NASA mokslininkai paneigė devinta planetos egzistavimą Saulės sistemoje

Prieš keletą dienų žiniasklaidoje nuvilnijo pranešimas, jog atrasta devinta planeta Saulės sistemoje. Daug kartų buvo pakartota, kad tai – ne Plutonas. Planeta yra žymiai toliau ir gerokai masyvesnė, Neptūno dydžio. Bet ar tikrai ji atrasta, kaip tas atradimas padarytas ir ką tai reiškia mums apskritai?

Atradimas paskelbtas Caltech (Kalifornijos technologijos universiteto) pranešime spaudai. Pranešimas parašytas pagal mokslinį straipsnį, publikuotą moksliniame žurnale „Astronomical Journal“; straipsnio arXiv versiją rasite čia. Taigi čia tikrai nėra koks nors išsigalvojimas ar pseudomokslas. Mokslas rimtas, atradimas... na, neteigsiu, kad tikras, o verčiau pakomentuosiu detaliau.

Jokių klausimų apie planetos atradimą nekiltų, jei kas nors būtų pasižiūrėjęs pro teleskopą ir ją pamatęs

Jokių klausimų apie planetos atradimą nekiltų, jei kas nors būtų pasižiūrėjęs pro teleskopą ir ją pamatęs, bei stebėdamas tą patį dangaus lauką ilgą laiką, išmatavęs planetos judėjimą dangaus skliautu ir įrodęs, kad ji tikrai priklauso Saulės sistemai.

Taip, netyčiomis, buvo atrasti Uranas ir Plutonas, nemažai asteroidų, kai kurie Kuiperio žiedo objektai. Bet planetas aptikti galima ir labiau sistemingai. Pavyzdžiui, XIX amžiuje, stebėdami Urano judėjimą, astronomai pastebėjo, kad jis kartais juda šiek tiek greičiau, nei apskaičiuota pagal suminę Saulės ir planetų trauką, o kartais – lėčiau. Vienas tokių judėjimo anomalijų paaiškinimas – dar viena planeta,   esanti toliau nuo Saulės už Uraną, ir traukianti jį. Iš Urano orbitos pokyčių 1846-aisiais metais buvo apskaičiuotos nežinomosios planetos orbitos savybės ir netgi nustatyta, kurioje dangaus vietoje ta planeta turėtų būti matoma. Praėjus vos kelioms savaitėms po skaičiavimų rezultatų paskelbimo, planeta Neptūnas aptikta beveik tiksliai ten, kur prognozuota.

Kažkas panašaus padaryta ir dabar – analizuodami kitų objektų judėjimą, du astrofizikai, Konstantinas Batyginas ir Michael E. Brownas apskaičiavo, kad juos gali veikti kol kas neaptikta didelė planeta. Tokią idėją jie pasiūlė kaip vienos problemos sprendimą: kodėl tolimi Saulės sistemos objektai atrodo judantys labai panašiomis orbitomis?

Jau prieš porą metų pastebėta, kad 13 Kuiperio žiedo (įvairių mažų objektų telkinio už Neptūno orbitos, kuriam priklauso ir Plutonas) objektų, kurių orbitų didieji pusašiai (tam tikra prasme – vidutiniai nuotoliai nuo Saulės) viršija 150 astronominių vienetų (AU), juda orbitomis, kurios neįprastai panašios viena į kitą.

Panašumas čia apibrėžiamas dviem orbitos parametrais: pirmasis, vadinamas kylančiojo mazgo ilguma, nurodo orbitos plokštumos ir ekliptikos plokštumos susikirtimo linijos kryptį; antrasis, perihelio argumentas, nurodo, kokiu kampiniu atstumu nuo to susikirtimo kūnas pasiekia artimiausią Saulei orbitos tašką. Jei paimtume daug tarpusavyje nesusijusių objektų, tai šie jų orbitų parametrai būtų labai įvairūs ir tolygiai pasiskirstytų tarp 0 ir 360 laipsnių.

Taip pasiskirstę, pavyzdžiui, Kuiperio žiedo objektų, esančių arčiau nei 150 AU nuotoliu nuo Saulės, parametrai. Bet tolimesnių objektų parametrai yra labai artimi vieni kitiems. Panašumas dar labiau išauga, kai žiūrime tik į šešis dinamiškai stabilius objektus, t. y. tokius, kurie turėtų šimtus milijonų metų skrieti nesmarkiai kintančiomis orbitomis. Gali būti, kad toks išsidėstymas pasiektas atsitiktinai, bet tikimybė labai maža – 0,007%. Moksliškiau šnekant, tai yra 3,8-sigma nuokrypis nuo vidurkio, o kai nuokrypis pasiekia 3-sigma ar daugiau, paprastai sakoma, kad „čia kažkas yra“.

Kuiperio žiedo objektų orbitos parametrų – kylančiojo mazgo ilgumos (kairėje) ir perihelio argumento (dešinėje) priklausomybė nuo orbitos didžiojo pusašio. Objektai, kurių pusašis mažesnis už 150 AU, pasklidę po visą parametrų erdvę, o tolimesni – susigrupavę arti Ω = 90 deg ir ω = 300 deg. Tamsesni žali taškai žymi dinamiškai stabilius objektus, šviesesni – nestabilius.

Tas „kažkas“ gali būti planeta. Straipsnyje tie du astrofizikai pasiūlo galimą orbitų susigrupavimo paaiškinimą: kelių dešimčių Žemės masių planeta, kurios orbitos plokštuma yra artima tų kitų objektų orbitų plokštumoms, o perihelis – priešingoje orbitos pusėje, nei kitų objektų, galėtų išlaikyti mažesnių objektų orbitas taip susitelkusias.

Ta planeta turėtų būti vidutiniškai nutolusi per 700 AU nuo Saulės, arčiausiai priartėti per 280 AU, toliausiai nutolti per 1120 AU. Vieneri šios planetos metai truktų 18 tūkstančių žemiškųjų. Planeta kitus kūnus tokiose orbitose išlaiko dėl rezonanso: planetos periodo ir tų kūnų periodų santykiai yra artimi nedidelių sveikų skaičių santykiams (pvz. 3:1 arba 7:4), taigi planetos ir kiekvieno konkretaus kūno konfigūracija reguliariai atsikartoja tokia pati, kaip anksčiau.

Ta planeta turėtų būti vidutiniškai nutolusi per 700 AU nuo Saulės, arčiausiai priartėti per 280 AU, toliausiai nutolti per 1120 AU. Vieneri šios planetos metai truktų 18 tūkstančių žemiškųjų.

Taip planetos trauka kūną veikia vidutiniškai ne visomis kryptimis (taip poveikis praktiškai pasinaikina), o tik kai kuriomis, ir taip stabilizuoja kūno orbitą bei leidžia jai tokiai išlikti šimtus milijonų metų. Panašūs efektai stebimi Asteroidų žiede, kur Jupiterio gravitacija per rezonansus yra išvaliusi kelias skyles.

Taip pat 3:2 orbitinių periodų rezonansu yra sukibę Neptūnas ir Plutonas. Neptūno-Plutono sistema turi dar vieną panašumą į šios hipotetinės planetos ir tų 13 kūnų: jų trajektorijos kertasi. Plutonas kartais priartėja arčiau Saulės, nei Neptūnas, tačiau dėl rezonanso tuo metu Neptūnas būna pakankamai toli nuo Plutono, kad susidūrimas jiems negrėstų. Hipotetinė devintoji planeta irgi kirstų savo valdomų kūnų orbitas, bet dėl rezonanso tai įvyktų, kai atstumai tarp kūnų yra pakankamai dideli.

Ar šis aiškinimas teisingas? Vienareikšmiškai atsakyti negalima. Tačiau svarbu suprasti, kad planeta nebuvo aptikta tiesiogiai, o tai, kad jos egzistavimas paaiškina kitų kūnų orbitų panašumą, dar nereiškia, kad to panašumo neįmanoma paaiškinti kaip nors kitaip. Iš kitos pusės, planetą galima pabandyti atrasti!

Modelis duoda prognozę, kur danguje gali eiti planetos orbita, taigi jas stebint galima tikėtis ją aptikti. Šiai paieškai paskirtas visas tinklalapis. Aptikti planetą nėra lengva: nors ji turėtų būti Neptūno dydžio ar net didesnė, orbitos didysis pusašis yra didesnis, nei kitų žinomų Kuiperio žiedo objektų, taigi ji yra labai blausi.

Tokia blausi, kad infraraudonųjų spindulių teleskopas WISE, aptikęs ne vieną Kuiperio žiedo objektą, neturėjo šansų ją pamatyti; naudojantis WISE duomenimis kol kas tik įrodyta, kad Saulės sistemos pakraštyje nėra Jupiterio ar Saturno dydžio planetos. Naujesni teleskopai šiuos stebėjimus gali pagilinti, t. y. aptikti galimus blausesnius objektus, bet jie susiduria su dar viena bėda: didžiąją orbitos dalį planeta praleidžia netoli afelio – toliausio nuo Saulės orbitos taško, – nes ten juda lėčiausiai. O orbitos afelis kaip tyčia, žiūrint iš Žemės, sutampa su Paukščių Tako plokštuma, taigi foninių žvaigždžių yra gausybė. Nepaisant šių problemų, aptikti devintąją planetą galimybių yra.

Galimybės galimybėmis, o kas, jei planetos aptikti nepavyks? Paieškos gali trukti ilgai – dangaus yra daug, planeta blausi, kažką aptikti nuotraukose bus sudėtinga. Laimei, Batygino ir Browno modelis duoda ir kitų prognozių. Kai kurios „prognozės“ kalba apie dalykus, kuriuos jau žinome: pavyzdžiui, devintoji planeta turėtų išstumdyti dalį Kuiperio žiedo objektų į smarkiai ekscentriškas (ištęstas) orbitas; tokie yra bent du jau žinomi objektai – Sedna ir 2012 VP113.

Dar turėtų būti objektų, išsviestų į orbitas, kurių plokštumos smarkiai pasvirusios į ekliptiką, o patys objektai sukasi priešinga kryptimi, nei planetos; vienas toks objektas yra Drakas, taip pat žinomi dar keli. Bet modelis taip pat prognozuoja, kad turėtų egzistuoti objektų populiacija, skriejanti panašiu atstumu nuo Saulės, kaip jau žinomi trylika, tik su periheliais kitoje dangaus pusėje; kitaip tariant, devintosios planetos orbita būtų ne unikali, o turėtų kažkiek kaimynių.

Kol kas tokių aptikta nėra. Taip pat modelis nepaaiškina vienos tiriamųjų orbitų savybės: aštuonių objektų (dviejų stabilių ir šešių nestabilių), kurių orbitų pusašiai yra tarp 150-250 AU, perihelio argumentų vidurkis yra apie nulį; tai reiškia, kad jie prie Saulės arčiausiai priartėja tuo metu, kai kerta ekliptikos plokštumą. Gal tai ir nebūtų keista, tačiau tokia savybė stebima tik šiame santykinai siaurame ruože, o tolimesnių objektų perihelio argumentas yra apie 300 laipsnių.

Pagal devintosios planetos modelį, vidutinis perihelio argumentas neturėtų priklausyti nuo orbitos didžiojo pusašio. Gali būti, kad bus dar atrasta objektų, kurių didieji pusašiai viršija 250 AU, o perihelio argumentai yra beveik nuliniai, bet kol kas jų neaptikta. Jeigu ateityje pavyktų aptikti objektų iš šių dviejų populiacijų, tai padidintų devintosios planetos hipotezės tikėtinumą, o jei, atrandant vis naujus Kuiperio žiedo objektus, šios populiacijos neužsipildys, hipotezės tikėtinumas mažės.

Taigi, pasiūlytas modelis tikrai įdomus ir vertas dėmesio, bet tai – dar ne planetos egzistavimo patvirtinimas. Galutinio verdikto dėl devintosios planetos egzistavimo dar reikės palaukti, greičiausiai ne vienerius metus.