Michał Różyczka
W poszukiwaniu dziewiątej planety
Na początku XIX w. znano siedem planet. Licząc od Słońca, były to Merkury, Wenus, Ziemia, Mars, Jowisz, Saturn i Uran. Ten ostatni wyznaczał ówczesną granicę Układu Słonecznego, krążąc po orbicie o promieniu 19 j.a. (j.a. to oznaczenie równej prawie 150 mln km jednostki astronomicznej zdefiniowanej jako promień orbity Ziemi). Przełom XVIII i XIX w. był czasem tryumfów fizyki newtonowskiej, której prawa znajdowały pełne potwierdzenie w obserwowanych ruchach ciał niebieskich. Krnąbrność wobec Newtona okazywał jedynie Uran, którego rzeczywiste ruchy z upływem czasu coraz bardziej różniły się od przewidywanych.
Narowiste planety
W 1846 r. Urbain Le Verrier z Observatoire de Paris oraz John Adams z University of Cambridge założyli, że te narastające rozbieżności są grawitacyjnym tropem nieznanej planety. Podążając za nim, obliczyli jej oczekiwane położenie na niebie. We wskazanym przez nich miejscu Johann Galle z Berliner Sternwarte znalazł Neptuna. Granice wzbogaconego o jedną planetę Układu Słonecznego znacznie przesunęły się w głąb kosmosu (orbita Neptuna ma promień 30 j.a.).
Ósma planeta okazała się wkrótce niemal równie nieznośna jak Uran, co wskazywało na istnienie dziewiątej, którą w 1930 r. odkrył Clyde Tombaugh z Lowell Observatory w Arizonie. (Znacznie później okazało się, że grawitacyjny trop był
w tym przypadku zafałszowany przez błędne oszacowanie masy Neptuna, zaś o odkryciu Tombaugha przesądził w dużej mierze przypadek).
Pluton, bo tak nazwano nowego członka słonecznej rodziny, oddala się od Słońca aż na 50 j.a. Już w pierwszej połowie XX w. podejrzewano, że Układ Słoneczny na nim się nie kończy. Daleko za jego orbitą miał znajdować się rój drobnych obiektów, które od czasu do czasu trafiają w głąb Układu Słonecznego i są tam obserwowane jako komety. Z nadejściem lat 50. zaczęto z owego hipotetycznego roju wyodrębniać składową nazywaną dziś Pasem Kuipera. Związany wówczas z University of Chicago Gerard Peter Kuiper był jednym z pionierów teorii ewolucji Układu Słonecznego, zgodnie z którą planety powstały w wirującym wokół Słońca dysku gazowo-pyłowym. (Kilkadziesiąt lat później przy młodych gwiazdach rzeczywiście zaobserwowano dyski protoplanetarne, a nawet wykryto w nich ślady pozostawiane przez zarodki planet). Według Kuipera na skraju dysku wokółsłonecznego uformowały się niewielkie w porównaniu z planetami obiekty, które początkowo krążyły w pasie między 35 a 50 j.a. od Słońca, lecz szybko zostały rozproszone przez Plutona.
Jak się później okazało, Kuiper znacznie przeszacował masę Plutona i jego grawitacyjny wpływ na otoczenie, zaś noszący jego imię pas nie został rozproszony (a przynajmniej niecałkowicie). W 1980 r. dowiódł tego Julio Fernández z Observatorio Astronómico Nacional w Hiszpanii, wykazując matematycznie, że niektóre komety pochodzą z okolic orbity Plutona. Na obserwacyjną weryfikację jego rachunków przyszło jednak czekać aż do 1992 r. Poszukiwania prowadzone przez Davida Jewitta z University of Hawaii i Jane Luu z University of California w Berkeley zaowocowały wtedy odkryciem planetki o średnicy ok. 100 km, która krąży po orbicie biegnącej w niemal idealnej zgodzie z teorią Kuipera.
O nieszczęsnym Plutonie
Lista ciał znalezionych w Pasie Kuipera zawiera dziś ok. 3000 pozycji i wydłuża się niemal z każdym dniem. Gdy zaczęły pojawiać się na niej obiekty niewiele mniejsze od Plutona, astronomowie stanęli przed wyborem: albo nadal uznawać go za planetę (co skłaniałoby do nadania takiego samego statusu jego sąsiadom i oznaczałoby zwiększenie liczby planet do kilkudziesięciu, a w dalszej perspektywie być może nawet do kilkuset), albo go zdetronizować (co wiązałoby się z koniecznością wprowadzenia poważnych zmian w klasyfikacji ciał krążących wokół Słońca). Oba rozwiązania znalazły zwolenników i w środowisku astronomicznym rozgorzały zacięte spory. Oliwy do ognia dolali Michael Brown z California Institute of Technology, Chadwick Trujillo z Gemini Observatory na Hawajach i David Rabinovitz z Yale University, znajdując obiekt – jak się wówczas wydawało – większy od Plutona. Dyskusja nabrała wtedy takiej temperatury, że głos postanowiła zabrać Międzynarodowa Unia Astronomiczna. Na jej XXVI kongresie, zwołanym w sierpniu 2006 r. w Pradze, sprawę przesądzono na niekorzyść Plutona. Wraz z obiektem odkrytym przez zespół Browna trafił on do nowo wprowadzonej klasy planet karłowatych. Od tej pory Układ Słoneczny znów liczy oficjalnie osiem planet, z których najdalszą od Słońca jest Neptun.
Sam Brown zyskał przydomek planet killer (zabójca planet), co wykorzystał w tytule wydanej w 2010 r. książki „How I Killed Pluto and Why It Had It Coming” („Jak sprzątnąłem Plutona i dlaczego mu się to należało”). Dla upamiętnienia tej burzliwej historii odkrytą przez jego zespół planetę karłowatą
nazwano imieniem Eris – greckiej bogini niezgody. Według najnowszych pomiarów jest ona odrobinę mniejsza od Plutona, ale za to ma o 30 proc. większą masę.
Ciała krążące poza orbitą Neptuna określa się dziś terminem „obiekty transneptunowe” (transneptunian objects, w skrócie TNO). Sam Neptun odgrywa w tym tłumie rolę kosmicznego pastucha, który grawitacyjnym batem popędza lub powstrzymuje drobne obiekty i przegania je z orbity na orbitę. Dany TNO słucha go tym gorliwiej, im bardziej może się do niego zbliżyć, i tym mniej chętnie, w im większej odległości go mija. Obiekt odkryty przez Browna, Trujillo i Rabinovitza w nocy z 14 na 15 listopada 2003 r., i na cześć inuickiej bogini morza nazwany Sedna, mijał orbitę Neptuna w odległości 45 j.a., dzięki czemu był praktycznie nieczuły na jego grawitację. Ponadto mógł oddalać się od Słońca na prawie 1000 j.a., co wprawiło odkrywców w niemałą konsternację. „Gdy jakiś niewielki obiekt znajdzie się dostatecznie blisko Neptuna – napisał na swoim blogu Brown – może dostać tak silnego kopniaka grawitacyjnego, że wyląduje daleko za Pasem Kuipera. Znalazłszy się tam, musi jednak zawrócić i ponownie spotkać się z Neptunem. Ale Sedna nigdy nie zbliża się do Neptuna! Co w takim razie wykopało ją na tę zwariowaną orbitę?!”.
O związkach Sedny
W pracy opublikowanej w 2004 r. zespół Browna naszkicował trzy możliwości. Pierwsza: Układ Słoneczny zawiera nieznaną planetę, która steruje ruchami Sedny w taki sam sposób, jak Neptun ruchami ciał w Pasie Kuipera. Druga: w bliżej nieokreślonej przeszłości któraś z sąsiednich gwiazd zbliżyła się do Słońca i zaburzyła skraj Pasa Kuipera, „wyciągając” z niego Sednę. I możliwość trzecia: Słońce powstało w uformowanej wraz z nim gromadzie gwiazdowej (w takich hurtowych narodzinach gwiazd nie ma nic niezwykłego – są wręcz kosmicznym standardem). Zanim jego rodzeństwo rozproszyło się w Drodze Mlecznej, wymierzyło Sednie mnóstwo drobnych kopniaczków, które skumulowały się i przeniosły ją na obecną orbitę.
Każdej z tych hipotez miał odpowiadać inny ślad zaszyfrowany w ruchach obiektów unikających Neptuna równie skutecznie jak Sedna. Niestety takich obiektów jeszcze nie znano. Dopiero w 2014 r. Trujillo i Scott Sheppard z Carnegie Institution for Science donieśli o odkryciu planetki, która mijała orbitę Neptuna w odległości 50 j.a. Ale nie tylko to łączyło ją z Sedną: okazało się, że orbity obu tych ciał mają intrygującą wspólną cechę (niestety zbyt techniczną, by dała się prosto opisać). Co więcej, Trujillo i Sheppard wykryli tę samą cechę u kilku obiektów, które wprawdzie trafiają w zasięg Neptuna, ale tylko na krótko, zaś większość czasu spędzają daleko za Pasem Kuipera. Tej koincydencji nie udało im się objaśnić oddziaływaniem Neptuna, co mogło oznaczać, że wpadli na grawitacyjny trop ciała o rozmiarach sporej planety. Taka też była konkluzja ich pracy, w której podali przypuszczalną masę tropionego obiektu (kilka mas Ziemi) i możliwy promień jego orbity (250 j.a.).
W 2015 r. na scenie ponownie pojawił się Brown, który zakwestionował hipotezę Trujillo i Shepparda i postanowił wykazać jej absurdalność. Tym razem towarzyszył mu zatrudniony również w CalTechu Konstantin Batygin – młody i wyjątkowo zdolny specjalista od komputerowych symulacji Układu Słonecznego. Doświadczony obserwator i błyskotliwy teoretyk stworzyli świetnie uzupełniający się zespół, który od razu dostrzegł coś, co umknęło uwadze poprzedników. Pod działaniem znanych planet orbity ciał wybiegających daleko poza Pas Kuipera powinny ułożyć się w strukturę przypominającą gęstą koronę kwiatu stokrotki. Korona odtworzona na podstawie obserwacji była jednak silnie zniekształcona – wyglądała, jakby płatki z trzech czwartych jej obwodu zostały wyskubane i przeniesione do pozostałej jednej czwartej. Rachunki prowadzone miesiącami przez Batygina dowiodły, że źródłem tej anomalii jest najprawdopodobniej planeta o masie wynoszącej 5–15 mas Ziemi, którą roboczo nazwano Planetą Dziewięć (Planet Nine). Pokonany własną bronią Brown nie tylko przyznał rację Trujillo i Sheppardowi, lecz z prześladowcy Planety Dziewięć stał się jej gorliwym zwolennikiem.
O płatkach stokrotki
Oba zespoły rozpoczęły systematyczne poszukiwania, które doprowadziły do odkrycia kilkunastu obiektów dobrze pasujących do obrazu „wyskubanej stokrotki”. Niestety, sama Planeta Dziewięć nadal wymyka się obserwatorom. Powody ku temu są dwa. Po pierwsze – tor jej ruchu na tle gwiazd można wyznaczyć w miarę dokładnie, ale jej położenie na tym torze pozostaje niewiadomą. Szukać trzeba zatem w dość szerokim pasie ciągnącym się przez całe niebo. Po drugie – z uwagi na dużą odległość od Słońca musi ona świecić bardzo słabo, być może nawet zbyt słabo jak na możliwości istniejących teleskopów naziemnych (teleskop Hubble’a do takich obserwacji się nie nadaje ze względu na bardzo małe pole widzenia). Nadzieję na postęp w badaniach budzi przystosowany do szybkiego przeszukiwania dużych obszarów nieba teleskop LSST (Large Synoptic Survey Telescope), o którym pisaliśmy w POLITYCE 13/10 i który ma rozpocząć pracę w przyszłym roku.
Tymczasem wyniki Browna i Batygina potwierdził Alessandro Morbidelli z Observatoire de la Côte d’Azur, uważany powszechnie za wyrocznię w sprawach dynamiki i historii układów planetarnych. Mało tego – pokazał, że obecność Planety Dziewięć tłumaczy wiele trudnych do wyjaśnienia szczegółów budowy Układu Słonecznego, które z pozoru nie mają nic wspólnego z obiektami krążącymi na jego peryferiach. Wprawdzie ciągle nie da się wykluczyć, że grawitacyjny trop Planety Dziewięć jest fałszywy, choć im więcej wiadomo o populacji TNO, tym mniej wydaje się to prawdopodobne. Jej odnalezienie nie tylko byłoby kolejnym wielkim sukcesem klasycznej fizyki, lecz pozwoliłoby odtworzyć zamierzchłe dzieje Układu Słonecznego. Ze względu na powolność procesów toczących się na jego peryferiach TNO są bowiem dla astronomów tym, czym prekambryjskie skamieniałości dla paleontologów.