Найдена девятая планета в Солнечной системе

Статьей с будоражащим названием «Свидетельство о существовании далёкой гигантской планеты в Солнечной системе» открывается новый акт многовековой драмы о находках и потерях планет. Работа Астрономов ограничивается моделью и предсказанием, но учёные обещают, что в течение десяти лет планета покажется на астрономических снимках и вот тогда мы сможем дать ей имя. Пока что объект остаётся «Пинайном» (от P9, Planet Nine).

Предыдущий акт начался с открытия Майком Брауном планеты Эриды и закончился «кровавым» голосованием Международного астрономического союза (МАС): большинством голосов были-убиты Церера, Хаумеа, Макемаке, Эрида и старик Плутон. Их деноминировали до планет-карликов. Вот как сам Браун описывает финальную сцену: «Те учёные, которые были против принятия пункта 5В, те, кто был твёрдо намерен отстаивать Солнечную систему, в которой было бы лишь восемь планет, подняли в воздух свои карточки. Целое море жёлтых карточек в один миг заполнило аудиторию. Разразились аплодисменты “Господин президент, я искренне полагаю, что дальнейший подсчёт просто неуместен”.

“Таким образом, всем, я думаю, ясно, что по результатам голосования большинство оказалось против принятия резолюции №5В”.

Вот и всё. Я сказал собравшимся репортёрам: “Плутон мёртв”. А теперь человек, открытия которого привели к гибели Плутона, обещает нам взамен новую планету —ещё более далёкую и таинственную.

Действующие лица

Майк Браун в астрономическом сообществе звезда массивнейшая — может быть, и не уровня гипергиганта R136a1, но уж точно не меньше S Золотой Рыбы. В 1999 году, коротая ночь в Паломарской обсерватории, он сказал коллегам, что убеждён в существовании десятой планеты на орбите за Плутоном — и собирается её найти. Тогда подобное заявление прозвучало весьма экстравагантно: к началу 90-х учёные бросили поиски «планеты X» и были уверены, что после открытия пояса Койпера в 1992-м инвентаризацию Солнечной системы можно считать оконченной. Обещание Брауна не повисло в воздухе — он заключил с одной из присутствовавших при этом коллег пари на то, что добьётся успеха к 2005 году.

Пари он выиграл: после семи лет работы (из которых как минимум год ушёл на создание программы для обработки астрономических снимков) астроном открыл небесное тело, масса которого превышала массу Плутона. Майк назвал планету Зеной (Хепа) в честь королевы воинов, сериал о приключениях которой известен большинству из тех, кто сидел перед телевизором в 90-е. Потом MAC переименовал Зену в Эриду, а через год исключил её из списка настоящих планет вместе с Плутоном и другими открытыми Брауном телами пояса Койпера.

Константин Батыгин, младший коллега Брауна, —физик-теоретик. Москву, уроженцем которой он является, Константин покинул в возрасте 6 лет, когда его отца, физика, позвали работать на ускорителе в японский RIKEN. Поучившись в Стране восходящего солнца, в 13 лет Батыгин вновь переезжает вслед за научной карьерой отца — на этот раз в США. Несмотря на пространственные перемещения в юном возрасте, Константин хорошо говорит по-русски.

Кроме коллаборации с Брауном в послужном списке Батыгина множество совместных работ с ещё одной звездой—уже теоретической астрономии — Алессандро Морбиделли, одним из создателей модели Ниццы, описывающей эволюцию Солнечной системы. Впервые о Батыгине заговорили, когда ему было ещё 22 года: New Scientist посвятил статью его бакалаврской работе по моделированию орбит планет. Ну а в этом году (Константину сейчас 29) о нём не написал только ленивый. Вот пишу и я.

Это похоже на то, что сделала физика?

Батыгин разговаривает со мной по скайпу из своего офиса в Пасадене. В одном из интервью я читал, что напарники обычно обсуждают концептуальные вопросы именно там, и теперь понимаю почему. За спиной Константина я вижу офис: просторное помещение заливает солнечный свет, на полу лежит светлый длинношёрстный ковёр, на ковре стоит кресло и журнальный столик. Чёрная меловая доска на стене покрыта графиками (синий мелок) и формулами (жёлтый мелок). Когда Константин крутится в кресле, видно стоящую в углу гитару.

Я интересуюсь, как на самом деле выглядит мир, который изучает Батыгин. Это графические модели? Столбики цифр? Оцифрованные фотографии из старинных справочников или свежие снимки, сделанные космическими аппаратами? Что-то ещё?

— В основном это листки бумаги, на которых я написал формулы, — отвечает он, кивая на доску. — Для Майка он чуть больше похож на реальность. Майк, —продолжение фразы Константин произносит с явным удовольствием от удачной формулировки, —Майк смотрит на настоящее небо. У него есть большая программа, которую он сам написал. Каждый раз, когда телескоп снимает небо, она ищет объекты, которые сдвинулись в следующем снимке. Когда я прихожу к нему в офис, то вижу настоящее небо, галактики. А у меня в офисе просто цифры, иногда формулы и графики.

Разница миров и есть то, что делает их коллаборацию столь продуктивной. Плотное сотрудничество теоретика с наблюдателем — достаточно редкое явление. То, что они работают практически через стенку друг от друга,—уникальный случай и огромная заслуга Калтеха (Калифорнийского технологического института), где трудятся оба наших героя. Обычно же теоретики живут в своём мире, а наблюдатели — в другом.

— В общем, у нас всё 50 на 50, — подытоживает Константин. —Я приношу ему свои расчёты и говорю: «Вот. Это то, что сделала физика, это наша численная модель». А иногда он приходит ко мне и говорит: «Вот то, что я увидел. Скажи, насколько это похоже на то, что сделала физика?»

27 марта 2014 года в Nature вышла статья двух астрономов: Чедвика Трухильо и Скотта Шеппарда. Они описали планетоид 2012VP113 ( перигелий которого — точка орбиты, наиболее близкая к Солнцу,— составляет 80 астрономических единиц. Байден, как прозвали его учёные за аббревиатуру VP в номенклатурном названии, стал вторым телом, не подходящим на достаточное расстояние к Нептуну, чтобы его далёкую орбиту можно было объяснить гравитационным воздействием ледяного гиганта. Первым таким объектом была Седна, открытая Брауном вместе с Трухильо.

«Интересно, что 2012VP113 и Седна были обнаружены в близких позициях на небосводе»,— писали в своей статье Трухильо и Шеппард. И отмечали, что примерно в той же точке проходят орбиты ещё нескольких так называемых удалённых объектов пояса Койпера. Считается, что в дальние пределы Солнечной системы их выдворил Нептун на заре времён, когда выходил на свой пограничный пост с более близкой по отношению к Солнцу орбиты. Седна, открытая в 2004 году, была одинокой аномалией. Байден стал второй такой аномалией, что позволило Трухильо и Шеппарду говорить о таинственной суперземле в тени Солнечной системы, которая влияет на орбиту этих объектов.

—По правде говоря, их статью я прочитал не сразу,— рассказывает Константин. — Я прочитал абстракт, понял, что они нашли второй объект, подобный Седне. Подумал: окей, это интересно, но, с другой стороны, можно было догадаться, что Седна не одна такая. Если бы она была одна, это было бы совсем странно.

На тот момент Батыгина с Брауном разделяли тысячи километров. Константин работал в Гарварде, а Майк сидел на другом побережье Америки, в Калтехе. Более внимательно на результаты Трухильо и Шеппарда они взглянули через несколько месяцев, когда Константин переехал в Пасадену, получив в Калтехе профессорскую ставку.

— Когда мы переехали обратно в Калтех: летом или, может, это было осенью? — Константин чуть сводит брови и бросает взгляд в окно. — В общем, Майк пришёл ко мне в офис и говорит: «Ты видел их картинку номер три?»

Я отвечаю: «Нет, не видел, потому что вообще не читал статью и думаю не об этом».

Картинка, о которой говорит Константин,— это график, демонстрирующий уже упомянутый факт, что 2012VP113 и Седна занимают близкое место на небосводе. Коллеги начали с того, что перепроверили данные Трухильо и Шеппарда: не упустили ли они какие-нибудь детали? Оказалось, что совпадают у шести из этих тел не только аргументы перигелия (величины, определяющие ориентацию орбиты небесного тела относительно плоскости эклиптики или экватора другого небесного тела). Все они лежат в одной плоскости и двигаются по небосводу в одном направлении.

— Если взять большой ансабль объектов, у которых один и тот же аргумент перигелия, это будет физически какая-то странная фигура. Если это единственное, что у них одинаково, то их орбиты, взятые вместе, будут представлять собой эдакий конус, —Батыгин пытается ладонями изобразить конус, а лицом выразить что-то вроде «смотрите, как это нелепо!». — Это не то, что мы видим в реальности. В реальности мы видим орбиты, которые «смотрят» в одну и ту же сторону и лежат в одной и той же плоскости. Это было то, что Трухильо и Шеппард не заметили. Так началась работа, обернувшаяся в итоге предсказанием существования P9.

Fun

В целом вариантов, объясняющих такое положение дел, штук десять. Где-то пять, так сказать, нормальных и пять абсолютно сумасшедших — таких, что потратишь день работы и понимаешь, что ничего не выйдет. Мы сначала решили проверить все варианты, которые не предполагают существования ещё одной планеты. Те, которые менее…—Константин берёт паузу, подыскивая слово, но в итоге переходит на английский,— exciting. Думать о планете — это, конечно, большой,—снова пауза, а дальше с чувством,—fun. Поэтому мы решили для начала проверить более скучные варианты. Но они не работают.

Батыгин начинает загибать пальцы:

— Из скучных вариантов, наверное, самый интересный тот, который гласит, что эта популяция объектов генерируется самогравитацией пояса Койпера. Мы начали с этим играть, но через несколько месяцев бросили. Надо было слишком много массы, чтобы пояс Койпера самоорганизовался. Там надо 10 или 30 земных масс, а это где-то в 1000 раз больше, чем есть на самом деле. Это работало бы в абсолютно другой Солнечной системе или если пояс Койпера был бы в 1000 раз массивнее, но в нашей системе это не работает.

Второй вариант — объяснить аномальную популяцию пояса Койпера воздействием пролетавшей мимо звезды. Но тогда пришлось бы поверить, что это произошло по астрономическим меркам недавно, в течение последних 100 миллионов лет. Спустя этот срок моделируемые объекты, задетые гравитацией звезды, вернулись бы на круги своя.

— Когда модель говорит, что мы наблюдаем нечто, продолжающееся короткий кусок времени, — это плохой признак, — разводит ладони Батыгин. — Поэтому мы начали думать про планету.

Однако Константину пришлось ждать, потому что сначала Браун взялся за статистику: решил проверить все данные, имеющие отношение к их исследованию.

— Майк хотел понять, какова вероятность того, что наши данные случайны. Он всю статистику проанализировал, по всем телескопам. Мы потратили на это чудовищно много времени. В нашей модели всего шесть объектов — не сто и не тысяча. Возможно, в коробке тысяча шариков, и это нам так повезло, что мы вытащили шесть — и они все красные. Но в итоге вероятность того, что всё это случайность, составляет всего 0,007 %.

Говоря о «допланетном» этапе их работы, Батыгин не скрывает, что проверка варианта «случайность» чересчур затянулась. Над версией «планета» они начали работать только в марте 2015-го.

— Это я помню очень хорошо. Мы уже почти всё отбросили. Я пришёл и говорю: вот бумага, Майк, я расписал формулы, и тут уже видно, что нам пора поиграть с планетой. Майк был уже совершенно не против. К этому моменту мы с ним находились примерно в одном потоке по уровню сумасшествия. Полагаю, мы оба были уверены, что всё в конце концов придёт к планете. Просто не хотели браться за самое интересное, пока оставались другие варианты.

Бумага и суперкомпьютер

Астрономы не могут проводить эксперименты: нет под рукой планет и звёздных систем, часть которых можно было бы подвергнуть тому или иному воздействию, а другую часть оставить «на контроль». Для того чтобы подтвердить или опровергнуть свои гипотезы, астрономы занимаются моделированием.

— Я смотрю на это как на численный эксперимент. Сначала аналитическая модель, затем берём её и уже численно тестируем лимитированную физическую систему. Меняем координаты, массу, скорость объектов и так далее. Получим мы то же самое? Получаем. Плюс дополнительные структуры, которых у нас не было. Начинаем думать, что это за новые структуры. Как и положено русскому астрофизику, мои первые модели были такие… на бумага—ухмыляется Константин. — Но даже по таким примитивным моделям было понятно, что здесь есть начинка, надо дальше работать. Мы начали с простых моделей, потом по чуть-чуть надстраивали сложность. В конце мы использовали суперкомпьютеры, чтобы симулировать вообще всю эволюцию Солнечной системы. Формируем пояс Койпера и потом эмулируем его 4 миллиона лет.

На последнем шаге Константин должен был продемонстрировать не просто то, как гипотетическая планета может держать заинтересовавшие их объекты в поясе Койпера на своих местах, а то, как из неструктурированных объектов в этом секторе системы рождается именно та структура пояса Койпера, которую мы наблюдаем.

—Просто взять аксисимметричный пояс Койпера, где все объекты летают по произвольным траекториям, и выяснить, какой процесс может продуцировать то, что мы видим. Это как постройка дома. Мы построили фундамент, потом тестируем его. И дальше строим стены.

Большой и удобный ящик

Привлекательность любой теории возрастает от того, какое число фактов она объясняет и предсказывает. Теория — это такой ящик: если в него прекрасно входит молоток, хорошо. Если в него входят молоток, пассатижи и гвозди —ещё лучше! Почему теория, предсказывающая существование Р9, хороша? Во-первых, она лежит в сундуке под названием «динамическая модель Солнечной системы». Во-вторых, в ней помещается не только молоток — объяснение того, почему удалённые тела пояса Койпера примерно одинаково ориентированы в пространстве,—но и пассатижи: она объясняет орбиты «отцепленных» от Нептуна тел: Седны и Байдена.

Третий инструмент в теоретическом «ящике» поначалу казался Батыгину сломанным. У программистов есть шутка про то, как правильно продавать не совсем верно работающий код: «Это не баг, это фича». Если ты не смог справиться с ошибкой в коде, расскажи клиенту как использовать её с пользой для себя. Третий аргумент в пользу существования Р9 возник примерно таким же образом: смущавший Батыгина «баг» на деле оказался «фичей».

— Оказывается, в Солнечной системе есть объекты, орбиты которых перпендикулярны плоскости системы! — рассказывает о «баге» Константин. — Я эти орбиты получал в численных экспериментах каждый раз, когда всё остальное было хорошо. Если я получал орбиты в поясе Койпера, которые «смотрят» в одну сторону и некоторые из них отключены от Нептуна, как Седна, то в дополнение получал орбиты, которые перпендикулярны плоскости Солнечной системы. Я думал, что-то не так с моделью или я что-то не так делаю. Потом я пришёл к Майку и говорю: «У нас проблема, я всё время получаю перпендикулярные орбиты». Мы долго думали, а потом решили просто посмотреть в данные.

И тела, которые Батыгину казались недостатками модели, удалось разглядеть на снимках телескопа, который ищет астероиды, пролетающие рядом с Землёй. Разглядеть именно там, где их предсказывала модель. До этого о них никто не знал, потому что телескопы смотрят в плоскости Солнечной системы, когда астрономы наблюдают за поясом Койпера. Тут, конечно, огромную роль сыграло участие Брауна, который собаку съел на работе с данными астрономических наблюдений.

Последний так вспоминает об этом моменте: «Константин замер в своём кресле, пока я вносил данные о позициях объектов, которые мы проглядели. Их было пять. Я сказал: “Если они окажутся именно там, где мы предсказываем, моя голова взорвётся”. Я закончил — четыре на одной стороне, один на другой. Именно так, как мы предсказывали. Моя голова, конечно, не взорвалась, но челюсть, вполне возможно, упала на пол. Мы молчали примерно минуту, а потом Константин с осторожным восторгом спросил: “Это ведь не сон, да?”»

— И самое важное, — заканчивает Батыгин. — Если убрать P9, то их существование становится очень большой проблемой. Надо объяснить все три факта какими-то другими механизмами. Я думаю, что это невозможно.

В итоге Батыгин смог создать правдоподобную модель Солнечной системы с ещё одной планетой, влияющей на орбиту Седны, Байдена и ещё нескольких тел пояса Койпера. «Новенькая» оказалась нормальным здоровым небесным телом с массой порядка 10 земных. Самое близкое расстояние, на которое она подходит к Солнцу,— 200 астрономических единиц. А точка апогелия, согласно расчётам, расположена где-то между 500 и 1200 а. е. Для сравнения: 8-я планета нашей системы, Нептун, находится на расстоянии 30 таких единиц от Солнца.

Масса P9 характерна для ледяных гигантов, таких как Нептун и Уран. Конечно, пока мы не узрим P9 воочию, уверенным до конца быть нельзя: не исключено, что она окажется просто огромным камнем, который мы однажды украли у пролетавшей мимо звезды. Но пока что и Браун, и Батыгин склонны считать предсказанную ими планету плотью от плоти Солнечной системы.

Изгнанница

Эту склонность можно понять, если вспомнить о другой модели Батыгина и Брауна. Она была создана в 2011 году и тоже включала «лишнюю» планету. Тут бы и пошутить по поводу «брауновского искажения» —желания добавить к известным планетам Солнечной системы ещё одну,—но астрономы вообще любят списывать непонятные моменты в моделях на гравитационный эффект какого-нибудь небесного тела.

Их статья 2011 года посвящена модели Ниццы — астрофизической теории, описывающей эволюцию Солнечной системы. Модель была предложена в 2003 году и на сегодня признаётся большинством астрономов в качестве наиболее адекватной. Она описывает, как планеты-гиганты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун спустя 600 миллионов лет после возникновения Солнечной системы вошли в гравитационный резонанс и, толкаясь, вышли на более далёкие орбиты, спровоцировав при этом позднюю тяжёлую бомбардировку, следы которой мы можем наблюдать на поверхности Луны, испещрённой кратерами. Браун и Батыгин продемонстрировали, что нынешнее положение дел согласуется с моделью, в которой крупных планет, отходящих с близких орбит на дальние, было пять — и в «эпоху нестабильности» пятую планету либо поглощал Сатурн, либо выталкивал прочь из системы Юпитер. Не она ли, избежавшая зева Сатурна изгнанница, теперь боязливо кружит в сумерках и поддерживает орбиту седноидов, обиженных Нептуном?

— Моя первоначальная интуиция была, что они связаны на 100%. Я подумал: «Вау! Так это та самая недостающая планета!» — говорит Батыгин, когда я спрашиваю его о связи двух статей. — Потом мой энтузиазм немного поутих, после того как я поговорил с Алессандро Морбиделли. Он сказал: «Нестабильность, которая приводит к тому, что пятый ледяной гигант улетает, случается после того, как Солнечная система уходит из сгустка звёзд, в котором она сформировалась». А чтобы получить орбиту, которая выходит у нас при калькуляции орбиты P9, Солнечная система в этот момент должна быть в сгустке звёзд, потому что тогда…—Константин прерывается, берёт листок с ручкой, рисует Солнце, круглую орбиту Юпитера и вытянутый эллипс, по которому движется P9. — Орбита P9 выходит на такую орбиту, которая прицеплена к Юпитеру, потому что Юпитер даёт толчок, а орбита всегда должна вернуться туда, откуда она началась. Если Солнечная система изолирована, то P9 нельзя отцепить от Юпитера. Но поскольку здесь,— Батыгин постукивает пальцем по листу,—пролетают другие звёзды, то эту орбиту можно отцепить, она становится более круглой. Алессандро, по сути, сказал мне, что, чтобы продуцировать орбиту, которую мы получили, Солнечная система должна быть в сгустке, а модель Ниццы — она случается позже. Так что это разные планеты.

Впрочем, эти рассуждения носят пока чисто спекулятивный характер. Морбиделли просто апеллирует к наиболее вероятному развитию событий. Кроме того, ни Браун, ни Батыгин не могут устоять перед искушением поверить в то, что им удалось одним махом расставить все точки над i

—Но чем дальше я думаю, тем больше мне кажется, что они связаны, — кивает Константин. — Та часть, которая требует, чтобы модель Ниццы случалась позже,—это как раз поздняя тяжёлая бомбардировка. Это, по правде сказать, самая тонкая нить во всей модели. Если её убрать, если лунные кратеры никак не связаны с моделью Ниццы, сама Ницца работает абсолютно так же. Просто она работает раньше, чем мы думаем. Не 600 миллионов лет после формирования Солнца, а, например, 30.

Большая охота

Интересно то, что очень много энтузиазма, все говорят: «Да-да, очень интересно»… Но! — смеётся Константин, начиная рассказ о том, что изменилось за февраль, —но больше наблюдательного времени мы не получили. Пока что работаем теми же самыми ночами, что и раньше. Вот Майк прямо сейчас на телескопе «Субару». Мы пытаемся создать коллаборацию. Я на прошлой неделе был в Мичигане, у них есть своя программа, которую они запускают, чтобы искать P9. В общем, она будет найдена в конце концов таким хаотичным процессом. Кто-то один её детектирует, кто-то другой детектирует её в следующую ночь. У нас ведь нет эксклюзивного доступа ко всем телескопам, участвующим в поисках.

В феврале Браун рассказал астрономическому сообществу, какие данные наблюдений он планирует проанализировать для того, чтобы обнаружить на снимке P9: часть её пути могли заснять телескопы WISE, Pan-STARRS и «Каталинский небесный обзор». Таким образом астроном надеется сузить квадрат охоты на P9.

В 20-х числах февраля помощь пришла из Франции: группа местных астрономов отсекла часть небосвода для ускорения поисков. Они работали не со снимками, а с данными о местоположении аппарата «Кассини» на орбите Сатурна. Батыгин так комментирует их результат:

— Они подтвердили наше предсказание другим методом: P9 сейчас не в точке перигелия. Поскольку мы держим связь с «Кассини», его позиция известна чуть ли не до метра или даже 10 сантиметров — в общем, с большой точностью. Что они сделали дальше: взяли самую точную модель Солнечной системы и предсказали путь «Кассини», используя классическую Солнечную систему против Солнечной системы с учётом P9 в разных точках орбиты. И вот что они увидели: если P9 в перигелии, тогда путь «Кассини» не очень совпадает с имеющимися данными, но вот если P9 чуть дальше, если она где-то на полпути до апогелия, тогда путь «Кассини» совпадает с фактическими данными лучше, чем при работе с моделью без P9. То есть модель с учётом P9 объясняет орбиту «Кассини» точнее, чем модель без её учёта. К сожалению, французским астрономам не хватает мощности модели для того, чтобы учитывать положение P9 ещё дальше от перигелия. Но это очень хорошая, трудоёмкая работа. В общем, даже если французы отсекли те же самые секторы неба, что и Браун, их работа — ещё несколько белых камней на чашу весов, вершащих судьбу P9. Это дополнительные косвенные данные, подтверждающие её существование.

Ещё один проект предложили канадские астрономы. Согласно их расчётам, P9 можно засечь при помощи радиоастрономических инструментов — если планета размером не меньше Нептуна имеет температуру порядка 40 кельвин и находится на дистанции около 700 а. е.

В свете всего этого Константин намного оптимистичнее оценивает время, необходимое для того, чтобы увидеть P9: если в январе речь шла о 10 годах, то теперь этот срок уменьшился вдвое.

Нормальность науки

Статья, увидевшая свет 21 января, безо всякого сомнения, яркий пример качественной и при этом нормальной науки. Томас Кун полагал, что в рамках нормальной науки ученые занимаются тем, что решают головоломки. Оттого она и прогрессирует столь быстрыми темпами: учёные концентрируют внимание на проблемах, помешать решению которых может лишь недостаток их собственной изобретательности. Подтвердить существование планеты в Солнечной системе — задача, которую ясно как решать. Десятки астрономов-наблюдателей по всему миру сейчас соревнуются друг с другом за честь быть первым, кто поймает P9. Астрономы-теоретики размышляют, как подтвердить или опровергнуть тезис о том, что P9 — та самая пятая планета из батыгинской версии модели Ниццы. Решать новые проблемы старого типа —большое удовольствие. Ещё большее удовольствие, конечно, эти проблемы ставить: Константин не скрывает, что был рад вернуться к проблеме «горячих Юпитеров», пока Браун охотится за своим призом. Рассказывать историю о том, как предсказывалась новая девятая планета Солнечной системы, — тоже весьма приятное занятие. Ведь кто знает? Быть может, этот акт последний в драме об инвентаризации Солнечной системы.