Даже на фоне громких «космических» новостей начала XXI века обнаружение в Солнечной системе до сих пор неизвестной планеты стало одним из самых масштабных событий. Это небесное тело больше Земли почти вчетверо и тяжелее на порядок, оно делает полный оборот вокруг Солнца за плюс-минус 15000 лет. Значение этого открытия нам еще предстоит осознать. Константин Батыгин, один из авторов открытия, рассказал, как лакуна в картине «ближнего космоса» помогла найти неизвестное небесное тело, почему новая планета делает Солнечную систему более нормальной в масштабах Вселенной и велики ли шансы найти жизнь на других планетах.
Начнем с будущего. Сделаны расчеты, почти открыта планета — что дальше?
Теперь у нас есть хорошая теоретическая модель орбиты девятой планеты. Следующий шаг — найти ее астрономически. Мы уже начали этот проект, мы уже несколько раз были на телескопе, но все это занимает достаточно долгое время, думаю, лет эдак пять. Стратегия наша предполагает, что мы смотрим каждый месяц по одной ночи — т.е. мы используем движение Земли, чтобы найти планету астрономически. Представьте, что вы едете на машине и делаете фотографии каждые три секунды — окажется, что на фотографиях деревья, растущие вдоль дороги, смещаются быстрее, чем облака на горизонте. Этот же простой эффект позволит нам идентифицировать звезду, планету и вообще все, что ближе к нам, именно потому что оно быстрее смещается на фоне того, что вдалеке. Это первая часть.
Вторая часть — мы сделали, может быть, самый драматичный шаг в плане расчетов, но еще мы можем сделать много дополнительного. В первую очередь, «очистить» нашу модель и таким образом все точнее и точнее определять настоящую орбиту планеты №9.
Майк Браун (слева) и Константин Батыгин
А как определяется, куда и когда смотреть? Если апогелий планеты в 1200 астрономических единицах от Солнца, а перигелий в 200 а.е. [а.е. — расстояние от Земли до Солнца. — Научная Россия], если брать максимальные значения — орбита получается весьма протяженной.
Мой коллега Майк Браун (Mike Brown) [соавтор открытия — Научная Россия] больше 20 лет занимается полным сканированием неба, хотя, к сожалению, оно недостаточно глубокое, чтобы найти планету на расстоянии в 1000 а.е. Но все равно мы можем исключить около двух третей орбиты, которые ближе к нам. Мы и не ожидали, что она будет близко, потому что иначе мы бы ее уже увидели. И пусть мы пока не знаем точно, где сейчас находится планета, но уже можем выбрать ленту где-то в 10 градусов шириной, которая проходит эдакой синусоидой по небу.
Кроме того, эксцентрические орбиты так работают, что планеты очень быстро пролетают участок ближе к звезде, а вдалеке, наоборот, движутся очень медленно. Так что и чисто статистически уже можно было предсказать, что она будет скорее дальше, а не ближе.
Данные: Батыгин и Браун/Caltech; диаграмма: A. Cuadra/Science
Какие вопросы остались без ответа?
Во-первых, я хотел бы понять, как в фазовом пространстве, то есть в пространстве параметров, можно обозначить область, куда попадают все решения, способные описать имеющиеся данные. Это раз. Во-вторых, — что-то непонятное происходит в поясе Койпера между 150 и 250 а.е. Честно говоря, мы точно не понимаем, что нам говорят данные. Мы знаем, что дальше 250 а.е. все орбиты смотрят в одну сторону, они все наклонены в одной и той же плоскости, и это как раз объясняется девятой планетой. А вот между 150 и 250 а.е. происходит что-то странное — у орбит наблюдаются сходные сложные углы и в целом чисто геометрически орбиты имеют более сложную структуру. Это наш следующий шаг.
Можно ли предположить, исходя из только что сказанного, что там есть еще что-то, о чем мы пока не знаем и что задает такую сложную конфигурацию взаимного движения объектов?
Думаю, что это тоже результат влияния гравитационного поля планеты №9, и это ключ к тому, чтобы иметь не просто коллекцию решений, а чтобы найти действительно то самое верное решение. То есть это дополнительная информация, которую мы пока еще не использовали, чтобы понять точно, какова орбита.
Как вообще получилось, что вы стали двигаться в этом направлении? Как возникла идея, что в системе космических объектов есть лакуна, которую вы заполнили своей гипотезой?
В Солнечной системе дополнительной планеты просто не может существовать — вот что мы намеревались показать в самом начале. Первым толчком в нынешнем направлении стала статья 2014 года Чада Трухильо (Chad Trujillo) и Скотта Шеперда (Scott Sheppard). Они первыми заметили, что аргумент перигелия — такой странноватый угол — имеет тенденцию быть примерно одним и тем же для наиболее удаленных орбит в поясе Койпера. [Аргумент перигелия — угол между самой близкой точкой в орбите к Солнцу и так называемым узлом, т.е. местом, где орбита пересекает плоскость эклиптики. Пояс Койпера — область Солнечной системы от орбиты Нептуна (30 а. е. от Солнца) до расстояния около 55 а. е. от Солнца. Там, в частности, находится карликовая планета Плутон — Научная Россия].
Нашей первой мыслью было объяснить это галактическим эффектом или самогравитацией самого пояса, т.е. что он сам по себе достаточно тяжелый, чтобы модулировать все орбиты. За примерно год мы довели до логического конца немало объясняющих моделей. И они все дали показали, что для того, чтобы галактическая гравитация имела значение, Солнце должно быть намного ближе к центру галактики, чем оно есть. А чтобы самогравитация имела значение, локальная плотность материала в поясе Койпера должна быть где-то в сто раз больше, то есть он должен быть в сто раз тяжелее.
Какие-нибудь еще рассматривались версии, прежде чем вы перешли к доказательству того, чего не существует?
У нас была еще одна дополнительная модель, основанная на резонансе Лидова-Козаи, с Нептуном в главной роли. Она тоже, конечно, не сработала, но ее тоже долго проверяли. Идея резонанса Лидова-Козаи в том, что у некоторых орбит периодически меняется соотношение эксцентриситета и наклонения. Что интересно насчет этого резонанса, это что аргумент перигелия — вышеупомянутый странный угол — должен быть или 0, или 180 градусов. По правде сказать, теперь мы понимаем, что этот угол сгруппирован где-то в районе минус 50 градусов, но пару лет мы качали головой, мол, плюс-минус 50 — это может быть и ноль. Вообще, огромная часть нашей работы заключалась в том, что мы пробовали разные идеи, которые так ни к чему и не приводили.
И под самый конец мы решили, что попробуем то, что мы не хотели трогать — гипотезу планеты [поиски дополнительной планеты в Солнечной системе уже некоторое время считаются в астрономии, скажем вежливо, маргинальным занятием. — Научная Россия]. И было интересно, что даже самые первые, очень грубые модели, сразу начали показывать что-то, что похоже на имеющиеся данные.
Дейв Джуит [он открыл пояс Койпера. — Научная Россия] говорит, что вы работали только с шестью объектами, хотя известно, что их больше. Не окажется ли это слабым местом всей гипотезы, если мы обнаружим объект, чья орбита не соответствует всему построению?
По правде сказать, это даже весело. Дейв работает в UCLA, неподалеку от нас, и этот спор я с ним веду несколько лет, а Майк (Браун) — уже 25 лет. Ответ можно дать вполне точный. И он таков: действительно, мы работаем с маленькой статистикой. Конечно, нам хотелось бы иметь намного больше, чем шесть объектов. Но если применять математический аппарат, который был специально разработан для статистики малых чисел, то никакой проблемы нет. Даже с маленькими числами мы можем посчитать доверительные интервалы — насколько мы уверены, что мы видим реальный эффект.
Первая часть нашей статьи — это как раз статистический анализ этих данных. Мы задали сами себе вопрос: у нас есть шесть объектов, какая вероятность, что мы видим эти данные случайно? Ответ: вероятность этого составляет 0,007%. Есть примерно один шанс из десяти тысяч, что так совпало, что все орбиты смотрят в одну сторону, и то, что они наклонены в одной плоскости. То есть хотя мы концентрируемся на шести объектах, мы можем сравнить их со всеми имеющимися данными, и все данные по поясу Койпера играют роль в нашем анализе. Гравитационный эффект планеты №9 виден только для самых дальних объектов. Нам хотелось бы иметь намного больше данных, но у нас пока их просто нет. Но они будут.
Я считаю, что мы попробовали все варианты, хрестоматийные и не очень. В науке никогда нельзя утверждать, что мы попробовали абсолютно все, но никакого не проверенного альтернативного решения ни мне, ни Майку и нашим коллегам неизвестно.
Какие последствия это открытие может иметь для астрономии, астрофизики в целом?
Считаю, что планета №9 и ее, так скажем, достаточно странная орбита, — то, что делает Солнечную систему и ее планеты менее аномальными. За последние 20 лет были найдены тысячи экзопланет — планет за пределами Солнечной системы. И теперь знаем, что Солнечная система нестандартна. Круглые, четкие орбиты — редкость. Большинство планет, которые массой похожи на планеты-гиганты Солнечной системы, имеют очень эксцентричные орбиты, которые совсем не похожи на орбиты Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, но зато очень похожи на орбиту планеты №9. Я считаю, что в этом плане планета №9 дает контекст Солнечной системы в галактическом альбоме планет.
Как получилось, что Солнечная система такая необычная?
Это вопрос, над которым ученые, и я в том числе, активно работают. Я считаю, что решающую роль в том, что Солнечная система такова, как она есть, сыграл Юпитер.
Начать с того, что планеты массы Юпитера — тоже редкость. Только 5% звезд, похожих на Солнце, имеют аналоги Юпитера. Так вот, формирование Юпитера и то, что Юпитер имеет достаточно круглую орбиту, было главным ключом к дальнейшему формированию архитектуры всей Солнечной системы, которая сильно отличается от других планетарных систем.
У других ученых есть другие идеи, например, о значимости и уникальности называемой снежной линии — части Солнечной системы, за пределами которой может формироваться лед, в отличие от внутренней части, где вода испаряется. Но это абсолютно нерешенный вопрос.
То, что Солнечная система сформировалась такой, какая она есть, может иметь какое-то отношение к возникновению жизни?
Думаю, что это имеет прямое отношение к вопросу о поиске аналогов Земли. Мы знаем, что формирование Луны произошло спустя примерно 90 млн лет после формирования Солнца — и на 89 миллионов лет позднее Юпитера и Сатурна. Возможно, Юпитер забрал себе материал, который иначе мог бы привести к более быстрому возникновению Земли. В результате Земля сформировалась с тонкой атмосферой. На мой взгляд, это тоже галактическая аномалия — большинство экзопланет, даже примерно с массой Земли, имеют на порядок более массивную атмосферу. Это значит, что — если мы берем Землю как референт — жизнь не очень часто встречается в галактике.
