Майк Браун (слева) и Константин Батыгин в своей лаборатории в Калтехе. Фото © Shannon Stirone с сайта popsci.com

В Солнечной системе, вероятно, есть еще одна чрезвычайно удаленная планета размером с Нептун, совершающая один оборот вокруг Солнца за 10–20 тысяч лет. Сенсационную статью на эту тему опубликовали 20 января два уважаемых планетолога, Константин Батыгин и Майк Браун из Калифорнийского технологического института, проводившие детальный анализ орбит уже известных нам транснептуновых объектов. Они готовы предъявить скептикам результаты многомесячного компьютерного моделирования.

Пожалуй, это самая серьезная заявка на открытие пресловутой Планеты X, о которой долгие годы грезят как романтики от науки, так и поклонники всяких зловещих легенд о Нибиру и Немезиде. Незнакомка могла образоваться 4,5 миллиарда лет назад, как и все «добропорядочные» планеты Солнечной системы, однако затем была «выбита» на окраины другими планетами-гигантами. Со временем замедлившись в газовом облаке, она перешла на отдаленную эллиптическую орбиту, где и пребывает до сих пор. По крайней мере так должно быть в теории, описанной в обсуждаемой статье в Astronomical Journal (K. Batygin, M. E. Brown. Evidence For A Distant Giant Planet In The Solar System).

Слева: распределение перигелиев малых тел в виде точек на небесной сфере. Объекты, удаляющиеся более чем на 250 а.е. от Солнца, обозначены красным цветом. Справа: расположение динамически стабильных орбит небесных тел, удаляющихся от Солнца более чем на 250 а.е. (в том числе Седны и VP113). Для каждого объекта указан так называемый вектор Лапласа — Рунге — Ленца, используемый для указания ориентации орбит и величин их эксцентриситетов. Изображение из обсуждаемой статьи в The Astronomical Journal

Батыгин и Браун основываются на анализе движения шести уже известных нам удаленных объектов (движущихся по необычным эллиптическим орбитам вне плоскости Солнечной системы — под углами от 60° до 150°) и уверяют, что есть лишь 0,007-процентный шанс (примерно 1 к 15 000) на то, что всё это может объясняться простым совпадением. Статистическая значимость открытия составляет 3,8 сигма. Это превышает порог в 3 сигма, значит, требует серьезного рассмотрения заявки, но еще очень далеко до 5 сигма — порога, который часто используют для оценки значимости открытия в таких областях, как физика элементарных частиц. Критики отмечают, что результаты на уровне 3 сигма позже зачастую «рассасываются» совершенно бесследно.

Масса планеты, по мнению Брауна и Батыгина, достигает от 5 до 15 земных, орбита имеет изрядный наклон к плоскости эклиптики и чрезвычайно эксцентрична (вытянута). Ближайшая к Солнцу точка орбиты (перигелий) находится в семь раз дальше, чем Нептун (это 200 астрономических единиц; 1 а.е. эквивалентна среднему расстоянию между Землей и Солнцем и равна почти 150 миллионам километров). Наиболее же удаленная точка орбиты Планеты X (ее афелий) может располагаться в 600–1200 а.е., за поясом Койпера (населенного небольшими ледяными транснептуновыми телами за пределами 30 а.е.).

В представлении Роберта Хёрта (Robert L. Hurt), специалиста Центра анализа и обработки инфракрасных изображений (IPAC), так может выглядеть гипотетическая девятая планета солнечной системы. Светлое пятно правее планеты — Солнце со своим ближним окружением. Рисунок из популярного синопсиса к обсуждаемой статье на сайте журнала Nature

Первое подозрение о существовании некой крупной планеты закралось в голову Брауна еще в 2003 году, когда он руководил группой, нашедшей Седну — объект, лишь немногим уступающий по своим размером Эриде и Плутону. Необычная орбита Седны делала ее самым далеким известным нам небесным телом Солнечной системы того времени. Ее перигелий располагался в 76 а.е., за поясом Койпера и далеко за пределами влияния гравитации Нептуна. Напрашивалось объяснение: что-то весьма массивное, находящееся далеко за Нептуном, должно было повлиять на орбиту Седны. Это нечто не должно было быть непременно планетой. На Седну могло воздействовать и гравитационное возмущение от близкой звезды из каких-нибудь звездных яслей, которые окружали зарождающееся Солнце в момент формирования нашей Солнечной системы.

Со времен открытия Седны еще несколько других ледяных объектов продемонстрировали подобные орбиты. Вторым стал никогда не сближающийся с Солнцем объект VP₁₁₃, открытый в 2014 году Скоттом Шеппардом (Scott S. Sheppard) и Чедом Трухильо (Chad Trujillo), бывшим аспирантом Брауна. В своей статье (Ch. A. Trujillo, S. S. Sheppard, 2014. A Sedna-like body with a perihelion of 80 astronomical units) Шеппард и Трухильо также поднимали вопрос о возможности существования удаленной планеты, вмешивающейся в движение более мелких объектов.

Открытие 2012 VP113. Три цветные точки — это снимки трех положений объекта 2012 VP113, движущегося на фоне неподвижных звезд (разница между снимками составляет два часа, первой получена красная точка). Фото Scott S. Sheppard / Cerro Tololo Inter-American Observatory с сайта en.wikipedia.org

Примечательно тут то, что у Седны и VP₁₁₃ чрезвычайно близки значения определенных кеплеровых элементов орбиты, а именно аргумента перицентра — угла между направлениями на восходящий узел орбиты (место ее пересечения с плоскостью эклиптики) и на перицентр.

Объединив Седну и пять других известных далеких транснептуновых объектов в одну группу, Браун понял, что сходство кеплеровых элементов у всех них сохраняется, и влияние звезд в этом случае можно уже исключить: только планета может служить объяснением всех этих странных орбит. Все они «смотрят» примерно в одну и ту же сторону, все сгруппированы в физическом пространстве. К сожалению, нельзя предсказать, в какой именно точке своей орбиты в настоящее время находится Планета X, но саму ее орбиту можно построить с достаточной точностью: ведь афелий должен быть расположен практически на противоположной стороне от Солнца к скоплению афелиев «рассеянных» Планетой X объектов.

Объекты пояса Койпера с экзотичными орбитами (черные эллипсы). Параметры их орбит хорошо объясняются существованием массивной планеты (ее орбита –красный эллипс) на большом расстоянии от Солнца. Красным цветом выделена зона обзора телескопа «Субару». Рисунок из популярного синопсиса к обсуждаемой статье на сайте журнала Science

В том же году в Калифорнийском технологическом институте Батыгин и Браун, оказавшиеся соседями по офисам, начали обсуждать все эти результаты и приступили к построению соответствующей модели взаимодействия множества тестовых объектов с гипотетической Планетой X.

Конечно, всемирная известность 50-летнего Брауна не вызывает сомнений, а вот кто такой Константин Батыгин? Он попал в США из России в 13-летнем возрасте, сейчас ему лишь 29, но он уже обладает постоянной позицией в Калтехе (Assistant Professor of Planetary Science) и многие считают его компьютерным и математическим гением. Еще будучи студентом, Константин прославился моделированием развития Солнечной системы в течение ближайших миллиардов лет. Он показал, что в некоторых редких случаях могут возникать неустойчивости: например, Меркурий способен упасть на Солнце или столкнуться с Венерой. Навыки в этом тандеме исследователей удачно дополнили друг друга, и изрядная разница в возрасте не стала помехой.

Если Планета X действительно существует, астрономы со временем должны отыскать еще несколько объектов на предсказанных орбитах, сформированных под действием невидимого гиганта. Модель предсказывает даже существование объектов с орбитами, перпендикулярными плоскости эклиптики, и такие объекты действительно есть. Однако окончательным доказательством существования Планеты X станет, конечно, лишь прямое обнаружение с помощью телескопа. Ученые подали заявку, претендуя на время одного из больших телескопов на Гавайях, и надеются, что к поиску присоединятся и другие астрономы.

Удача может улыбнуться прежде всего японскому 8-метровому телескопу «Субару» (Subaru), обладающему как достаточной светосилой для обнаружения чрезвычайно слабого объекта, так и широким полем зрения (у «Субару» оно в 75 раз больше, чем у 10-метровых телескопов «Кек» по соседству). Это позволит астрономам еженощно сканировать большие участки неба. Батыгин и Браун координируют свои усилия с бывшими «конкурентами», Шеппардом и Трухильо, которые также собираются присоединиться к «охоте». Впрочем, по мнению Брауна, даже поиски совместными усилиями двух групп займут еще около пяти лет. Большинство других телескопов, способных разглядеть тусклый объект на таких расстояниях (например, космический телескоп «Хаббл»), имеют весьма ограниченное поле зрения. Поиск с их помощью походил бы на поиск иголки в стоге сена, разглядываемом через соломинку.

8-метровый телескоп «Субару» на вершине потухшего вулкана Мауна-Кеа на Гавайях имеет большое поле зрения, что позволяет с большой эффективностью искать Планету X. Фото с сайта nao.ac.jp

Ирония судьбы состоит в том, что занимающийся столь энергичными поисками новой девятой планеты Майк Браун считается одновременно и основным «убийцей» той прежней «девятой планеты», про которую мы все знали с детства, — Плутона. Ведь именно открытая группой Брауна в 2005 году карликовая планета Эрида — размером с Плутон — послужила веским доводом для его «понижения в статусе» (разумеется, тогда новооткрытый объект еще не назывался Эридой, да и понятие карликовой планеты появилось позже). Обо всех этих драматических событиях Браун рассказал в своей книге «Как я убил Плутон».

Интересно еще заметить, что метод открытия Планеты X «на кончике пера» путем учета еле ощутимых гравитационных эффектов имеет весьма солидный (хоть и не без шероховатостей) послужной список. Так, в 1840-е годы французский математик Урбен Леверье предсказал существование неведомой планеты-гиганта, изучив вызванные ею гравитационные возмущения орбиты Урана. Позднее Иоганн Галле и Генрих д'Арре из Берлинской обсерватории действительно обнаружили новую планету, Нептун, и именно там, где она и должна быть согласно предсказанию Леверье (что, естественно, вызвало бурю восторга в обществе, став наглядным примером торжества науки).

Дальнейший анализ нарушений в орбите Урана привел ученых к мысли, что за пределами орбиты Нептуна может таиться еще одна, девятая, планета, и в 1906 году состоятельный магнат и филантроп Персиваль Лоуэлл в своей новой обсерватории в Флагстаффе (штат Аризона) положил начало поискам того, что он называл «Планетой X». В 1930 году был найден Плутон, однако он оказался слишком мал, чтобы оказывать сколько-нибудь значимое влияние на орбиту Урана. Пятьдесят с лишним лет спустя новые расчеты, основанные на измерениях «Вояджеров», показали, что орбиты Урана и Нептуна прекрасно можно описать без привлечения какой-либо Планеты X.

Тем не менее идея крупной Планеты X не утратила своей привлекательности. В 1980-е годы появилась гипотеза, согласно которой к периодическим вымираниям флоры и фауны на Земле может быть причастен невидимый коричневый карлик, расположенный на окраинах Солнечной системы и периодически посылающий к нам потоки комет. Гипотетическая звезда получила звучное и зловещее название Немезида в честь древнегреческой богини возмездия. В 1990-х годы, опять же для объяснения движения некоторых странных комет, высказывались предположения о существовании где-то там планеты размером с Юпитер. А месяц назад исследователи из Швеции и Мексики заявляли, что с помощью ALMA — массива радиотелескопов в чилийской пустыне Атакама — им удалось обнаружить слабое свечение в микроволновом диапазоне, исходящее якобы от крупной скалистой планеты на 300 а.е. (Браун был одним из многочисленных скептиков, указавших, что чрезвычайно узкое поле зрения ALMA приводит к тому, что шансы обнаружить подобный объект исчезающе малы.)

Остается на самом деле и проблема в ограничениях, которые накладывают результаты уже проведенных многочисленных обзоров, например того, что проделал в 2010–2011 годах широкоугольный инфракрасный телескоп NASA WISE (Wide-Field Infrared Survey Explorer), занятый поисками коричневых карликов и планет-гигантов. Он позволил исключить существование планеты крупнее Сатурна на расстояниях до 10 тысяч а.е., о чем свидетельствует работа 2013 года A search for a distant companion to the Sun with the Wide-Field Infrared Survey Explorer Кевина Лумана (Kevin Luhman), астронома из Университета штата Пенсильвания. Однако Луман допускает существование Планеты X размером с Нептун или меньше, которую WISE мог бы и пропустить. Есть также небольшой шанс обнаружить ее следы в той части данных, которые еще недостаточно тщательно проанализированы к этому времени.

Источники:
1) Konstantin Batygin, Michael E. Brown. Evidence For A Distant Giant Planet In The Solar System // The Astronomical Journal. 2016. V. 151. No 2. P. 22.
2) Eric Hand. Astronomers say a Neptune-sized planet lurks beyond Pluto // Science. January 20, 2016. (Популярный синопсис к обсуждаемой статье в The Astronomical Journal.)
3) Chadwick A. Trujillo, Scott S. Sheppard. A Sedna-like body with a perihelion of 80 astronomical units // Nature. 2014. V. 507. P. 471–474. Doi:10.1038/nature13156.

Максим Борисов
«Элементы»