, а Батыгин — теоретиком, они изучали задачу с разных сторон: первый — как специалист, который смотрит на небо и старается установить связи между наблюдаемыми объектами, второй — как исследователь, который ощущает себя в контексте динамики, оценивая, как все происходит в рамках физических законов. Это позволяло обоим исследователям взаимодействовать на основе обмена идей, когда факты, даваемые наблюдениями, трансформировались в обоснования параметров движения объектов, получаемые из теории. Исследователи, таким образом, подталкивали друг друга на пути к решению проблемы. По словам Брауна, эту совместную работу он воспринимает как самый замечательный период в своих исследованиях Солнечной системы.

Довольно скоро авторы обнаружили, что орбиты шести удаленных объектов из списка исследованных Трухилье и Шепардом располагаются вдоль одного и того же направления в пространстве. Это было тем более удивительно, если учесть, что движение по орбитам происходило с разной скоростью.

Как заметил Браун, это то же самое, как если бы у часов было шесть стрелок, которые вращаются с разной скоростью, но, если на них посмотреть, то оказалось бы, что их положения совпадают. Более того, все орбиты этих объектов наклонены под одним и тем же углом — 30 градусов — к плоскости восьми планет Солнечной системы (эклиптике). Вероятность совпадения не превышает 0,007%. Такое не может возникнуть случайно. Должно быть нечто, что группирует планеты.

Сначала была проанализирована идея, что объекты группируются в силу суммарного воздействия остальных объектов пояса Койпера, но она была отброшена в силу недостаточности их общей массы. Для наблюдаемого эффекта эта масса должна была быть больше по меньшей мере в сто раз.

Таким образом, осталась идея существования там планеты. Казалось, что планета, которая движется вокруг орбит этих шести объектов пояса Койпера, будет удерживать описанную конфигурацию вдоль некоторой прямой, подобно гигантскому лассо. Но моделирование не подтвердило этой гипотезы с достаточной точностью, хотя и показало, что это шаг в правильном направлении.

Но затем, можно сказать случайно, исследователи обнаружили, что при расположении перигелия предполагаемой планеты в направлении, противоположном району, где располагаются перигелии упомянутых шести объектов, моделирование воздействия этой гигантской планеты соответствует наблюдаемой картине.

Однако это предположение, по словам Батыгина, вызывает немедленное возражение: такой характер движения влечет за собой высокую вероятность столкновений планеты с наблюдаемыми объектами. Тем не менее возражение это легко парируется, поскольку в этом случае реализуется известный механизм резонанса среднего движения, который препятствует столкновению планеты с объектами, движущимися по орбитам с противоположно расположенными перигелиями. В этом случае при сближениях возникает обмен энергией между этими телами и планетой. Например, на каждые четыре витка девятой планеты вокруг Солнца упомянутые объекты пояса Койпера могут пролететь девять витков. В этом случае они никогда не столкнутся. Гравитация девятой планеты постоянно сохраняет такую исключающую столкновения взаимную конфигурацию движения с этими объектами.

Как признается Константин Батыгин, даже эти подтвержденные моделированием соображения не давали уверенности в правильности выдвинутых в пользу существования девятой планеты идей. Но по мере того, как открывались новые факты о характере наблюдаемых особенностей движения объектов пояса Койпера, снимались и сомнения в гипотезе о планете.

«Существованием девятой планеты объяснялась не только конфигурация группы удаленных объектов пояса Койпера, — отмечает Натан Эйсмонт. — Этим объясняется существование странных орбит объектов, два из которых были обнаружены. Первый из этих объектов, Седна, был открыт Брауном в 2003 году. В противоположность стандартному многообразию объектов пояса Койпера, которые были выброшены в эту область гравитационным полем Нептуна, после чего вновь возвращаются к нему, Седна никогда вновь не приближается к Нептуну. Второй объект, подобный Седне, получивший обозначение 2012 VP113, был открыт Трухилье и Шепардом в 2014 году. Батыгин и Браун обнаружили, что девятая планета естественным образом порождает объекты, подобные Седне, медленно увлекая стандартные объекты пояса Койпера с их изначальных орбит к орбитам, все менее подверженным воздействию Нептуна».

Но настоящим прорывом в исследовании стал следующий факт: моделирование показало, что в поясе Койпера должны существовать объекты, плоскости орбит которых перпендикулярны плоскости эклиптики. Когда Батыгин показал эти результаты моделирования Брауну, тот внезапно осознал, что такие объекты действительно существуют. В последние три года наблюдатели идентифицировали четыре объекта, расположенные вдоль линии, идущей перпендикулярно направлению на Нептун. И положение этих объектов в точности соответствовало результатам моделирования их движения с учетом воздействия девятой планеты. Как вспоминает Браун, «у него челюсть отвалилась до пола, когда они получили этот результат». Появилось ощущение чуда, «как будто они одним выстрелом попали в двух птиц», уже после того, как было получено объяснение существования объектов, подобных Седне. Но когда результаты моделирования подтвердились существованием орбит, плоскости которых перпендикулярны эклиптике и которые вытянуты вдоль одной линии, ощущение усилилось «осознанием, что о присутствии второй птицы, сидящей рядом, они не подозревали».

Дополнительным косвенным свидетельством существования девятой планеты являются результаты исследований экзопланет. В соответствии с ними в составе большинства планетных систем других звезд есть планеты массой от одной до десяти масс Земли — так называемые суперземли, каковой можно считать девятую планету. И в этом плане наша Солнечная система в настоящее время выпадает из наблюдаемого ряда планетных систем.

Есть только две альтернативные версии, объясняющие аномалии орбит самых удаленных объектов пояса Койпера. Первая — ошибка наблюдения. Ее разбору посвящена новая статья Брауна и Батыгина, опубликованная в январе в The Astronomical Journal. Ученые рассчитали вероятность, с которой орбиты этих тел выглядят именно так, как их видят сейчас, благодаря ошибке. Результат — всего две десятые процента. Вывод: наблюдаемые странности статистически весомы.

Другая альтернатива — существование еще одного массивного диска в Солнечной системе, состоящего из ледяных планетезималей — остатков протопланетного диска, гравитация которых вытягивает орбиты транснептуновых объектов так же, как это сделала бы целая планета. Но, как отмечает Майкл Браун, этот сценарий еще более сложный.

Орбита девятой планеты и две группы контролируемых планетой объектов

Nature

Итоги двух лет поисков

В своей статье в журнале Physics Reports ученые проанализировали заново все факты, уточнили характеристики гипотетической планеты, выполнили численное моделирование и представили убедительные доказательства ее существования.

Девятая планета раза в два меньше по всем параметрам, чем представлялось три года назад, поясняет Батыгин. Большая полуось ее орбиты равна примерно 400–500 астрономическим единицам, эксцентриситет (показатель сжатости эллипса) — 0,15–0,3, наклонение — 20 градусов. Один оборот вокруг Солнца Планета Х, по оценкам ученых, совершает за 15 тысяч лет.

Стоит отметить, что для Нептуна, наиболее далекой планеты Солнечной системы, расстояние от Солнца в афелии составляет 30 астрономических единиц, а орбитальный период — 164,8 года.

Лучшие результаты моделирования получаются при массе Планеты Х в пять раз больше земной. В любом случае десять масс Земли — это потолок. Для сравнения: Нептун тяжелее в 17,2 раза.Судя по характеристикам, девятая планета очень напоминает суперземлю. 

Соавтор открытия Майкл Браун и его коллега по исследованиям планет Ричард Розенберг напоминают, что открытие девятой планеты, пусть пока не подтвержденное наблюдениями, является третьим со времен Средневековья и первым более чем за сто пятьдесят лет, с 1846 года, когда был открыт Нептун (до этого в 1781 году Гершель открыл Уран).

«Если планету Х всё-таки откроют, это будет сенсация, - говорит Натан Эйсмонт. - Это в каком-то смысле даже более интересное событие, чем открытие Плутона. Ещё 15 лет назад не все были уверены, что пояс Койпера вообще существует. А сейчас это уже всеми принято. Обнаружение сверххолодных и сверхдалеких объектов - в порядке вещей. На наших глазах происходит фантастика, целая революция в астрономии, в которую никто не верил. Вспомним историю с экзопланетами. Ещё 20 лет назад только подозревали об их существовании, а сейчас количество подтвержденных экзопланет – больше четырех тысяч».