Объекты пояса Койпера указывают путь к «девятой планете»

20 января 2016 года ученые Константин Батыгин и Майкл Браун из Калифорнийского технологического института объявили, что нашли доказательство существования массивной планеты на краю Солнечной системы. Основываясь на математическом и компьютерном моделировании, они предсказали, что планета должны быть суперземлей, в два-четыре раза больше Земли и в 10 раз массивнее. Они также подсчитали, что учитывая расстояние до планеты и ее крайне вытянутую орбиту, планета проходит орбиту вокруг Солнца за 10 000–20 000 лет.

С тех пор многие ученые ответили собственными исследованиями о возможном существовании этой загадочной «девятой планеты», как ее временно окрестили. Одно из последних исследований было проведено в Аризонском университете. Ученые показали, что экстремальный эксцентриситет удаленных объектов пояса Койпера может указывать, что они пересекались с массивной планетой в прошлом.

К тому времени уже было известно, что существует несколько объектов пояса Койпера, динамика которых отличается от других. В то время как большинство из них подчиняется гравитации газовых гигантов, пребывающих на их нынешней орбите (например, Нептуна), некоторые члены рассеянного диска населения пояса Койпера имеют необычно близко расположенные орбиты.

Когда Батыгин и Браун впервые заявили о своей находке в январе, они отметили, что эти объекты оказались сильно сгруппированы относительно положений своих перигелиев и орбитальных плоскостей. Более того, их расчеты показали, что шансы на то, что такое расположение образуется случайно, чрезвычайно малы (вероятность оценили в 0,007%).

Вместо этого они предположили, что за определение орбит этих объектов несет ответственность далекая эксцентричная планета. Для этого планета должна быть в десять раз массивнее Земли, а ее орбита должна пролегать в той же плоскости (но с перигелием, на 180 градусов отклоненным от перигелиев объектов).

Такая планета не только предлагает объяснение наличия высокоперигелийных Седна-подобных объектов, то есть планетоидов с чрезвычайно эксцентричными орбитами вокруг Солнца. Она также помогает объяснить, откуда берутся удаленные и сильно отклоненные объекты из внешней Солнечной системы, поскольку их происхождение до сегодняшнего дня остается неясным.

В своей работе ученые Аризонского университета — включая профессора Рену Малхотра, доктора Катрин Волк и Цзяну Вонг — взглянули на это с другой стороны. Если девятая планета действительно пересекалась с определенными высокоэксцентричными объектами пояса Койпера, предположили они, высоки шансы на то, что ее орбита находится в резонансе с этими объектами.

Итак, небольшие тела постоянно выбрасывались из Солнечной системы из-за встреч с крупными объектами, которые нарушали их орбиты. Чтобы избежать выброса, небольшие тела должны быть защищены орбитальным резонансом. И хотя эти небольшие и крупные объекты могут пересекать орбитальные пути, они никогда не подойдут достаточно близко, чтобы оказать мощное влияние друг на друга.

Вот так Плутон остался частью Солнечной системы, несмотря на наличие эксцентричной орбиты, которая периодически пересекает путь Нептуна. Хотя орбиты Нептуна и Плутона пересекаются, они никогда не подойдут достаточно близко, чтобы влияние Нептуна выбросило Плутон из Солнечной системы. По той же причине ученые предположили, что объекты пояса Койпера, отмеченные Батыгиным и Брауном, могут быть в орбитальном резонансе с девятой планетой.

В письме Universe Today Малхотра, Волк и Вонг рассказали следующее:

«Объекты пояса Койпера, которые мы исследовали в нашей работе, отличаются от других, поскольку обладают очень далекими и очень вытянутыми орбитами, но их ближайший подход к Солнцу недостаточно близок, чтобы на них ощутимо повлиял Нептун. Таким образом, у нас есть шесть этих объектов, орбиты которых незначительно подвержены влиянию известных планет нашей Солнечной системы. Но если бы в нескольких а. е. от Солнца была другая, пока не обнаруженная планета, она бы влияла на шесть этих объектов».

Изучив орбитальные периоды ряда объектов — Седны, 2010 GB174, 2004 VN112, 2012 VP113 и 2013 GP136 — они заключили, что гипотетическая планета с орбитальным периодом в 17 117 лет (с полуосью в 665 а. е.) обязательно должна иметь периодические отношения с этими объектами. Это подходит под параметры в 10 000–20 000 лет орбитального периода, о котором говорили Батыгин и Браун.

Их анализ также вносит предположения касательно того, какого рода резонанс имеет планета с обозначенными объектами. Орбитальный период Седны должен быть в резонансе с планетой в 3:2, 2010 GB174 — 5:2, 2994 VN112 — 3:1, 2004 VP113 — 4:1, 2013  GP136 — 9:1. Такой резонанс просто не смог бы образоваться в отсутствие крупной планеты.

«Чтобы во внешней Солнечной системе проявился ощутимый резонанс, необходимо, чтобы один из объектов обладал массой, которая могла бы оказать сильный гравитационный эффект на другой, — пишут ученые. — Необычные объекты пояса Койпера недостаточно массивны, чтобы быть в резонансе между собой, но тот факт, что их орбитальные периоды попадают в область простых соотношений, может означать, что они в резонансе с массивным невидимым объектом».

Что особенно радует, их выводы могут сузить диапазон возможных местоположений девятой планеты. Поскольку каждый орбитальный резонанс обеспечивает геометрическую связь между участвующими телами, резонансные конфигурации этих объектов могут помочь астрономам найти нужные точки в нашей Солнечной системе для поиска.

Но, конечно же, Малхотра и ее коллеги открыто признают, что остается несколько неизвестных переменных и необходимо дальнейшее наблюдение с исследованием, чтобы подтвердить существование девятой планеты:

«Неопределенностей довольно много. Орбиты этих крайних объектов пояса Койпера не очень хорошо известны, поскольку движутся в небе очень медленно и мы наблюдаем лишь малую часть их орбитального движения. Так что их орбитальные периоды могут отличаться от текущих оценок, и некоторые из них могут выйти из резонанса с гипотетической планетой. Есть также вероятность, что орбитальные периоды этих объектов связаны; мы пока наблюдали не так много подобных объектов и располагаем ограниченными данными».

Астрономы и мы будем ждать дальнейших наблюдений и расчетов. Но между тем стоит признать, что возможность существования девятой планеты весьма интригует. Возможно, в рядах планет нашей Солнечной системы снова будут все девять бойцов (прости, Плутон).