В январе 2016 года мир облетела новость об открытии девятой планеты Солнечной системы. Майкл Браун и Константин Батыгин нашли признаки ее существования в движении малых тел на окраине нашего космического дома. Однако практика показывает, что от первых подозрений до настоящего открытия иногда проходят десятилетия. Очень часто поиск гипотетических планет и вовсе заканчивается тупиком.

  Людям почему-то очень хочется, чтобы в Солнечной системе была еще одна планета. Для астрономов поиски планет всегда были еще и вопросом престижа, ибо ученый, открывший новую планету, гарантированно вписывает свое имя в историю науки, причем большими золотыми буквами. В истории астрономии нередки случаи, когда это желание перерастало в уверенность, порой безосновательную, но настолько сильную, что гипотетическим планетам заранее придумывали имена и организовывали специальные кампании по их поиску.

  Уран и Нептун

Первым стимулом для поисков новой планеты в Солнечной системе стало открытие Урана. В марте 1781 года английский астроном Вильям Гершель заметил в созвездии Тельца движущееся пятно, которое на поверку оказалось новым членом Солнечной системы. Уран стал первой планетой, открытой при помощи телескопа. Да и вообще просто открытой, ведь обо всех планетах, известных до Урана, человечество знало «всегда».

Принято писать, что следующую планету, Нептун, «обнаружили на кончике пера». Поводом для его поисков стали особенности в движении Урана, необъяснимые при помощи ньютоновского тяготения и требовавшие наличия внешнего возмущающего тела. Эти особенности, впервые отмеченные еще в 1783 году петербуржским ученым Андреем Лекселем, позволили французскому астроному Урбену Леверье (и с меньшей точностью англичанину Джону Адамсу) предсказать положение «возмутителя». Леверье послал письмо с координатами Иоганну Галле в Берлинскую обсерваторию, и тот в ночь с 23 на 24 сентября 1846 года, буквально через несколько часов после получения письма Леверье, обнаружил Нептун почти точно в предсказанном месте.

Открытие Нептуна считается классической демонстрацией предсказательной силы теории тяготения Ньютона и одним из ее «триумфов», хотя в этом триумфе есть и пара ложек дегтя. И Леверье, и Адамс оценивали большую полуось орбиты гипотетической планеты по правилу Тициуса-Боде, а реальный Нептун (как выяснилось после его открытия) в это правило не вписывается. В результате орбиты, вычисленные обоими учеными, сильно отличались от фактической орбиты Нептуна… за исключением той ее части, на которой Нептун находился в 40-е годы XIX столетия. Поэтому в этой истории присутствует элемент везения.

В том же XIX веке развернулись поиски еще одной гипотетической планеты, Вулкана, которая должна была заполнить собой пробел между Меркурием и Солнцем. С 1826 по 1843 год ее искал немецкий астроном Генрих Швабе (планету он так и не нашел, но зато первым обнаружил цикличность солнечной активности). В 1860-е годы в движении Меркурия нашлись несоответствия с ньютоновской теорией тяготения, и интерес к поискам Вулкана возродился, но в начале XX века снова угас, когда эти нестыковки удалось объяснить в рамках общей теории относительности.

Реальное расположение орбит шести далеких ТНО и предполагаемое расположение орбиты девятой планеты по данным расчетов Брауна и Батыгина Чтобы планета № 9 могла выровнять орбиты ТНО, ее собственная орбита должна быть вытянута в противоположную сторону. Голубым цветом показаны орбиты объектов пояса Койпера, перпендикулярные плоскости эклиптики, которые случайно также получили объяснение в рамках модели Брауна-Батыгина.

  Плутон

  Открытие Нептуна стимулировало новые поиски: казалось, что в движении Урана и Нептуна остались необъясненные невязки. Но поиски не принесли результата. Точнее, транснептуновую планету, как и Вулкан, обнаруживали много раз, но она всегда оказывалась либо звездой с неверно определенными координатами, либо вообще призраком. В 1905—1906 годах к проблеме подключился американский астроном Персиваль Ловелл, который провел теоретические расчеты и организовал наблюдения в обсерватории во Флагстаффе (Аризона). Анализируя расхождения между реальными и вычисленными положениями Урана, он получил вытянутую орбиту со значительным эксцентриситетом (0,2), большой полуосью около 45 а.е. и наклонением к плоскости эклиптики около 10 градусов. Анализ движения Урана позволил Ловеллу предсказать текущее положение планеты и ее массу, которую он оценил примерно в пять масс Земли.

  Поиски, инициированные Ловеллом, были весьма интенсивными, но найти планету удалось лишь в 1930 году, через 14 лет после смерти Ловелла — главным образом благодаря исключительной старательности астронома Клайда Томбо. Дело в том, что новая планета, названная Плутоном, хоть и была открыта всего в 6 градусах от предсказанного Ловеллом места, оказалась существенно более тусклой, чем ожидалось. И первая радость от открытия вскоре сменилась сомнениями. Столь тусклое и, следовательно, маломассивное тело, как Плутон, вряд ли могло быть причиной сильных отклонений в движении Урана. Впрочем, через некоторое время выяснилось, что кажущиеся возмущения в движении Урана связаны с неточностью расчетов.

  Пояс Койпера

  Плутон не очень-то похож на другие планеты. Он мал (меньше Луны) и вращается по сильно вытянутой орбите, наклоненной под довольно большим углом к плоскостям орбит других планет. Но в 1930-е годы это не казалось чем-то особенным. Однако в середине XX века начали складываться современные представления о формировании Солнечной системы из газо-пылевого облака, и в рамках этих представлений за орбитой Нептуна вполне могли сохраниться неизрасходованные остатки строительного материала.

  Первый открытый транснептуновый объект (ТНО) с невыразительным именем 1992 QB1 и поперечником в 150 км вполне подходил под описание строительного мусора. Однако за первым последовали второй, третий, да и размеры становились все крупнее: 300, 500, 1000 км. И вот, наконец, в 2005 году группа под руководством Майкла Брауна из Калифорнийского технологического института открыла в поясе Койпера объект 2003 UB313, сравнимый по размерам с Плутоном. Стало ясно, что если мы называем планетой Плутон, то и 2003 UB313 также должен считаться планетой. В 2006 году для разрешения противоречия Международный астрономический союз принял официальное определение, согласно которому ни Плутон, ни 2003 UB313 планетами не являются. Это решение многие астрономы приняли в штыки, а объект 2003 UB313, послуживший причиной разногласий, получил имя древнегреческой богини раздора — Эрида. Однако спустя десять лет со дня исключения Плутона из числа планет, пожалуй, всем ясно, что он, независимо от титула, является всего лишь одним из многих тел пояса Койпера.

Объекты в поясе Койпера (их известно менее двух тысяч) можно разделить на несколько групп. Первая — это ТНО классического пояса Койпера (например, 1992 QB1), которые имеют наклоненные под небольшими углами к эклиптике «планетные» (почти круговые) орбиты с большой полуосью не более 50 а.е. Вторая группа, резонансные ТНО — это астероиды, находящиеся в резонансе с Нептуном. Самый известный пример — «плутино», в честь Плутона, который находится с Нептуном в резонансе 2:3 (то есть совершает ровно два оборота за то время, что Нептун совершает три). Резонансные объекты, как правило, не удаляются от Солнца более чем на 50 а.е. Третий тип — это объекты рассеянного диска, типа Эриды, которые под действием возмущений планет-гигантов, прежде всего Нептуна, приобрели очень вытянутые орбиты, часто наклоненные под большими углами к плоскости эклиптики, с афелиями в сотнях а.е. от Солнца.

  До 2003 года структуру пояса Койпера в целом удавалось объяснить взаимодействием остатков строительного мусора Солнечной системы с известными планетами-гигантами. А потом Майкл Браун с коллегами открыли ТНО, позже получивший имя Седна. Особенность Седны состоит в очень большом перигелии — 76 а.е. Это означает, что она даже в ближайшей к Солнцу точке орбиты не попадает в зону гравитационного влияния планет-гигантов. Как же она вообще оказалась на такой орбите?

  Пока Седна пребывала в одиночестве, ее наличие не казалось особой проблемой — как и в свое время наличие Плутона: мало ли что могло случиться с одним объектом? Седна могла быть «выдернута» из внутренних областей Солнечной системы, а то и вовсе перейти к нам из другой планетной системы при сближении с другой звездой на ранних этапах эволюции. К тому же предполагается, что в Солнечной системе есть существенно более далекий «резервуар» тел — гипотетическое облако Оорта, из которого приходят долгопериодические кометы. Седну можно считать и его представителем.

  Компания для Седны

  В 2014 году Чедвик Трухильо и Скотт Шепард сообщили об открытии второго ТНО с экстремально большим перигелийным расстоянием в 80 а.е. Можно было бы, конечно, и его приписать к облаку Оорта, но Трухильо и Шепард обратили внимание на то, что орбиты Седны и 2012 VP113 сходным образом наклонены относительно эклиптики. Более того, если выбрать среди известных ТНО объекты на вытянутых орбитах с большими полуосями больше 150 а.е., все они будут ориентированы примерно так же! Трухильо и Шепард предположили, что это может иметь общую причину: наличие в Солнечной системе еще одной планеты с массой в несколько масс Земли на расстоянии 200−300 а.е. от Солнца. Поскольку такие конфигурации, единожды возникнув, быстро разрушаются, речь должна идти именно о каком-то постоянно действующем факторе.

 Предположение Трухильо и Шепарда всколыхнуло умы исследователей: еще бы, на горизонте вновь забрезжило эпохальное открытие! Планету на таком расстоянии вполне можно обнаружить непосредственно, знать бы только, где примерно искать. Начали появляться самые разнообразные предположения: начиная с того, что планет несколько, и заканчивая тем, что новой планеты нет, а закономерности в движениях далеких ТНО порождаются гравитационными взаимодействиями внутри самого пояса Койпера.

 Наиболее успешной в череде объяснений оказалась работа Майкла Брауна и Константина Батыгина. Они выделили из всех далеких ТНО шесть объектов, заведомо не испытывавших возмущений со стороны Нептуна. Оказалось, что орбиты выбранных объектов не просто одинаково развернуты относительно эклиптики, но и в целом вытянуты в пространстве примерно в одну сторону. Потом Брауна и Батыгина критиковали за это решение, поскольку они как будто бы выкинули из полной выборки те объекты, параметры которых объяснить не удалось. Но, с другой стороны, действительно, все далекие ТНО, за исключением Седны и 2012 VP113, могли попасть под влияние Нептуна. В этом смысле выглядит вполне оправданным стремление использовать для оценки влияния девятой планеты только те тела, для которых это влияние проявляется в чистом виде.

 Затем ученые при помощи численной модели исследовали, способно ли действие одной далекой планеты объяснить совокупные параметры выбранной шестерки объектов. Попытка оказалась удачной. Браун и Батыгин обнаружили, что в их модели «новая» планета действительно выстраивает некоторые ТНО в наблюдаемую конфигурацию. Мало того, выяснилось, что ее воздействием можно объяснить появление еще одной группы тел Солнечной системы — астероидов пояса Койпера на сильно наклоненных орбитах — почти перпендикулярных эклиптике. Поскольку изначально задачу описать происхождение «перпендикулярных» астероидов Браун и Батыгин перед собой не ставили, этот нечаянный результат они считают мощным доказательством в пользу жизнеспособности их модели.

 К сожалению, модель Брауна и Батыгина дает довольно расплывчатые предсказания относительно орбиты неизвестной планеты. Они исследовали возможные орбиты с большими полуосями от 400 до 1500 а.е. и с эксцентриситетами от 0,6 до 0,8 и почти везде получили удовлетворительный результат. Не удалось существенно ограничить и наклонение планетной орбиты. Это печально: чем точнее известны параметры орбиты, тем точнее можно навести телескоп. А ведь новая планета, если она существует, не отличается особой яркостью. На таком расстоянии увидеть отраженный ею солнечный свет вряд ли получится. Скорее можно рассчитывать на собственное инфракрасное излучение планеты.

Увидеть в прицел

 В настоящее время рассматривается несколько возможностей обнаружить планету в наблюдениях. Во-первых, ее можно найти, просто систематически сканируя небо. Из существующих инструментов для этой цели наиболее подходит японский телескоп «Субару», установленный на Гавайских островах (США). Его 8,2-метровое зеркало позволяет наблюдать даже тусклые объекты, при этом размер поля зрения одной из инфракрасных камер телескопа равен полутора градусам, что позволяет за одну экспозицию получать снимок большого участка неба — крайне ценное качество для поисковых задач. А через несколько лет ожидается ввод в строй специального поискового телескопа LSST, который будет методично просматривать все небо и сумеет найти планету, если «Субару» к тому времени еще не преуспеет. Не исключено также обнаружение планеты, например, в космологических обзорах будущего.

 Второй способ ускорения поисков состоит в том, чтобы попытаться найти признаки влияния планеты на другие тела Солнечной системы — на кометы и даже на большие планеты. Например, благодаря зонду «Кассини» мы теперь гораздо лучше знаем параметры орбиты Сатурна. Уже опубликована попытка существенно сузить диапазон поисков девятой планеты по данным «Кассини», указав области небосвода, где ее точно быть не может.

 В любом случае пока речь не идет об открытии новой планеты. Фактически мы находимся сейчас в ситуации 1846 года, когда невязки в движении Урана заставили заподозрить наличие в Солнечной системе еще одной планеты. И конечно, Леверье в голову не пришло бы до 24 сентября 1846 года рассказывать всем, что он открыл новую планету. Не исключено, что и дальше нас ожидает повторение уже пройденных однажды противоречий. Например, можно ли будет считать, что планету открыли Браун с Батыгиным, если ее обнаружит автоматика LSST, которая нашла бы ее и без опубликованного предсказания? Даже если планета будет найдена в результате целенаправленного поиска на «Субару», не следует ли считать ее «авторами» Трухильо и Шепарда? Впрочем, и вопросы приоритета решать придется только после реального открытия. Сейчас же нам остается только ждать, пока в очередной раз кто-то не заметит, что среди густой звездной россыпи есть одна невнятная точка, которая на нескольких последовательных снимках чуть-чуть сползла в сторону. И тогда планетологам придется решать вопрос, а откуда, собственно, в Солнечной системе взялась планета на таком расстоянии от Солнца? Но это будет уже совсем другая история.

Кеплеровы элементы эллиптических орбит

 Эксцентриситет характеризует форму орбиты: чем он больше, тем эллипс более вытянут (0 — окружность, 1 — парабола). Большая полуось — это половина максимального поперечника эллипса. Наклонение — угол между плоскостью орбиты тела и плоскостью эклиптики. Если он более 90 градусов, тело движется «навстречу» движению планет. Восходящий узел — это точка перехода тела по орбите через плоскость эклиптики из «нижней» половины Солнечной системы в «верхнюю» (в которую обращен Северный полюс Земли). Поворот плоскости орбиты относительно звезд описывается долготой восходящего узла — углом между направлениями на восходящий узел и на точку весеннего равноденствия (сейчас она находится в созвездии Рыб). Ориентация орбитального эллипса в плоскости орбиты тела характеризуется аргументом перигелия — углом между направлениями на восходящий узел и на перигелий. Истинная аномалия указывает положение тела на орбите, это угол между направлением на перигелий и на тело.

Автор — заведующий отделом физики и эволюции звезд Института астрономии РАН (ИНАСАН)

источник