На зламі XIX і ХХ століть виявилося, що людство усе ще замало знає про Сонячну систему. Спершу астрономи проаналізували орбіту крижаного гіганта Урана і зрозуміли, що на нього впливає інше масивне тіло — так був відкритий Нептун. Але пошуки об’єкта, який знаходиться ще далі, не припинилися. Американський бізнесмен Персіваль Ловелл, який мав пристрасть до астрономії та відзначився своїми хибними уявленнями про Марс, оголосив полювання на Планету Х. Її знайшли вже після смерті Ловелла — принаймні, так тоді здавалося.
NASA / JPL / Caltech
У 1930 році молодий лаборант-фотограф Клайд Томбо, переглядаючи зображення однієї і тієї ж ділянки неба, зроблені з різницею у кілька ночей, побачив рух далекої тьмяної цятки. Згодом вона дістала назву Плутон. До 2006 року він мав статус планети, поки Міжнародний астрономічний союз не позбавив його цього «звання». З тих пір у Сонячній системі нараховується лише вісім планет, проте вже кілька років поспіль астрономи шукають ще одну.
Розшукується гігант
За орбітою Нептуна простягається пояс Койпера — область завширшки близько 20 астрономічних одиниць, заповнена крижаними астероїдами і карликовими планетами.
Наприкінці ХХ століття астрономи почали відкривати усе нові й нові об’єкти звідси, та помітили, що деякі з них мають дивні видовжені орбіти. Наприклад, Седні, яка трохи менша за Плутон, потрібно більше 11 тисяч років, щоб здійснити один оберт навколо Сонця. У перигелії, тобто найближчій до нашого світила точці, відстань між ним і Седною складає 76 астрономічних одиниць (близько 11 мільярдів кілометрів), а у найвіддаленішій — більше 900 астрономічних одиниць (135 мільярдів кілометрів).
Це далеко не єдиний об’єкт з такими характеристиками. Дослідження поясу Койпера виявили цілу популяцію невеликих тіл, орбітальні періоди яких охоплюють тисячі років. Саме площини та напрямки їхніх орбіт наштовхнули дослідників на думку, що відомості про планети Сонячної системи неповні.
Орбіти транснептунових об’єктів та гіпотетичної планети Дев’ять. Batygin et al.
У січні 2016 року видання The Astrophysical Journal опублікувало статтю астрономів Каліфорнійського технологічного інституту, в якій вони спробували пояснити незвичайну конфігурацію орбіт шести транснептунових об’єктів. Вони виявили, що ці орбіти також однаково нахилені — приблизно на 30 градусів по відношенню до площини інших восьми планет. За їхніми підрахунками, імовірність того, що це станеться, становить приблизно 0,007%. Тобто, це, скоріш за все, не випадковість, і щось впливає на таку картину.
Вчені виключили, що до цього можуть призводити віддалені об'єкти поясу Койпера, адже за такого сценарію маса цього регіону мала б бути приблизно у 100 разів більшою, ніж є наразі. Натомість дослідники запропонували гіпотетичну, ще не знайдену планету Дев’ять у якості причини такої поведінки. Тобто, вони навели докази її існування, базуючись на математичних моделях та комп’ютерних симуляціях. Саму планету ніхто і досі не відшукав.
Вимоги до кандидатів
То якою ж, на думку вчених, має бути ця планета і чому її так важко знайти? У 2019 році астрономи уточнили її можливі параметри. У порівнянні з вихідними результатами, нове моделювання показало дещо меншу планету, що знаходиться на ближчій та менш динамічно збудженій орбіті. Так, її маса може становити від 5 до 10 мас Землі, а велика піввісь її еліптичної орбіти завдовжки від 400 до 800 астрономічних одиниць. Ексцентриситет орбіти, що показує, наскільки вона витягнута, складає від 0,2 до 0,5. Для порівняння: ексцентриситет Землі складає лише 0,0167. Крім того, на думку дослідників, через те, що Дев’ята планета може знаходитися ближче до Сонця, це компенсує її менший розмір у порівнянні з попередніми оцінками та, можливо, зробить її більш придатною для оптичних спостережень.
Розміри Дев’ятої планети у порівнянні з іншими планетами Сонячної системи. James Tuttle Keane / Caltech
Інша команда астрономів змоделювала можливий спектр, теплову еволюцію та структуру Дев ятої планети. В залежності від маси, її температура може складати від 35 до 50 кельвінів — тобто від мінус 243 до мінус 223 градусів за Цельсієм. І це верхні межі! Проте, враховуючи відстань від Сонця, такі цифри зовсім не дивують. Тут настільки холодно, що метан у атмосфері цієї планети конденсується. Внаслідок цього спектри відбиття та випромінювання планети будуть не схожими на ті, що демонструють Уран та Нептун.
Але найголовніша складність полягає у тому, що астрономи не знають точно, у якій точці неба потрібно шукати планету, а ділянки її можливого положення завеликі. Дослідники сподіваються, що потужна обсерваторія імені Вери Рубін, яка запрацює незабаром, значно розширить можливості для пошуку.
Тим часом, поки астрономи шукають невловиму планету в Сонячній системі, телескоп «Габбл» побачив дещо схоже за її межами. На відстані близько 335 світлових років від Сонця знаходиться подвійна зоряна система HD 106906. Планета, маса якої в 11 разів більша за масу Юпітера, обертається навколо цих двох зірок. Найдовша відстань від світил до неї складає 850 астрономічних одиниць, ексцентриситет орбіти має значення 0,44. Окрім того, орбіта HD 106906 b нахилена під кутом близько 40 градусів до навколозоряного диска. Таким чином, усе це дуже нагадує передбачену для Дев’ятої планети траєкторію.
NASA, ESA, M. Kornmesser (ESA/Hubble)
Сумніви і альтернативи
Частина наукової спільноти, втім, має великі сумніви щодо існування Дев’ятої планети. Після 2016 року, коли співробітники Калтеху опублікували свою статтю, дослідження об’єктів поясу Койпера продовжувалися. Зокрема, огляди неба Outer Solar System Origins Survey (OSSOS) та Dark Energy Survey знаходили нові тіла за орбітою Нептуна і уточнювали їхні орбіти. Математичні розрахунки та комп’ютерне моделювання показали, що на траєкторії тіл у поясі Койпера мала вплив міграція Нептуна. Ця планета сформувалася ближче до Сонця, а потім перемістилася на кілька астрономічних одиниць назовні системи. Це пояснює поширеність високоеліптичних орбіт об’єктів поясу Койпера, за винятком кількох таких тіл на екстремальних орбітах.
Найбільшим аргументом на користь Дев’ятої планети було саме унікальне скупчення таких орбіт, які спрямовані в одному напрямку. Нове дослідження стверджує: ніякого скупчення немає, орбіти популяції ектремальних транснептунових об’єктів розподілені рівномірно, а до гіпотези про Дев’яту планету призвели природні упередження у спостереженнях.
Пояс Койпера. M. Kornmesser / ESO
Справа в тому, що спостерігати об’єкти поясу Койпера надзвичайно важко, особливо якщо вони мають дуже витягнуті орбіти. Найлегше фіксувати їх тоді, коли вони знаходяться ближче до Сонця. Крім того, такі об’єкти у кожній частині Сонячної системи за допомогою наземних телескопів можна шукати лише на певному проміжку часу впродовж року. До того ж, зафіксувати невеликі тьмяні тіла біля площини нашої галактики ще важче, адже їх майже не видно на фоні яскравих зірок. Усе це призводить до спотворення вибірок таких тіл.
У своїй статті про гіпотетичну Дев’яту планету дослідники спиралися на шість екстремальних транснептунових об’єктів, виявлених під час різноманітних оглядів неба з невідомими чи невказаними функціями відбору. Саме тому невідомо, чи дійсно вони спостерігали фізичне скупчення тіл з незвичайними орбітами, чи просто побачили обмежену картину, яку неправильно трактували.
У новому дослідженні інша команда перевірила орбіти 14 таких об’єктів, кожен з яких був знайдений під час огляду, для якого були вказані можливі обмеження і похибки. Вони не знайшли жодних слідів скупчення їхніх орбіт. Таким чином, вчені припускають, що скупчення, яке спостерігала команда Калтеху, зявилося лише тому, що вчені направили свої телескопи у певне місце. Втім, усе це не означає, що існування Дев’ятої планети повністю виключене. Таке дослідження лише робить це менш імовірним.
Направлені у різні напрямки орбіти відомих транснептунових об’єктів, відкриті різними оглядами. Samantha Lawler / The Conversation
Інша команда у липні 2020 запропонувала незвичайну альтернативу гіпотезі про Планету Х: а що, як шукати потрібно зовсім інший об’єкт — первісну чорну діру? На відміну від чорних дір зоряної маси, які виникають після гравітаційного колапсу масивної зірки, а також надмасивних чорних дір у центрах галактик, первісні чорні діри лишаються суто гіпотетичними об’єктами. Вони могли сформуватися у ранньому Всесвіті через колапс матерії із зависокою густиною. Такі чорні діри матимуть зовсім невеликий розмір — не більший за стиглий апельсин! Проте їхня маса буде у кілька разів більшою за масу Землі.
Крім того, існування первісних дір могло б пояснити ще один феномен. Масивні об’єкти деформують простір і час, так що шлях світла, який проходить біля них, викривлюється. Такий ефект називається гравітаційним лінзуванням. Вчені спостерігають мікролінзування у напрямку балджа Чумацького Шляху. Їх можуть створювати об’єкти, маса яких становить до 20 мас Землі. Або це несподівано велика популяція планет-сиріт, які подорожують у космосі, не прив’язані до жодної зірки, або ж це первісні чорні діри. Тож, якщо вони дійсно існують, то одна з таких може опинитися на околиці Сонячної системи і спричиняти усі ці дивні орбіти транснептунових об’єктів.
Дисклеймер: навіть якщо це так, це не означає, що нас усіх затягне у чорну діру. Земля знаходиться надто далеко від неї. Проте зафіксувати такий об’єкт буде ще складніше. Дослідникам доведеться шукати спалахи рентгенівських та гамма-променів, які стаються, коли чорна діра розриває, наприклад, невеликі астероїди.
Хай там як, а пошуки загадкової планети Х продовжуються. До них навіть можуть долучитися усі охочі: для цього достатньо взяти участь у проєкті NASA Backyard Worlds: Planet 9. Волонтерів запрошують шукати об’єкти, що рухаються, на зображеннях телескопа WISE — майже так само, як Клайд Томбо колись шукав Плутон.