Чем вызваны загадочные орбиты объектов за пределами Нептуна?

По словам ученых, странные орбиты некоторых объектов в самых отдаленных уголках нашей солнечной системы могут быть объяснены объединенной гравитационной силой небольших объектов, вращающихся вокруг Солнца за пределами Нептуна.

Альтернативное объяснение так называемой гипотезе «Девятой Планеты», высказанное исследователями из Кембриджского университета, предполагает диск, состоящий из небольших ледяных тел с общей массой, в десять раз превышающей массу Земли. В сочетании с упрощенной моделью солнечной системы гравитационные силы предполагаемого диска могут объяснить необычную орбитальную архитектуру, которую демонстрируют некоторые объекты на внешних границах солнечной системы.

Хотя новая теория не первая, которая предполагает, что гравитационные силы массивного диска, состоящего из маленьких объектов, могли бы действовать как «девятая планета», это первая такая теория, которая способна объяснить существенные особенности наблюдаемых орбит, учитывая массы и гравитации других восьми планет в нашей солнечной системе. Результаты сообщаются в Астрономическом журнале.

За орбитой Нептуна находится пояс Койпера, который состоит из небольших тел, оставшихся от образования Солнечной системы. Нептун и другие планеты-гиганты гравитационно влияют на объекты в поясе Койпера и за его пределами, все вместе известные как транс-нептуновские объекты (ТНО), которые окружают Солнце почти по круговым орбитам со всех сторон.

Однако астрономы обнаружили некоторые загадочные отклонения. С 2003 года было обнаружено около 30 ТНО на высокоэллиптических орбитах: они выделяются среди остальных ТНО, обладая в среднем одинаковой пространственной ориентацией. Этот тип кластеризации не может быть объяснен нашей существующей архитектурой Солнечной системы с восемью планетами, и это привело к тому, что некоторые астрономы выдвинули гипотезу о том, что необычные орбиты могут зависеть от существования еще неизвестной девятой планеты.

Гипотеза «Девятой планеты» предполагает, что для объяснения необычных орбит этих ТНО должна быть другая планета, предположительно в десять раз более массивная, чем Земля, скрывающаяся на дальних пределах Солнечной системы, которая влияет на ТНО.

«Гипотеза «Девятой планеты» является захватывающей, но если гипотетическая девятая планета существует, она до сих пор избегала обнаружения», — сказал соавтор работы Антраник Сефилян, с факультета прикладной математики и теоретической физики. «Мы хотели посмотреть, может ли быть другая, менее драматичная и, возможно, более естественная причина необычных орбит, которые мы видим в некоторых ТНО. Мы подумали, вместо того, чтобы учесть девятую планету, а затем беспокоиться о ее формировании и необычной орбите, почему бы просто не учесть гравитацию небольших объектов, составляющих диск за пределами орбиты Нептуна, и посмотреть, что это для нас сделает?»

Исследователи смоделировали полную пространственную динамику ТНО с помощью совместного действия гигантских внешних планет и массивного протяженного диска за пределами Нептуна. Расчеты показали, что такая модель может объяснить сбивающие с толку пространственно-кластерные орбиты некоторых ТНО. В ходе этого процесса им удалось определить диапазоны массы диска, его «округлости» (или эксцентриситета) и вынужденных постепенных сдвигов в его ориентациях (или скорости прецессии), которые точно воспроизводили выделяющиеся орбиты ТНО.

«Если вы удалите девятую планету из модели и вместо этого допустите множество мелких объектов, разбросанных по обширной территории, коллективные притяжения между этими объектами могут так же легко объяснить эксцентрические орбиты, которые мы видим в некоторых ТНО», — говорят исследователи.

Более ранние попытки оценить общую массу объектов за пределами Нептуна составляли всего около одной десятой массы Земли. Однако для того, чтобы ТНО имели наблюдаемые орбиты и чтобы не было присутствия девятой планеты, модель требует, чтобы суммарная масса объектов пояса Койпера была в несколько или в десять раз больше массы Земли.

«При наблюдении за другими системами мы часто изучаем диск, окружающий звезду-хозяина, чтобы определить свойства планет на орбите вокруг нее», — говорят исследователи. «Проблема в том, что когда вы наблюдаете за диском изнутри системы, почти невозможно увидеть все это сразу. Хотя у нас нет прямых наблюдательных доказательств для диска, мы также не имеем их и для девятой планеты. Тем не менее, интересно отметить, что наблюдения аналогов пояса Койпера вокруг других звезд, а также модели формирования планет выявляют массивные популяции остатков мусора.

«Также возможно, что обе вещи могут быть правдой — это может быть и массивный диск и девятая планета. С открытием каждого нового ТНО мы собираем больше доказательств, которые могут помочь объяснить их поведение».

Antranik A. Sefilian and Jihad R. Touma. ‘Shepherding in a self-gravitating disk of trans-Neptunian objects.’ Astronomical Journal (2019). arxiv.org/abs/1804.06859