W tym miesiącu przedstawiono nowe dowody na istnienie ciała niebieskiego przewidzianego w 2016 roku przez Konstantina Batygina i Michaela Browna. „Poddasze” krótko opowiada o najświeższych wiadomościach o wyścigu astronomów o prawo do wpisania ich nazwiska w wielowiekową historię inwentaryzacji naszego układu planetarnego.
„W Układzie Słonecznym jest osiem planet” - to stwierdzenie może już nie być prawdziwe za kilka lat. Astronomowie zdobywają coraz więcej poszlak na istnienie dziewiątej planety daleko poza orbitą Neptuna.
Hipoteza istnienia innej planety w Układzie Słonecznym była wielokrotnie wysuwana od czasu odkrycia Urana w 1781 roku. W 1846 r. Odkryto Neptuna, aw 1930 r. Potwierdzono obecność Plutona (w statusie planety do 2006 r., Obecnie planety karłowatej) i za każdym razem naukowcy zidentyfikowali ciało niebieskie na podstawie jego wpływu na orbity znanych już planet. Przez cały ten czas poszukiwania różnego rodzaju anomalii w ruchu planet i asteroid prowadzono dość aktywnie, jednak pod koniec XX wieku zainteresowanie „planetą X” zmalało.
W latach 90. model Układu Słonecznego został uzupełniony pasem Kuipera, sprzężonym z dyskiem rozproszonym poza orbitą Neptuna. Planety ziemskie, pas asteroid, giganty gazowe, pas Kuipera i być może jeszcze bardziej rozległa i słaba chmura Oorta - w tym modelu, jak wielu zaczęło wierzyć, nie było miejsca na inne planety.
Blisko i niewidocznie
W 2016 roku amerykańscy astronomowie Konstantin Batygin i Michael Brown wysunęli hipotezę, że za pasem Kuipera znajduje się kolejna dziewiąta planeta. Ich hipoteza opierała się na analizie kilku szczególnie odległych orbit obiektów w pasie Kuipera, takich jak na przykład Sedna, które z jakiegoś powodu poruszają się po niebie w tej samej płaszczyźnie iw jednym kierunku. Po wielu miesiącach modelowania i sprawdzania danych z rzeczywistymi astronomami doszli do zaskakującego wniosku nawet dla siebie: bardzo daleko za Neptunem znajduje się inne ciało niebieskie o masie około dziesięciu Ziem i nie zbliżające się do Słońca bliżej niż 280 jednostek astronomicznych. I to właśnie rozciąga i prostuje orbity tych „dziwnych” ciał z pasa Kuipera.
Diagram przedstawiający orbitę Planety Dziewiątej (kolor pomarańczowy) i orbity niektórych znanych obiektów trans-Neptunowych (kolor różowy). Ilustracja: MagentaGreen / Wikimedia.
Film promocyjny:
W swoim artykule Batygin i Brown zauważyli, że znalezienie dziewiątej planety nie byłoby najłatwiejszym zadaniem. Ze względu na dużą odległość do tego hipotetycznego obiektu powinien on być na tyle słaby, aby można go było zobaczyć przez teleskop tylko o średnicy zwierciadła kilkunastu metrów - odpowiada to poziomowi porządnego obserwatorium, które z reguły jest obciążone innymi zadaniami. Poszukiwanie gigantycznej planety na obrzeżach Układu Słonecznego okazuje się technicznie trudniejsze niż wykrycie egzoplanet wiele dziesiątek lat świetlnych od Ziemi, ale oprócz bezpośrednich obserwacji naukowcy dysponują również metodami pośrednimi.
Jednym z nich jest poszukiwanie nowych obiektów trans-neptunowych i porównanie ich orbit z przewidywaniami modelu Batygina-Browna. Astronomowie argumentują, że grawitacyjny wpływ dziewiątej planety nie tylko wysyła niektóre ciała z pasa Kuipera w długą podróż dookoła Słońca, ale także prowadzi do niezwykle dużych nachyleń orbit wielu innych obiektów. Czasami tak, że zaczynają się obracać prostopadle do ekliptyki reszty planet naszego układu.
Na przykład obiekt BP519 2015, znany również jako „Cashew”, opisany w niedawno opublikowanym artykule międzynarodowej grupy astronomów, po prostu pasuje do modelu Batygina-Browna. Ma bardzo duże nachylenie orbity, co jednak nie pozwala nam jeszcze z całą pewnością stwierdzić, że dziewiąta planeta naprawdę istnieje. Autorzy tego odkrycia uważnie piszą o „dodaniu pośrednich dowodów na korzyść nowej planety”, a Batygin i Brown krótko wcześniej przedstawili szereg udoskonaleń do wcześniej postawionej hipotezy: nowe modelowanie różnych scenariuszy ewolucji pasa Kuipera pokazało, że wpływ dziewiątej planety prowadzi do pojawienia się wielu obiektów transneptunowych z bardzo wydłużonymi orbitami - i to dobrze zgadza się z obserwacjami.
Kolejny diagram orbit dziewiątej planety (zielone kółko oznaczone jako P9) i wielu niezwykle wydłużonych orbit obiektów trans-Neptunian. Wydłużony niebieski okrąg - Orbita nerkowca. Każdy kwadrat w tle - 100 jednostek astronomicznych. Zdjęcie: Tomruen / wikimedia commons.
Według Konstantina Batygina „nowo odkryty obiekt 2015 BP519 jest dokładnie tam, gdzie przewiduje to teoretyczny model dziewiątej planety”. W komentarzu do Attic zauważył, że „to fantastyczne potwierdzenie obrazu, którego oczekiwaliśmy na podstawie modelowania numerycznego”, jednak jest jeszcze za wcześnie, aby mówić o ostatecznym odkryciu nowej planety. Lista dowodów jej istnienia rośnie dosłownie na naszych oczach, ale dopiero kilka fotografii z zaznaczonym na nich poruszającym się obiektem położy kres tej kwestii. Batygin i Brown uzyskali już czas obserwacji na dużym teleskopie naziemnym Subaru, który według Batygina jest jednym z najlepszych instrumentów do znalezienia dziewiątej planety. Ponadto podejmowane są próby wykorzystania zdjęć z teleskopu kosmicznego WISE,a od 2017 roku działa projekt Backyard Worlds: Planet 9, w którym każdy może spróbować znaleźć to ciało niebieskie na zdjęciach, więc może nie potrwać długo.
Więc co?
Względny brak ciągłych zderzeń Ziemi z asteroidami w ciągu ostatnich miliardów lat można przypisać gazowym gigantom. Wchodząc na swoje obecne orbity, „oczyścili” nasz sektor układu planetarnego z różnych małych (według kryteriów astronomicznych) szczątków. Ale jeśli Jowisz, a nawet Neptun naprawdę wpłynął na Ziemię, przynajmniej poprzez pozbycie się regularnych katastrof planetarnych, to co z ciałem dziesięciokrotnie bardziej odległym?
Rosyjski astronom Władimir Surdin w swoim komentarzu do Attic zauważył, że odkrycie każdej nowej planety wpływa na nasze rozumienie losów Układu Słonecznego, które do dziś pozostaje niejasne. „W rzeczywistości badania dopiero się rozpoczynają” - powiedział naukowiec i dodał, że „na obrzeżach Układu Słonecznego, w ciemności, Bóg wie co”. Te ciała, które setkami uzupełniają katalogi astronomów, znajdują się w stosunkowo niewielkiej odległości od Słońca, ale nawet gigantyczna planeta za pasem Kuipera ma wszelkie szanse na ukrycie się przed obserwatorami przez bardzo długi czas i ujawnienie się tylko przez pośrednie efekty grawitacyjne.
Schemat: Anatoly Lapushko / Chrdk.
Z zewnątrz dziewiąta planeta, jeśli istnieje, powinna być podobna do dwóch gazowych gigantów najbardziej oddalonych od Słońca. „Planeta o masie super-Ziemi byłaby podobna do Urana i Neptuna, ale byłaby jeszcze zimniejsza” - mówi Surdin. Te dwa ciała niebieskie są czasami nazywane „lodowymi olbrzymami” z powodu przypuszczalnej obecności skalistego rdzenia lodowego bez warstwy metalicznego wodoru, jakiej można oczekiwać od Jowisza i Saturna. Jednak tylko jeden statek kosmiczny, Voyager 2, odwiedził Urana i Neptuna w całej historii ludzkości, więc naukowcy mają mniej danych obserwacyjnych, niż by chcieli.
Dziewiąta planeta, nawet w peryhelium, będzie praktycznie niedostępna dla sond badawczych z silnikami rakietowymi. Podróżnicy oddalili się od Słońca na 117 i 140 AU. - pomimo tego, że wystartowały w 1977 roku. Lecąc nawet do punktu 200 AU. od naszej gwiazdy minie co najmniej pół wieku, a skrócenie tego okresu do pewnych rozsądnych granic będzie oczywiście wymagało zasadniczo nowych technologii, takich jak żagiel słoneczny. Nawet połączenie reaktora jądrowego z silnikami jonowymi w konfiguracji z grubsza przypominającej rosyjski obiekt jądrowy klasy megawatowej nie pozwoli osiągnąć celu w mniej niż dekadę. A kiedy planeta znajduje się w aphelium, czas ten znacznie się wydłuża.
Uran i Neptun, zdjęcia NASA. Jak widać, lodowe olbrzymy mają zupełnie inny wygląd: na przykład niewielka domieszka metanu (około 1%) sprawia, że Neptun jest znacznie bardziej niebieski.
Bezpośrednie wykrycie dziewiątej planety potwierdzi poprawność Batygina i Browna, pozwoli wyjaśnić historię Układu Słonecznego, ale samo to ciało niebieskie, nawet wraz z wprowadzeniem teleskopów nowej generacji, pozostanie na zdjęciach tylko kropką. Dziewiąta planeta „na tyłach” Układu Słonecznego jest paradoksalnie trudniejsza do zbadania niż jakikolwiek gorący Jowisz w pobliżu innych gwiazd, ale zapewni to lepsze zrozumienie zachowania tych obiektów, które były od dawna znane.
Od papieru do komputerów
Neptun był pierwszą planetą odkrytą „na czubku pióra” - na podstawie obliczeń i analizy ruchu Urana, który poruszał się ze zmienną prędkością w wyniku przyciągania zewnętrznego. Jednak im większa odległość między ciałami niebieskimi i im większa liczba tych ciał, tym trudniej jest obliczyć ich trajektorię. Fizycy i matematycy wiedzą, że problem obracania się dwóch ciał wokół wspólnego środka masy jest stosunkowo łatwy do rozwiązania i ma odpowiedź w postaci równania z dokładnym opisem orbity, ale połączenie trzech ciał jest znacznie trudniejsze do obliczenia. W szczególności układ trzech lub więcej ciał nie ma rozwiązania analitycznego, to znaczy nie jest możliwe uzyskanie wzoru opisującego ich ruch w dowolnie długim czasie.
Ewolucja układu słonecznego według modelu nicejskiego. Niebieski przedstawia orbitę Urana, niebieski - Saturn, podczas gdy pomarańczowy i zielony odpowiadają Saturnowi z Jowiszem. Zgodnie z tym modelem Uran i Neptun zamieniły się miejscami i po drodze wszystkie olbrzymie planety „oczyściły” układ planetarny z małych obiektów. Model posiada szereg modyfikacji - na przykład, sugerując obecność innego gazowego olbrzyma, który został całkowicie wyrzucony w przestrzeń międzygwiazdową. Rysunek: AstroMark / Wikimedia.
Modelowanie układu słonecznego odbywa się tylko metodami przybliżonymi. Przy odpowiednio dużych nakładach zasobów obliczeniowych można obliczyć ruch elementów systemu z dowolnie potrzebną dokładnością, ale czasami znikome odchylenia od warunków początkowych prowadzą po pewnym czasie do zupełnie innego zachowania modelu. Efekt ten jest znany ogółowi społeczeństwa jako „efekt motyla”. Ruch planet i asteroid, a także zachowanie mas powietrza podlegają temu efektowi, więc rekonstrukcja historii Układu Słonecznego nie jest w żaden sposób gorsza pod względem złożoności od długookresowej prognozy pogody. A próby obliczenia hipotetycznej planety można porównać do zadania przewidzenia wszystkich konsekwencji huraganu - tutaj trzeba zmierzyć się zarówno z brakiem dokładnych informacji, jak i brakiem mocy obliczeniowej.
Przed pojawieniem się nowoczesnych komputerów obliczanie ruchu wielu tysięcy ciał jednocześnie pozostawało problemem prawie nierozwiązywalnym. Pojawienie się modelu nicejskiego, opisującego zachowanie gazowych gigantów po ich utworzeniu z dysku gazu i pyłu, umożliwiły komputery. Argumenty przemawiające za dziewiątą planetą również opierają się na obliczeniach, których nie można wykonać za pomocą papieru i pióra. Odkrycie dziewiątej planety, jeśli nastąpi, będzie nie tylko powtórzeniem historii Neptuna lub Plutona, ale nową historią, która byłaby niemożliwa sto lat temu.
Aleksiej Tymoszenko
