Планета X: девятая планета Солнечной системы?

Структура Солнечной системы довольно проста. В ее центре находится Солнце — звезда, идеально подходящая для развития жизни: не слишком горячая, но и не слишком холодная, не слишком яркая, но и не слишком тусклая, с длительным временем жизни и весьма умеренной активностью. Ближе к Солнцу располагаются планеты земной группы, в которую, помимо Земли, входят Меркурий, Венера и Марс. Эти планеты относительно маломассивны, но состоят из каменистых горных пород, что позволяет им иметь твердую поверхность. В последние годы набирает популярность понятие зоны обитаемости: так называют интервал расстояний от центральной звезды, внутри которого на поверхности планеты земного типа может существовать жидкая вода. В Солнечной системе зона обитаемости простирается примерно от орбиты Венеры до орбиты Марса, но жидкой водой (по крайней мере, в значительных количествах) может похвастаться только Земля.

Дальше от Солнца следуют планеты-гиганты (Юпитер и Сатурн) и ледяные гиганты (Уран и Нептун). Гиганты существенно более массивны, чем планеты земной группы, но эта масса набрана ими за счет летучих соединений, из-за чего гиганты существенно менее плотны и лишены твердой поверхности. Между последней планетой земной группы — Марсом — и первой планетой-гигантом — Юпитером — располагается Главный пояс астероидов; за последним ледяным гигантом — Нептуном — начинается периферия Солнечной системы. Раньше там была еще одна планета, Плутон, но в 2006 году мировое астрономическое сообщество решило, что Плутон по своим параметрам до настоящей планеты не дотягивает, и теперь самой далекой планетой Солнечной системы (из известных!) является Нептун, обращающийся в 30 а. е. от Солнца (точнее, от 29.8 а. е. в перигелии до 30.4 в афелии).

Идея о неизвестной планете

Однако уже довольно давно многих ученых не оставляет мысль о том, что на Нептуне счет планет Солнечной системы не останавливается. Правда, чем дальше планета от Солнца, тем сложнее обнаружить ее непосредственно, однако есть и косвенные способы. Один заключается в поиске гравитационного влияния невидимой планеты на известные тела транснептуновой области. В частности, неоднократно предпринимались попытки, во-первых, найти закономерности в орбитах долгопериодических комет, во-вторых, объяснить эти закономерности притяжением далекой планеты-гиганта. В более экстремистских вариантах признаком наличия далекой планеты считают кажущиеся периодичности в вымирании живых организмов на Земле или в частоте метеоритной бомбардировки нашей планеты. Однако до сих пор предположения о неведомых планетах (Немезида, Тюхе и пр.), основанные на этих закономерностях и периодичностях, не находили широкого признания у астрономической общественности. Не только объяснение, но и само наличие объясняемых закономерностей и периодичностей кажется довольно неубедительным. Кроме того, речь, как правило, идет о довольно крупных телах, возможно, в разы более массивных, чем Юпитер, которые должны быть доступными современной наблюдательной технике.

Новая попытка доказать существование девятой планеты также основана на поиске признаков ее гравитационного влияния, но не на долгопериодические кометы, а на объекты пояса Койпера.

Пояс Койпера

Поясом Койпера иногда коллективно называют все объекты, населяющие периферию Солнечной системы. Но на самом деле они представляют собой несколько динамически различных групп: классический пояс Койпера, рассеянный диск и резонансные объекты. Объекты классического пояса Койпера вращаются вокруг Солнца по орбитам с небольшими наклонениями и эксцентриситетами, то есть по орбитам «планетного» типа. Объекты рассеянного диска движутся по вытянутым орбитам с перигелиями в области орбиты Нептуна, орбиты резонансных объектов (к их числу относится Плутон) находятся в орбитальном резонансе с Нептуном.

Классический пояс Койпера довольно резко обрывается примерно на 50 а. е. Вероятно, именно там проходила основная граница распределения вещества Солнечной системы. И хотя объекты рассеянного диска и резонансные объекты в афелии (наиболее удаленной от Солнца точке орбиты небесного тела) уходят от Солнца на сотни астрономических единиц, в перигелии (ближайшей к Солнцу точке орбиты) они близки к Нептуну, указывая, что и те и другие связаны общим происхождением с классическим поясом Койпера, а на свои современные орбиты были «пристроены» гравитационным воздействием Нептуна.

Открытие Седны

Картина начала усложняться в 2003 году, когда был открыт транснептуновый объект (ТНО) Седна с перигелийным расстоянием в 76 а. е. Столь значительное удаление от Солнца означает, что Седна не могла попасть на свою орбиту в результате взаимодействия с Нептуном, и потому возникло предположение, что она является представителем более далекого населения Солнечной системы — гипотетического облака Оорта.

Некоторое время Седна оставалась единственным известным объектом с подобной орбитой. Об открытии второго «седноида» в 2014 году сообщили Чедвик Трухильо и Скотт Шеппард. Объект 2012 VP113 обращается вокруг Солнца по орбите с перигелийным расстоянием 80.5 а. е., то есть даже больше, чем у Седны. Трухильо и Шеппард обратили внимание, что и Седна, и 2012 VP113 имеют близкие значения аргумента перигелия — угла между направлениями на перигелий и на восходящий узел орбиты (точку ее пересечения с эклиптикой). Интересно, что подобные значения аргумента перигелия (340° ± 55°) характерны для всех объектов с большими полуосями больше 150 а. е. и с перигелийными расстояниями больше перигелийного расстояния Нептуна. Трухильо и Шеппард высказали предположение, что такое группирование объектов вблизи конкретного значения аргумента перигелия может быть вызвано возмущающим действием далекой массивной (несколько масс Земли) планеты.

Доказательства существования Планеты X

В статье, опубликованной в январе 2016 года Константином Батыгиным и Майклом Брауном, сотрудниками Калифорнийского технологического университета, исследуется возможность того, что существованием ранее неизвестной планеты действительно можно объяснить наблюдаемые параметры далеких астероидов со схожими значениями аргумента перигелия. Авторы аналитически и численно исследовали движение тестовых частиц на периферии Солнечной системы на протяжении 4 млрд лет под воздействием возмущающего тела массой 10 масс Земли на вытянутой орбите и показали, что наличие такого тела действительно приводит к наблюдаемой конфигурации орбит ТНО со значительными большими полуосями и перигелийными расстояниями. Более того, наличие внешней планеты позволяет объяснить не только существование Седны и других ТНО с близкими значениями аргумента перигелия.

Неожиданно для авторов в их моделировании действие возмущающего тела объяснило существование еще одного населения ТНО, происхождение которого до сих пор оставалось непроясненным, а именно населения объектов пояса Койпера на орбитах с большими наклонениями. Наконец, в работе Батыгина и Брауна предсказывается существование объектов с большими перигелийными расстояниями и другими значениями аргумента перигелия, что обеспечивает возможность дополнительной наблюдательной проверки их предсказания.

Перспективы открытия новой планеты

Главной проверкой последних исследований, разумеется, должно стать обнаружение самого «возмутителя спокойствия» — той самой планеты, притяжение которой, по мнению авторов, определяет распределение тел с перигелиями вне классического пояса Койпера. Задача ее поиска весьма сложна. Бо́льшую часть времени Планета Х должна проводить вблизи афелия, который может располагаться на расстоянии свыше 1000 а. е. от Солнца. Расчеты указывают на возможное расположение планеты очень приблизительно — ее афелий расположен примерно в направлении, противоположном направлению на афелии исследованных ТНО, но наклонение орбиты по данным об имеющихся ТНО с большими полуосями орбит определить не удается. Так что обзор весьма обширного участка неба, где может находиться неизвестная планета, продлится много лет. Поиски могут стать легче, если будут обнаружены другие ТНО, движущиеся под воздействием Планеты Х, что позволит сузить диапазон возможных значений параметров ее орбиты.

WISE (Wide-Field Infrared Survey Explorer) — космический телескоп НАСА, запущенный в 2009 году для изучения неба в инфракрасном диапазоне, мог не увидеть гипотетическую планету. Аналог Сатурна или Юпитера WISE обнаружил бы на расстоянии до 30 000 а. е., то есть больше, чем нужно. Но оценки проводились именно для планеты-гиганта с соответствующим собственным ИК-излучением. Вполне возможно, что эти результаты не масштабируются на ледяной гигант типа Нептуна или даже менее массивную планету.

В настоящее время есть, по сути, один телескоп, пригодный для поисков Планеты X, — это японский телескоп «Субару», установленный на Гавайских островах. Благодаря 8,2-метровому зеркалу он собирает много света и потому обладает высокой чувствительностью, при этом его оборудование позволяет получать снимки довольно больших участков неба (площадью примерно в полную Луну). Но даже при этих условиях обзор обширного участка неба, где может находиться сейчас Планета X, займет несколько лет. Если же он не увенчается успехом, останется надеяться на специализированный обзорный телескоп LSST, строительство которого идет сейчас в Чили. При зеркале диаметром 8,4 метра он будет обладать полем зрения диаметром 3,5° (в семь раз больше, чем у «Субару»). При этом обзорные наблюдения будут его основной задачей, в отличие от «Субару», который работает по многочисленным наблюдательным программам. Ввод LSST в строй ожидается в начале 2020-х годов.