Охота за планетой X

После исключения Плутона из числа больших планет интерес астрономов к поиску новых крупных тел Солнечной системы на ее далеких окраинах, как может показаться, несколько притупился. На самом деле эти поиски никогда не прекращались, и команда Скотта Шеппарда принимает в них самое активное участие.

Мы использовали для наблюдений метровый телескоп обсерватории Лас Кампанас и тщательно изучили с его помощью каждый участок доступной ему части небесной сферы несколько раз, удостоверившись, что от нас не ускользнул ни один объект Пояса Койпера с яркостью больше 21-й звездной величины. Таким способом мы смогли бы обнаружить тела размером с Землю на удалении 100-200 а.е. Однако чтобы наблюдать меньшие объекты на таком расстоянии, необходимы более совершенные инструменты: например, чтобы зарегистрировать тела, имеющие видимый блеск около 26-й величины, нам потребовался бы 6-метровый телескоп. Следовательно, если в Поясе Койпера и существуют крупные объекты (даже более крупные, чем Земля), то они могли остаться незамеченными, поскольку еще не все небо изучено достаточно чувствительными инструментами.

Как же мы ищем подобные объекты? Для этого используются оптические телескопы — например, 6,5-метровый, на котором я сейчас работаю. С их помощью ученые делают снимки одного и того же участка неба с интервалом в несколько часов. В нашем случае площадь отснятого участка соответствует примерно четырем дискам полной Луны. Из него выбирается небольшой фрагмент, и повторно сделанные фотографии того же места, полученные, например, в 20:30, в 22:00 и в 23:30, накладываются друг на друга. При «перелистывании» снимков, сделанных в разное время, небесные тела, расположение которых изменилось, становятся заметными на фоне практически неподвижных далеких звезд.

Конечно, для анализа изображений используются специальные компьютерные программы. За одну ночь наблюдений мы собираем около терабайта данных — объем, на обработку которого глазами человека ушло бы огромное количество времени.

Иногда на фотографиях участка небесной сферы можно увидеть сразу несколько объектов, изменяющих свое положение относительно неподвижных звезд и галактик. Одни объекты движутся очень быстро (их местонахождение на каждом следующем снимке сильно отличается от предыдущего; кроме того, они предстают немного вытянутыми, то есть эти тела перемещаются на протяжении экспозиции каждого отдельного снимка) — так обычно выглядят более близкие астероиды Главного пояса. Другие объекты от снимка к снимку меняют свою позицию значительно медленнее. Это говорит о том, что они находятся намного дальше — в Поясе Койпера.

Конечно, при обработке изображений компьютеру приходится сталкиваться с большим количеством помех и шумов, из-за чего нередко возникают «ложные тревоги»: то, что программа определила как новый объект, зачастую при просмотре человеком не оказывается таковым. В среднем на каждое реальное открытие приходится порядка 50-100 таких ложных сигналов. Тем не менее, компьютерная обработка существенно облегчает задачу астрономов, а в правильности определения ранее неизвестных объектов всегда можно удостовериться с помощью человеческих глаз.

Еще один момент, о котором я хотел бы напомнить, касается взаимосвязи между наличием массивных планет и формой орбит малых тел, находящихся поблизости. В частности, троянские астероиды Юпитера движутся по четко определенным траекториям благодаря гравитации гиганта. На самом деле, наблюдая за ними, мы смогли бы сделать вывод о существовании «управляющей» ими планеты, даже если бы никогда не видели ее непосредственно.

Поскольку другая группа астероидов — семейство Хильды — находится в резонансе 3:2 с Юпитером, ее представители обходят вокруг Солнца трижды за время, необходимое гиганту для двух оборотов по орбите. Следовательно, расположение членов группы при взгляде сверху напоминает характерный равносторонний треугольник. Отметив этот факт, можно было бы, опять же, предположить, что существует некое массивное тело, направляющее астероиды на такие орбиты. Используя этот метод и исследуя параметры орбит объектов Пояса Койпера, мы могли бы судить о наличии еще одной планеты на дальних окраинах Солнечной системы.

Итак, мы рассмотрели движение астероидов Главного пояса. Как же обстоят дела «на задворках» системы? Внешние границы Пояса Койпера находятся приблизительно в 50 а.е. от Солнца, а начинается он сразу за орбитой Нептуна, на расстоянии около 35 а.е. Для объектов в этой области пространства, также существуют графики резонансов. Например, Плутон движется в резонансе 2:3 с Нептуном: пока последний совершает три оборота по орбите, карликовая планета оборачивается вокруг Солнца дважды. Этот резонанс поддерживает стабильность плутонианской орбиты. В момент прохождения Плутоном перигелия в 1989 г. Нептун находился от него на безопасном удалении. Когда Плутон подходит ближе всего к светилу, он, во-первых, заметно отклоняется от плоскости планетных орбит, а во-вторых, ледяной гигант в это время никогда не оказывается поблизости и не угрожает карликовой планете нарушением стабильности ее
движения.

Возвращаясь к резонансам в Поясе Койпера, можно отметить, что в нем по соседству с Плутоном находится также масса других объектов, образуя заметный паттерн. Соответственно, существует нечто, направляющее их на такие орбиты — Нептун. О его присутствии, как и в случае с Юпитером, можно было бы догадаться, даже не имея прямых наблюдательных данных.

На расстоянии 40 а.е. лежит граница приливного воздействия Нептуна: любой мелкий объект, не находящийся с ним в резонансе, неизбежно подойдет к нему слишком близко, будет притянут гравитацией гиганта и выброшен со своей орбиты. Эрида, карликовая планета с сильно вытянутой траекторией, по сути, не принадлежит к Поясу Койпера, однако, подходя к Солнцу, она опасно сближается с нептунианской орбитой. Благодаря этому, мы можем сложить представление о том, как она попала на нынешнюю траекторию.

В то же время другая карликовая планета — Седна, открытая 14 лет назад — и недавно обнаруженный объект 2012 VP113, двигаясь по своим орбитам, никогда не подходят слишком близко к планетам-гигантам. Они явно выделяются из массы других небольших объектов, гравитационно связанных с внешними планетами Солнечной системы: похоже, в отличие от абсолютного большинства своих «сородичей», они совершенно не подвергались воздействию известных массивных тел. Тем не менее, они находятся в тесном взаимодействии с Солнцем, чье притяжение все еще доминирует даже на таком колоссальном расстоянии. Другие же звезды, черные дыры и прочие массивные галактические объекты расположены слишком далеко, и объяснить их приливным влиянием поведение Седны и 2012 VP113 невозможно. Их орбиты сильно вытянуты, а это — свидетельство того, что едва ли они могли сформироваться там, где сейчас обитают. Видимо, на них повлияла гравитация других неизвестных тел, вследствие чего они оказались на своих текущих орбитах. Однако эти тела, похоже, существенно не взаимодействуют ни с одним из остальных известных объектов нашей планетной системы.

При прохождении перигелия (ближайшей к Солнцу точки орбиты) Седна подходит к светилу не ближе, чем на расстояние, вдвое превосходящее радиус орбиты Нептуна, а самая удаленная точка ее орбиты и вовсе находится почти в тысяче астрономических единиц. Очевидно, она и 2012 VP113 плохо вписываются в существующие представления о Солнечной системе, и вопрос об их происхождении остается открытым.

Одной из гипотез, получивших широкое распространение после открытия Седны, стало предположение о том, что в молодой Солнечной системе многое было по-другому, и большое количество объектов взаимодействовало между собой не так, как считалось ранее. По одной из версий Седна и 2012 VP113 получили такой орбитальный эксцентриситет вследствие взаимодействий между членами звездного скопления, внутри которого образовалось Солнце. Считается, что, как большинство других звезд, оно родилось в газово-пылевом облаке вместе с множеством других светил, которые после завершения формирования разлетелись на большие расстояния друг от друга. Возможно, плотность скопления была достаточно высока, чтобы взаимное гравитационное влияние его членов стало причиной наблюдаемых параметров орбит экстремальных объектов.

Второй вариант объяснения — проход в далеком прошлом другой звезды сквозь дальние рубежи Солнечной системы. Подлетев слишком близко, она могла увлечь за собой некоторые объекты силой своего притяжения. Однако для того, чтобы Седна оказалась на нынешней орбите, такая звезда должна была не просто быть достаточно массивной, но и подойти ближе, чем на 1000 а.е. к Солнцу, а объяснить параметры орбиты 2012 VP113 можно только еще более близким «пролетом». А такие сближения в нашей Галактике крайне маловероятны.

Третья гипотеза предполагает наличие еще одного планетоподобного тела на окраинах Солнечной системы, возникшего в то же время, что Солнце и остальные планеты, а позже выброшенного на периферию вследствие гравитационных взаимодействий. Если этот объект обладал достаточной массой, он мог, вылетая, «потянуть» за собой более мелкие тела. Еще одним возможным объяснением является предположение о существовании планеты, образовавшейся в протопланетном диске и изначально обращавшейся вокруг Солнца по очень удаленной орбите.

Наконец, высказывалось предположение о том, что Седна могла быть «отобрана» Солнцем вскоре после его рождения у другой звезды, сформировавшейся по соседству. Вероятно, на ранних этапах, пока новорожденные светила находились недалеко друг от друга, они могли активно обмениваться материалом, входившим в состав их протопланетных дисков.

Стоит отметить, что каждая из перечисленных версий предполагает различные наклоны орбит и другие параметры, которыми обладали бы объекты, подобные Седне (если какая-либо из гипотез верна). Это дает возможность выделить реально имевший место сценарий путем сопоставления наблюдательных данных с предсказаниями гипотез. Все, что для этого нужно — обнаружить еще больше «седноидов».

Именно с этой целью в 2007 г. мы начали интенсивные поиски таких объектов с помощью 4-метрового телескопа Межамериканской обсерватории Серро Тололо, 6,5-метровых рефлекторов Магеллана в Чили и телескопа «Субару» на Гавайях. Как видите, в проекте задействованы два инструмента в Южном и один — в Северном полушарии. Поскольку мы последовательно изучаем множество небольших участков неба, за минувшее время нам удалось «просмотреть» около 2000 квадратных градусов, что составляет примерно 5% небесной сферы. В ходе этих поисков и был обнаружен удивительный объект 2012 VP113.

Он, а также Седна, открыты сравнительно недалеко от перигелия, когда их расстояние до Солнца было близко к минимальному. Если бы сейчас они находились в любой точке 90% остальной своей орбиты, мы бы не смогли их заметить, поскольку их яркость была бы слишком низкой. Это дает основания считать, что количество подобных объектов может быть очень велико, но большое расстояние и недостаточная чувствительность современных инструментов пока не позволяют их обнаружить.

В сравнении с Седной орбита 2012 VP113 свидетельствует о его более прочной связи с Солнцем — она менее вытянутая и протяженная. И если орбитальные параметры карликовой планеты могут быть удовлетворительно объяснены воздействием внешних сил (например, приливных), то применительно к 2012 VP113 такое объяснение едва ли можно назвать убедительным.

Несомненно, анализ орбит этих тел представляет большой научный интерес, однако двух случаев все же недостаточно, чтобы сделать однозначные выводы. В рамках своего исследования мы обнаружили еще несколько объектов, обладающих высокими эксцентриситетами и значительной удаленностью перигелиев, и отнесли их к группе экстремальных объектов Пояса Койпера. На данный момент группа насчитывает 12 членов, большую часть времени проводящих вдали от внутренних областей Солнечной системы и никогда не подходящих близко к Нептуну.

Существует пять основных параметров, характеризующих траекторию тела. Большая полуось, эксцентриситет и наклонение — самые известные из них. Но, помимо этих параметров, есть еще два угла, которые однозначно определяют орбиту. Главный угол, на который мы обращаем внимание в первую очередь, называется аргументом перицентра. Можно сказать, что он показывает, насколько объект отдаляется от эклиптики, проходя перигелий. Если этот показатель равен 0° — это значит, что тело входит в перигелий в плоскости эклиптики. А если его значение 90°, то в перигелии объект находится настолько далеко от этой плоскости, насколько возможно.

Используя эту информацию и учитывая воздействие планет-гигантов, мы можем с помощью компьютерной программы симулировать движение 2012 VP113. Пронаблюдав его поведение в будущем на протяжении сотен миллионов лет, мы заметили необычные закономерные повторения. Проведя аналогичные расчеты для других экстремальных объектов Пояса Койпера, мы обнаружили, вместо ожидавшегося случайного разброса, тенденцию к группированию по этому показателю. Такие результаты оказались большой неожиданностью. Прежде всего, необходимо было убедиться в отсутствии ошибок и предвзятости при анализе наблюдательных данных, и мы предприняли все возможные меры, чтобы исключить подобное. Как же объяснить полученные результаты исследования?

Мы попробовали использовать компьютерную симуляцию, чтобы рассчитать, каким был бы аргумент перигелия 2012 VP113, если бы на окраинах Солнечной системы имелась еще одна планета, превышающая по размерам Землю. Мы получили график, на котором показатель осциллировал вверх и вниз от нуля, что полностью согласуется с фактическими наблюдательными данными. Если наложить значения, полученные в ходе симуляции, на имеющиеся результаты наблюдений, станет очевидным, что для всех 12 объектов точки, отмечающие их аргументы перигелиев, лежат в пределах кривой, построенной при условии наличия еще одной планеты. Это дает веские основания предполагать, что подобное тело действительно может существовать на периферии нашей планетной системы, а его притяжение — быть причиной наблюдаемых параметров орбит экстремальных объектов Пояса Койпера.

Исходя из доступной нам информации, можно ожидать, что таинственная «Планета X» должна быть в 2-15 раз тяжелее Земли, а ее орбита — располагаться на расстоянии от 200 до 1500 а.е. К сожалению, пока ничего нельзя сказать ни о наклоне, ни об эксцентриситете этого гипотетического объекта.

Как я уже говорил, пока рано делать однозначные выводы. На момент публикации работы в 2014 г. мы основывались на наблюдательных данных для 12 тел, а статистическая достоверность гипотезы о существовании «Планеты X» оценивалась в три «сигмы». Дальше ее долю решит беспристрастная наука: астрономам предстоит открыть как можно больше экстремальных койпероидов, и информация, полученная путем анализа параметров их орбит, поможет подтвердить или опровергнуть предположение. Пока что другие объекты, обнаруженные нами помимо 12 учтенных в работе, о которой я рассказал, продолжают демонстрировать те же тенденции, свидетельствующие в пользу нового члена нашей планетной семьи.

Еще одно наблюдение, сделанное нами в рамках этой работы, касается схожести параметров долготы перигелия изученных объектов. Как оказалось, помимо наклона к плоскости эклиптики, они имеют еще один близкий угол — тот, под которым тело входит в перигелий, обходя Солнце. Использованная нами в исследовании компьютерная симуляция предполагала круговую траекторию, однако группа ученых, предположившая, что «Планета X» может иметь вытянутую орбиту, получила результаты, хорошо согласующиеся с наблюдаемыми величинами долготы перигелия. Эти новые данные позволили дополнить наши представления о гипотетической планете: вероятно, она может находиться на эксцентричной орбите с большой полуосью около 700 а.е. и иметь массу, превосходящую земную в 5-20 раз. Публикуя свою первоначальную работу в 2014 г., мы были уверены в существовании неизвестной планеты где-то на 70%, но информация, появившаяся к 2016 г., дала основания быть уверенными не менее чем на 80%.

На данный момент мы открыли еще два экстремальных объекта — 2013 FT28 и 2014 SR349. Актуальные сведения о группах необычных койпероидов прекрасно вписываются в наше представление о возможной траектории «Планеты X». Несмотря на вытянутость своих орбит, они никогда не пересекаются, поскольку в то время, когда невидимая планета находится над плоскостью эклиптики, представители этой группы располагаются в противоположной части небесной сферы. Таким образом, они не имеют возможности подойти близко к предполагаемому массивному телу, и это делает их орбиты стабильными. Другая группа экстремальных объектов Пояса Койпера обращается внутри орбиты «Планеты X», которая, очевидно, пролегает очень далеко от внутренней части Солнечной Системы. Соответственно и члены этой группы тоже не рискуют встретиться «лицом к лицу» с крупным телом, сохраняя стабильность своих орбит в течение длительного времени.

Все эти свидетельства, полученные путем анализа разнородных данных, укрепляют наше убеждение в том, что «Планета X» все-таки существует. Учитывая результаты, появившиеся в последние годы, можно поднять оценку статистической достоверности гипотезы до 6 «сигм», то есть ее можно считать вполне заслуживающей внимания версией. В данный момент мы на 90-95% уверены, что в Солнечной системе имеется еще одна планета.

Но если эта планета существует, то каково ее происхождение? Компьютерные симуляции ранних этапов формирования Солнечной системы показывают, что известные планеты-гиганты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — образовались очень близко друг к другу, а позже, после множественных сложных гравитационных взаимодействий, их орбиты «раздвинулись». Вероятно, искомый объект возник в той же области юной планетной системы, что и Юпитер с Сатурном, но массивные соседи выбросили его на далекие «задворки». Причем, скорее всего, это произошло очень рано, поэтому, лишившись возможности продолжать «питаться» веществом протопланетного диска, не вошедшим в состав Солнца, «Планета X» не смогла вырасти до таких огромных размеров, как ее собратья-гиганты.

В своей молодости наша планетная система была весьма хаотичной, в ней происходили множественные столкновения и взаимодействия, а планеты-гиганты, очевидно, долго «блуждали» до того, как утвердились на текущих орбитах. На самом деле то, что гипотетическая девятая планета оказалась выброшенной во внешнюю часть Солнечной системы, для нас очень благоприятно: ведь она сильно превосходит по массе землеподобные планеты, и если бы она направилась «вовнутрь», то наверняка уничтожила бы их все (включая Землю). Однако подобная судьба постигла не только «Планету X»: по нашим данным, Плутон тоже сформировался значительно ближе к Солнцу и был выброшен на окраину.

Как же нам отыскать девятую планету? Пока о ее ожидаемых характеристиках нам известно мало. В частности, загадкой остается ее альбедо (отражательная способность): если ее поверхность светлая, она будет отражать больше солнечного света, что упростит обнаружение этого небесного тела. Весьма приблизительно оценивается и размер «Планеты X». Предположительно ее масса, как уже говорилось, составляет от 5 до 20 земных — возможно, она даже окажется больше Нептуна. Параметры ее орбиты тоже только предстоит узнать — на данный момент нам лишь примерно известен диапазон, в котором могут находиться ее большая полуось и эксцентриситет.

Где же сейчас это загадочное тело? Поскольку мы не видим ни самой планеты, ни прямых признаков ее взаимодействий с другими объектами, предположительно она находится в районе своего афелия — самой удаленной от Солнца части орбиты, ориентировочно в созвездии Ориона. Там мы и собираемся ее искать. В любом случае, даже если мы сумеем ее обнаружить, она предстанет перед нами лишь в виде слабой светящейся точки. Ученые надеются, что даже этого будет достаточно, чтобы узнать много важных характеристик новооткрытого тела (в частности, химический состав его поверхности).

Охотиться за «Планетой X» будут, среди прочих, новый европейский Экстремально большой телескоп E-ELT и Гигантский телескоп Магеллана — огромные инструменты, превышающие по размеру баскетбольное поле. Ожидается, что их ввод в эксплуатацию состоится в начале 2020-х годов.

Помимо описанных выше, есть еще одно свидетельство наличия в нашей системе неоткрытой планеты. Наклон оси вращения Солнца составляет 7,25° относительно перпендикуляра к плоскости эклиптики.

То есть оно вращается вокруг своей оси с небольшим наклоном. Наша звезда сформировалась из облака пыли и газа, позже вошедших в состав планет, и соответственно ось ее вращения теоретически должна была бы быть перпендикулярной к плоскости газово-пылевого диска. Однако на практике мы наблюдаем отклонение от перпендикуляра более чем на 7°. Часть ученых объясняет этот факт межзвездным взаимодействием, но есть гипотеза, согласно которой подобный наклон оси вращения мог стать результатом выброса массивной планеты на удаленную орбиту из внутренней части Солнечной системы.

Напоследок стоит сказать о том, что ситуация, сложившаяся вокруг «Планеты X», очень напоминает обстоятельства, предшествовавшие прямому наблюдению и открытию Нептуна. Изначально его существование было теоретически предсказано на основании данных о необычном поведении Урана, заметно отклонявшегося от рассчитанного пути. В результате возникло предположение о наличии еще одного массивного тела за уранианской орбитой, своей гравитацией влияющего на движение самой далекой известной тогда планеты, и это влияние обуславливало различие между теоретическими предсказаниями и наблюдательными данными. Аналогичным образом сейчас мы наблюдаем странное поведение группы объектов, которое может быть следствием притяжения неизвестного массивного тела.

По моим оценкам, открытие новой планеты может произойти в ближайшие пять лет. На самом деле мы уже могли бы получить первые наблюдательные данные, но в период, когда появилась возможность отыскать ее с помощью мощного телескопа, нам помешала погода. Не исключено, что «Планета X» уже есть на снимках, хранящихся где-то в архивах. Такие случаи тоже нередки: например, Плутон был обнаружен на старых фотопластинках, отснятых задолго до его открытия. Уран и Нептун наблюдались многими известными астрономами еще в XVII веке, однако ученые долгое время принимали их за далекие звезды. Может быть, уже совсем скоро кто-нибудь, просматривая фотографии ночного неба, обнаружит пару изображений, на которых изменилось положение одной маленькой точки, и это возвестит о великом открытии — появлении нового члена нашей планетной семьи… или возвращении давно забытого старого.

Скотт Шеппард – Институт Карнеги, Вашингтон, США