Полювання за планетою X

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 54

У січні 2016 року світ облетіла новина про відкриття дев’ятої планети Сонячної системи. Майкл Браун і Костянтин Батигін знайшли ознаки її існування в русі малих тіл на околиці нашого космічного будинку. Однак практика показує, що від перших підозр до справжнього відкриття іноді проходять десятиліття. Дуже часто пошук гіпотетичних планет і зовсім закінчується глухим кутом.

Людям чомусь дуже хочеться, щоб у Сонячній системі була ще одна планета. Для астрономів пошуки планет завжди були ще й питанням престижу, бо вчений, який відкрив нову планету, гарантовано вписує своє ім’я в історію науки, причому великими золотими літерами. В історії астрономії нерідкі випадки, коли це бажання переростало в упевненість, часом безпідставну, але настільки сильну, що гіпотетичним планетам заздалегідь придумували імена і організовували спеціальні кампанії з їх пошуку.

Уран і Нептун

Першим стимулом для пошуків нової планети в Сонячній системі стало відкриття Урану. У березні 1781 року англійський астроном Вільям Гершель помітив у сузір «ї Тельця рушійну пляму, яка на повірку виявилася новим членом Сонячної системи. Уран став першою планетою, відкритою за допомогою телескопа. Та й взагалі просто відкритою, адже про всі планети, відомі до Урану, людство знало «завжди».

Прийнято писати, що наступну планету, Нептун, «виявили на кінчику пера». Приводом для його пошуків стали особливості в русі Урану, нез’ясовні за допомогою ньютонівського тяжіння і вимагали наявності зовнішнього обурюючого тіла. Ці особливості, вперше відзначені ще в 1783 році петербурзьким вченим Андрієм Лекселем, дозволили французькому астроному Урбену Левер’є (і з меншою точністю англійцю Джону Адамсу) передбачити становище «обурювача». Левер «є послав листа з координатами Йоганну Галле до Берлінської обсерваторії, і той у ніч з 23 на 24 вересня 1846 року, буквально через кілька годин після отримання листа Левер» є, виявив Нептун майже точно в передбаченому місці.

Відкриття Нептуна вважається класичною демонстрацією передбачувальної сили теорії тяжіння Ньютона і одним з її «тріумфів», хоча в цьому тріумфі є і пара ложок дьогтю. І Левер’є, і Адамс оцінювали велику напівось орбіти гіпотетичної планети за правилом Тіциуса — Боде, а реальний Нептун (як з’ясувалося після його відкриття) в це правило не вписується. В результаті орбіти, вирахувані обома вченими, сильно відрізнялися від фактичної орбіти Нептуна… за винятком тієї її частини, на якій Нептун перебував у 40-ті роки XIX століття. Тому в цій історії присутній елемент везіння.

У тому ж XIX столітті розгорнулися пошуки ще однієї гіпотетичної планети, Вулкана, яка повинна була заповнити собою прогалину між Меркурієм і Сонцем. З 1826 по 1843 рік її шукав німецький астроном Генріх Швабе (планету він так і не знайшов, але зате першим виявив циклічність сонячної активності). У 1860-ті роки в русі Меркурія знайшлися невідповідності з ньютонівською теорією тяжіння, і інтерес до пошуків Вулкана відродився, але на початку XX століття знову згас, коли ці нестиковки вдалося пояснити в рамках загальної теорії відносності.

Кеплерові елементи еліптичних орбіт

Ексцентриситет характеризує форму орбіти: чим він більший, тим еліпс більш витягнуть (0 — окружність, 1 — парабола). Велика напівось — це половина максимального поперечника еліпсу. Нахилення — кут між площиною орбіти небесного тіла і площиною екліптики. Якщо він більше 90 градусів, тіло рухається «назустріч» руху планет. Висхідний вузол — це точка переходу тіла по орбіті через площину еклиптики з «нижньої» половини Сонячної системи в «верхню» (в яку звернений Північний полюс Землі). Поворот площини орбіти відносно зірок описується довготою висхідного вузла — кутом між напрямками на висхідний вузол і на точку весняного рівнодення (зараз вона знаходиться в сузір’ї Риб). Орієнтація орбітального еліпса в площині орбіти тіла характеризується аргументом перигелія — кутом між напрямками на висхідний вузол і на перигелій. Справжня аномалія вказує положення тіла на орбіті, це кут між напрямком на перигелій і на тіло.

Плутон

Відкриття Нептуна стимулювало нові пошуки: здавалося, що в русі Урана і Нептуна залишилися нез’ясовані неув’язки. Але пошуки не принесли результату. Точніше, транснептунову планету, як і Вулкан, виявляли багато разів, але вона завжди виявлялася або зіркою з невірно визначеними координатами, або взагалі привидом. У 1905-1906 роках до проблеми підключився американський астроном Персіваль Ловелл, який провів теоретичні розрахунки і організував спостереження в обсерваторії у Флагстаффі (Арізона). Аналізуючи розбіжності між реальними і обчисленими положеннями Урану, він отримав витягнуту орбіту зі значним ексцентриситетом (0,2), великою напівіссю близько 45 а. е. і нахилом до площини екліптики близько 10 градусів. Аналіз руху Урана дозволив Ловеллу передбачити поточне положення планети і її масу, яку він оцінив приблизно в п’ять мас Землі.

Пошуки, ініційовані Ловеллом, були досить інтенсивними, але знайти планету вдалося лише в 1930 році, через 14 років після смерті Ловелла — головним чином завдяки винятковій старанності астронома Клайда Томбо. Справа в тому, що нова планета, названа Плутоном, хоч і була відкрита всього в 6 градусах від передбаченого Ловеллом місця, виявилася істотно тьмянішою, ніж очікувалося. І перша радість від відкриття незабаром змінилася сумнівами. Настільки тьмяне і, отже, маломасивне тіло, як Плутон, навряд чи могло бути причиною сильних відхилень у русі Урана. Втім, через деякий час з’ясувалося, що здаються обурення в русі Урана пов’язані з неточністю розрахунків.

Пояс Койпера

Плутон не дуже-то схожий на інші планети. Він малий (менше Місяця) і обертається по сильно витягнутій орбіті, нахиленій під досить великим кутом до площин орбіт інших планет. Але в 1930-ті роки це не здавалося чимось особливим. Однак у середині XX століття почали складатися сучасні уявлення про формування Сонячної системи з газопилової хмари, і в рамках цих уявлень за орбітою Нептуна цілком могли зберегтися невитрачені залишки будівельного матеріалу.

Перший відкритий транснептуновий об’єкт (ТНО) з невиразним ім’ям 1992 QB1 і поперечником в 150 км цілком підходив під опис будівельного сміття. Однак за першим послідували другий, третій, та й розміри ставали все більшими: 300, 500, 1000 км. І ось, нарешті, в 2005 році група під керівництвом Майкла Брауна з Каліфорнійського технологічного інституту відкрила в поясі Койпера об’єкт 2003 UB313, порівнянний за розмірами з Плутоном. Стало ясно, що якщо ми називаємо планетою Плутон, то і 2003 UB313 також повинен вважатися планетою. У 2006 році для вирішення суперечності Міжнародний астрономічний союз прийняв офіційне визначення, згідно з яким ні Плутон, ні 2003 UB313 планетами не є. Це рішення багато астрономів прийняли в багнети, а об’єкт 2003 UB313, який став причиною розбіжностей, отримав ім’я давньогрецької богині розбрату — Еріда. Однак через десять років з дня виключення Плутона з числа планет, мабуть, всім ясно, що він, незалежно від титулу, є всього лише одним з багатьох тіл пояса Койпера.

Об’єкти в поясі Койпера (їх відомо менше двох тисяч) можна розділити на кілька груп. Перша — це ТНО класичного поясу Койпера (наприклад, 1992 QB1), які мають нахилені під невеликими кутами до екліптики «планетні» (майже кругові) орбіти з великою напівіссю не більше 50 о.о. Друга група, резонансні ТНО — це астероїди, що знаходяться в резонансі з Нептуном. Найвідоміший приклад — «плутіно», на честь Плутона, який знаходиться з Нептуном в резонансі 2:3 (тобто здійснює рівно два оберти за той час, що Нептун здійснює три). Резонансні об’єкти, як правило, не віддаляються від Сонця більш ніж на 50 о.о. Третій тип — це об’єкти розсіяного диска, типу Еріди, які під дією обурень планет-гігантів, насамперед Нептуна, придбали дуже витягнуті орбіти, часто нахилені під великими кутами до площини екліптики, з афеліями в сотнях а. е. від Сонця.

До 2003 року структуру поясу Койпера в цілому вдавалося пояснити взаємодією залишків будівельного сміття Сонячної системи з відомими планетами-гігантами. А потім Майкл Браун з колегами відкрили ТНО, який пізніше отримав ім’я Седна. Особливість Седни полягає в дуже великому перигелії — 76 а. е. Це означає, що вона навіть у найближчій до Сонця точці орбіти не потрапляє в зону гравітаційного впливу планет-гігантів. Як же вона взагалі опинилася на такій орбіті?

Поки Седна перебувала на самоті, її наявність не здавалося особливою проблемою — як і свого часу наявність Плутона: мало чи що могло статися з одним об’єктом? Сідна могла бути «висмикнута» з внутрішніх областей Сонячної системи, а то й зовсім перейти до нас з іншої планетної системи при зближенні з іншою зіркою на ранніх етапах еволюції. До того ж передбачається, що в Сонячній системі є істотно більш далекий «резервуар» тіл — гіпотетична хмара Оорта, з якої приходять довгоперіодичні комети. Сідну можна вважати і його представником.

Компанія для Седни

У 2014 році Чедвік Трухільо і Скотт Шепард повідомили про відкриття другого ТНО з екстремально великою перигелійною відстанню в 80 о.о. Можна було б, звичайно, і його приписати до хмари Оорта, але Трухільо і Шепард звернули увагу на те, що орбіти Седни і 2012 VP113 подібним чином нахилені щодо екліптики. Більш того, якщо вибрати серед відомих ТНО об’єкти на витягнутих орбітах з великими напівосями більше 150 о.о., всі вони будуть орієнтовані приблизно так само! Трухільо і Шепард припустили, що це може мати загальну причину: наявність у Сонячній системі ще однієї планети з масою в кілька мас Землі на відстані 200-300 о.о. від Сонця. Оскільки такі конфігурації, один раз виникнувши, швидко руйнуються, мова повинна йти саме про якийсь постійно діючий фактор.

Припущення Трухільо і Шепарда сколихнуло уми дослідників: ще б пак, на горизонті знову забрізжило епохальне відкриття! Планету на такій відстані цілком можна виявити безпосередньо, знати б тільки, де приблизно шукати. Почали з’являтися найрізноманітніші припущення: починаючи з того, що планет кілька, і закінчуючи тим, що нової планети немає, а закономірності в рухах далеких ТНО породжуються гравітаційними взаємодіями всередині самого пояса Койпера.

Найбільш успішною в низці пояснень виявилася робота Майкла Брауна і Костянтина Батигіна. Вони виділили з усіх далеких ТНО шість об’єктів, які свідомо не відчували обурень з боку Нептуна. Виявилося, що орбіти обраних об’єктів не просто однаково розгорнуті щодо екліптики, а й загалом витягнуті в просторі приблизно в один бік. Потім Брауна і Батигіна критикували за це рішення, оскільки вони начебто викинули з повної вибірки ті об’єкти, параметри яких пояснити не вдалося. Але, з іншого боку, дійсно, всі далекі ТНО, за винятком Седни і 2012 VP113, могли потрапити під вплив Нептуна. У цьому сенсі виглядає цілком виправданим прагнення використовувати для оцінки впливу дев’ятої планети тільки ті тіла, для яких цей вплив проявляється в чистому вигляді.

Потім вчені за допомогою чисельної моделі досліджували, чи здатна дія однієї далекої планети пояснити сукупні параметри обраної шістки об’єктів. Спроба виявилася вдалою. Браун і Батигін виявили, що в їхній моделі «нова» планета дійсно вибудовує деякі ТНО в спостережувану конфігурацію. Мало того, з’ясувалося, що її впливом можна пояснити появу ще однієї групи тіл Сонячної системи — астероїдів поясу Койпера на сильно нахилених орбітах — майже перпендикулярних екліптиці. Оскільки спочатку завдання описати походження «перпендикулярних» астероїдів Браун і Батигін перед собою не ставили, цей ненавмисний результат вони вважають потужним доказом на користь життєздатності їхньої моделі.

Реальне розташування орбіт шести далеких ТНО і передбачуване розташування орбіти дев’ятої планети за даними розрахунків Брауна і Батигіна. Щоб планета № 9 могла вирівняти орбіти ТНО, її власна орбіта повинна бути витягнута в протилежний бік. Блакитним кольором показані орбіти об’єктів поясу Койпера, перпендикулярні площини еклиптики, які випадково також отримали пояснення в рамках моделі Брауна — Батигіна

На жаль, модель Брауна і Батигіна дає досить розпливчасті передбачення щодо орбіти невідомої планети. Вони досліджували можливі орбіти з великими напівосями від 400 до 1500 о.о. і з ексцентриситетами від 0,6 до 0,8 і майже скрізь отримали задовільний результат. Неможливо обмежити і схилення планетної орбіти. Це сумно: чим точніше відомі параметри орбіти, тим точніше можна навести телескоп. А нова планета, якщо вона існує, не відрізняється особливою яскравістю. На такій відстані побачити відображене нею сонячне світло навряд чи вийде. Швидше можна розраховувати на власне інфрачервоне випромінювання планети.

Побачити в приціл

В даний час розглядається кілька можливостей виявити планету в спостереженнях. По-перше, її можна знайти, просто систематично скануючи небо. З існуючих інструментів для цієї мети найбільш підходить японський телескоп «Субару», встановлений на Гавайських островах (США). Його 8,2-метрове дзеркало дозволяє спостерігати навіть тьмяні об’єкти, при цьому розмір поля зору однієї з інфрачервоних камер телескопа дорівнює півтора градусам, що дозволяє за одну експозицію отримувати знімок великої ділянки неба — вкрай цінну якість для пошукових завдань. А через кілька років очікується введення в дію спеціального пошукового телескопа LSST, який буде методично переглядати все небо і зуміє знайти планету, якщо «Субару» до того часу ще не досягне успіху. Не виключено також виявлення планети, наприклад, у космологічних оглядах майбутнього.

Другий спосіб прискорення пошуків полягає в тому, щоб спробувати знайти ознаки впливу планети на інші тіла Сонячної системи — на комети і навіть на великі планети. Наприклад, завдяки зонду «Кассіні» ми тепер набагато краще знаємо параметри орбіти Сатурна. Вже опублікована спроба істотно звузити діапазон пошуків дев’ятої планети за даними «Кассіні», вказавши області небосводу, де її точно бути не може.

У будь-якому випадку поки мова не йде про відкриття нової планети. Фактично ми перебуваємо зараз у ситуації 1846 року, коли нев’язки в русі Урану змусили запідозрити наявність у Сонячній системі ще однієї планети. І звичайно, Левер’є в голову не прийшло б до 24 вересня 1846 року розповідати всім, що він відкрив нову планету. Не виключено, що і далі нас очікує повторення вже пройдених одного разу протиріч. Наприклад, чи можна буде вважати, що планету відкрили Браун з Батигіним, якщо її виявить автоматика LSST, яка знайшла б її і без опублікованого передбачення? Навіть якщо планета буде знайдена в результаті цілеспрямованого пошуку на «Субару», чи не слід вважати її «авторами» Трухільо і Шепарда? Втім, і питання пріоритету вирішувати доведеться тільки після реального відкриття. Зараз же нам залишається тільки чекати, поки в черговий раз хтось не помітить, що серед густого зоряного розсипу є одна невиразна точка, яка на декількох послідовних знімках трохи сповзла вбік. І тоді планетологам доведеться вирішувати питання, а звідки, власне, в Сонячній системі взялася планета на такій відстані від Сонця? Але це буде вже зовсім інша історія.

Автор — завідувач відділу фізики та еволюції зірок Інституту астрономії РАН (ІНАСАН).