Элизабет Таскер - Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли

Как понять, есть в Солнечной системе скрытая планета или нет? Например, мы можем определить расположение центра масс Солнечной системы. Как уже упоминалось ранее, центр масс двух обращающихся тел — это точка, в которой их силы гравитационного притяжения уравновешивают друг друга. Ее можно сравнить с точкой равновесия удерживаемого на пальце карандаша с ластиками разного размера на концах. Оба тела обращаются вокруг общего центра масс, который находится ближе к более массивному телу.

Когда в системе несколько тел, центр масс находится там, где силы их взаимного притяжения уравновешивают друг друга. Вместо удерживаемого на пальце карандаша мы должны теперь представить себе тарелку, наполненную тяжелыми стеклянными шариками. Очевидно, что центр масс Солнечной системы располагается очень близко к Солнцу. Его точное местоположение определяется положением планет, поэтому он смещается вслед за их перемещениями. Если в Солнечной системе есть планета, о которой мы не знаем, то расчетный центр масс не должен совпадать с фактическим, ведь на нашей тарелке будет лежать еще один, не учтенный в расчетах шарик.

Выявить такую ошибку можно с помощью пульсаров. При обращении Земли вокруг центра масс Солнечной системы ее положение относительно пульсаров изменяется. Таким образом, время прихода испускаемых пульсаром периодических импульсов в разных точках орбиты Земли должно слегка различаться. В данном случае расстояние до пульсара по сравнению с общей его величиной изменяется совсем незначительно, но благодаря исключительной точности интервала между вспышками сигналов даже такое маленькое отклонение поддается оценке. Поэтому, чтобы точно измерить частоту поступления сигналов пульсара, астрономам приходится учитывать движение Земли. Если бы вычисленные координаты центра масс Солнечной системы были ошибочными, фактическое расстояние между Землей и пульсаром было бы несколько искажено, а интервалы между сигналами пульсара носили нерегулярный характер.

В 2005 г. был проведен тщательный анализ времени прихода сигналов пульсаров с целью обнаружения признаков аномальных отклонений, которые бы указывали на недостающую планету. Он не дал никаких результатов. Никаких признаков того, что на центр масс Солнечной системы оказывает влияние невидимая планета, обнаружено не было.

Несмотря на всю убедительность аргументации против существования «планеты Х», точку в этом вопросе ставить все-таки было еще рано. Как и в любом другом эксперименте, в проведенном анализе было ограничение на величину поддающегося оценке гравитационного влияния. Минимальное значение соответствовало влиянию планеты размером с Юпитер, находящейся на расстоянии около 200 а.е. Если «планета Х» существует, она должна быть меньше или дальше указанного расстояния. Поскольку это ограничение выходило далеко за рамки параметров известных нам планет и карликовых планет, наличие в нашей Солнечной системе еще одного объекта казалось маловероятным.

И только после открытия 2012 VP 113 астрономы обратили внимание на одно странное совпадение, из-за которого вопрос о «планете Х» вновь вернулся в повестку дня. Орбиты шести самых удаленных объектов в Солнечном системе оказались странным образом согласованы. Вытянутые орбиты этой группы тел, состоящей из Седны, 2012 VP 113 и еще четырех астрономических объектов размером поменьше, пересекаются в перигелии — точке, в которой они ближе всего к Солнцу. Причем, расходясь после этой точки по своим эллиптическим траекториям, все они движутся примерно в одном направлении.

Обнаружив эту особенность, Майкл Браун обратился за помощью к астроному Константину Батыгину, который, сидя буквально в соседнем кабинете в Калифорнийском технологическом институте, занимался моделированием движения небесных тел. Вдвоем они изучили результаты наблюдений, провели необходимые расчеты и пришли к выводу, что вероятность случайного образования такого скопления равна всего лишь 0,007%. Вероятность того, что согласованность орбит была обусловлена влиянием другого тела, была намного выше. Так идея о «планете Х» получила второе рождение.

Согласно расчетам Брауна и Батыгина, «планета Х» (или «планета 9», как они назвали это потенциальное дополнение к семейству планет Солнечной системы) должна быть приблизительно в 10 раз массивнее Земли и в 5000 раз массивнее Плутона. То есть речь шла не о карлике, а о холодном и далеком мини-нептуне. Несмотря на размер, при среднем расстоянии от Солнца, равном 600 а.е., никакого влияния на центр масс Солнечной системы такая планета оказывать бы не смогла.

Постоянное гравитационное притяжение «планеты Х» должно медленно вытягивать объекты из сферы влияния Нептуна в пояс Койпера. Результатом этого процесса и стала популяция удаленных тел на согласованных сильно вытянутых орбитах.

Доступна ли «планета Х» для наблюдения? Ответ: да, доступна, но увидеть ее непросто.

Чтобы предсказать местоположение Нептуна, астрономам пришлось изучить отклонения орбиты Урана на всем ее протяжении при обращении планеты вокруг Солнца. В отличие от Нептуна, период обращения Седны и ее товарищей, движущихся по эллиптическим траекториям, составляет от 1000 до 10 000 лет, а значит, наблюдать мы можем лишь крошечную часть их орбит. Из-за этого определить точное местоположение «планеты Х» при движении по орбите не представляется возможным. Искать ее придется по всему небу, а это задача не из легких.

Существование предполагаемой «планеты Х» могло бы помочь разгадать загадку необычного расположения самых далеких карликовых миров. Но каким образом могла бы сформироваться такая планета? За исключением области у снеговой линии, где количество твердых частиц резко возрастает, плотность протопланетного диска уменьшается по мере удаления от центральной звезды. Собрать столько материала, сколько нужно для формирования планеты массой в 10 земных на расстоянии, в 20 раз превышающем расстояние от Солнца до Нептуна, чрезвычайно трудно. Возможно, «планета Х» была заброшена сюда проходящей звездой, но самое простое объяснение: ее вытолкнули наши газовые гиганты.

Если изначально «планета Х» была ядром пятого газового гиганта, она могла быть выброшена к краю системы в процессе формирования четырех его газовых собратьев. В этом случае возникает та же проблема, что и при объяснении происхождения Седны и 2012 VP 113: вытолкнутая при рассеивании планета должна обращаться по эллиптической орбите, возвращаясь в точку рассеивания. Однако «планета Х» точно не проходит вблизи области, занимаемой газовыми гигантами. Возможно, все дело в сопротивлении газа в протопланетном диске. Если «планета Х» была выброшена до того, как газ улетучился, при движении по своей новой эллиптической траектории ей пришлось бы продираться через вращающийся диск. Учитывая значительную разницу в скорости окружающего газа и самой планеты, на последнюю должна была действовать мощная сила сопротивления. В отличие от небольших Седны и Плутона, «планета Х» должна была обладать такой гравитацией, которой хватило бы, чтобы при взаимодействии с газом ее орбита снова стала круговой, несмотря на удаленность от Солнца.