Астрономы продолжают искать таинственную девятую планету Солнечной системы, которая должна быть где-то далеко за Нептуном, но умело скрывается от ученых. Двое астрофизиков из Пасадены в Калифорнии взбудоражили научное сообщество своей статьей с доказательствами существования Планеты Х. Они указали область неба, где, скорее всего, находится таинственный мир. «Лента.ру» рассказывает о новом исследовании, призванном помочь поставить точку в этих поисках.
После открытия Седны стало ясно, что на задворках Солнечной системы существует какой-то объект, влияющий на орбиты малых тел пояса Койпера. Удаленная от Солнца на 76 астрономических единиц (одна астрономическая единица равна расстоянию от Солнца до Земли), Седна была гарантированно защищена от воздействия известных планет. С открытием других транснептуновых объектов, таких как 2010 GB17 и 2012 VP113, появились дополнительные свидетельства того, что на их траектории что-то влияет.
И вот двое астрофизиков — Константин Батыгин и Майкл Браун — указали, что орбиты всех хорошо известных объектов пояса Койпера за орбитой Нептуна и с удаленностью от Солнца более чем на 230 астрономических единиц (а.е.) похожи. Вероятность случайного совпадения орбит не превышает 0,007 процента. При этом орбиты шести объектов, находящихся на большем расстоянии от Солнца, чем другие транснептуновые небесные тела, обладают столькими похожими характеристиками, что, как показали астрофизики в своей статье, это можно объяснить только наличием доселе не открытого объекта — девятой планеты Солнечной системы.
Эта планета должна быть достаточно массивной и удаленной от Солнца, чтобы влиять на Седну и другие транснептуновые объекты в той области пространства, куда другие известные планеты не «дотягиваются» своим гравитационным полем. Математическая модель, созданная учеными, также предсказала наличие малых тел с орбитами, перпендикулярными плоскости остальной части Солнечной системы. Оказалось, что этому условию удовлетворяют Кентавры — группа астероидов между орбитами Юпитера и Нептуна. Траектория их движения ранее была загадкой для астрономов.
В своей статье, препринт которой доступен на сайте arXiv.org, Батыгин и Браун рассмотрели несколько базовых орбитальных параметров транснептуновых объектов. Первый — это аргумент перицентра, угол между линией, соединяющей Солнце и ближайшую к нему точку орбиты (перигелий) тела, и направлением от Солнца на восходящий узел — точку пересечения объекта небесного экватора. Второй — долгота восходящего узла, угол между направлением на восходящий узел и на точку весеннего равноденствия, в которой Солнце пересекает небесный экватор. Третий — угол между плоскостью орбиты и эклиптикой (наклонение). Все три параметра были переведены в более удобные, показывающие, в какой точке неба находится перигелий орбиты объектов, а также куда проецируется полюс орбиты.
Сходные орбитальные элементы транснептуновых объектов (указаны одним цветом)
Изображение: Michael E. Brown & Konstantyn Batygin / Division of Geological and Planetary Sciences / California Institute of Technology
Точки перигелия и полюсы орбиты шести транснептуновых объектов группируются так, что вероятность влияния на них гигантской планеты составляет 99,993 процентов. У 13 объектов, удаленных на расстояние от 100 до 200 астрономических единиц, похожие характеристики, при этом вероятность случайного совпадения — меньше пяти процентов. Все данные указывают на определенную конфигурацию орбиты и массу девятой планеты. Чтобы определить эти характеристики, астрономы смоделировали эволюцию Солнечной системы на ранних этапах развития, включив в математическую симуляцию 400 планетезималей — зародышей небесных тел, образующихся из пыли протопланетного диска. Планетезимали в модели были удалены от Солнца на максимальное расстояние в 150-550 а.е., а их перигелий находился в 30-50 а.е. Ученые рассмотрели временной промежуток в четыре миллиарда лет и наблюдали за поведением зародышей в условиях гравитационного влияния известных планет, а также Планеты Х.
В симуляции астрономы подбирали различные орбитальные параметры девятой планеты, размещая ее на расстоянии от 200 до 1000 а.е. и меняя эксцентриситет орбиты в пределах 0,1-0,9. Рассматривались три варианта массы планеты: 0,1, 1 и 10 масс Земли. В итоге получились 192 различные модели.
При симуляции планетарных орбит происходит много интересного. Небесные тела движутся по хаотичным неустойчивым орбитам, могут вылетать за пределы протопланетного диска или сталкиваться друг с другом. Со временем происходит относительная стабилизация траекторий планетезималей. Ученые отбирали параметры орбит всех оставшихся объектов в промежутке от трех до четырех миллиардов лет, рассматривая только те, чей перигелий находился на расстоянии в 80 а.е. — эти небесные тела доступны для потенциальных наблюдений. Вместо того чтобы проверять каждый объект в отдельности в каждый промежуток времени, астрофизики проверили целые диапазоны значений орбитальных элементов.
Рисунок космического телескопа Wide-Field Infrared Survey Explorer (WISE)
Изображение: NASA
Затем они случайно отобрали 13 объектов, удаленных на максимальное расстояние от Солнца в 100-200 а.е., и шесть объектов на расстоянии 230-600 а.е. Такой случайный отбор проводился тысячу раз, и при этом оценивалась вероятность того, что параметры орбит выбранных планетезималей будут соответствовать орбитам наблюдаемых транснептуновых объектов.
Оказалось, что очень мало симуляций дают нулевую вероятность. Однако лишь ограниченный набор симуляций, в котором Планета Х имеет массу одной или десяти земных, в большей степени соответствовал наблюдаемым данным (при этом масса в десятую часть земной не производила никакого гравитационного эффекта). Если таинственный мир сравним по массе с нашей планетой, то он должен быть удален на 200 а.е. с перигелием в 60 а.е. Эксцентриситет орбиты при этом равен 0,7 — то есть планета движется по сильно вытянутой траектории. Однако ученые отвергли этот вариант, поскольку при нем был бы ущерб стабильности поясу Койпера, не включенному в симуляцию.
Если в симуляции Планета Х в десять раз массивнее Земли, то получается несколько приемлемых результатов. Все они принадлежат пространству состояний в форме треугольника, ограниченного точками со следующими параметрами: 300 а.е. и эксцентриситет 0,5; 300 а.е. и 0,1; 900 а.е. и 0,8. Возможность еще большей массы девятой планеты не рассматривалась, поэтому авторы работы подчеркивают, что необходимы дальнейшие исследования.
Для выяснения других орбитальных параметров, таких как аргумент перигелия и наклон орбиты, применили другую, трехмерную симуляцию. Ученые взяли конкретные значения расстояния и эксцентриситета, находящиеся в пределах приемлемого диапазона,— 700 и 0,6 соответственно — и рассмотрели, как всевозможные переменные влияют на орбитальные элементы транснептуновых объектов. Выяснилось, что наклон орбиты девятой планеты относительно эклиптики составляет от 22 до 40 градусов. При среднем значении этого угла аргумент перигелия находится в диапазоне 120-160 градусов.
Телескоп Subaru в японской Национальной астрономической обсерватории
Фото: Subaru Telescope Team
Астрономы предполагают, что, как и многие гигантские экзопланеты, девятая планета Солнечной системы — газовый гигант. Ранее было обнаружено, что по массе таких небесных тел можно вычислить их радиус, поскольку существует статистическое соотношение между этими характеристиками, равное примерно 0,34. Отсюда можно вывести примерный радиус Планеты Х — от двух до девяти радиусов Земли. Планета, скорее всего, является ледяным гигантом, наподобие Нептуна или Урана, с похожим составом атмосферы и альбедо, равным 0,3. Звездная величина объекта, вероятно, близка к 22 (звездная величина Плутона — 15,1).
Наконец, в своей работе ученые задались вопросом, какие астрономические службы смогут обнаружить желанную планету. Один из таких инструментов — наземные телескопы, участвующие в программе Catalina real time transient survey (CRTS). Они способны найти девятую планету на значительной части ее орбиты при определенных значениях радиуса и расстояния от Солнца. Другая система телескопов панорамного обзора и быстрого реагирования Pan-STARRS 1 Survey может зафиксировать планету при ее подходе к точке перигелия. Самым многообещающим инструментом выглядит 8,2-метровый Subaru Telescope японской национальной космической обсерватории. С конца 2015 года он ведет наблюдение за регионом неба, в котором расположена большая часть предсказанной орбиты Планеты Х.