Почему учёные считают, что Девятой планеты не существует

Представление художника о Девятой планете, как о ледяном гиганте, затмевающем центр Млечного пути, с изображённой на фоне солнцеподобной звездой. Орбита Нептуна показана как небольшой эллипс вокруг Солнца.

Прошло почти три года с момента появления одного из наиболее интересных предположений, касающихся нашего собственного космического двора: что далеко за пределами орбиты Нептуна в нашей Солнечной системе может существовать ещё одна планета, ещё более массивная, чем Земля. В отличие от крохотных миров, обнаруженных ранее в поясе Койпера, типа Плутона или Эриды, это может быть мир больше Земли, с массой, вероятно, в десять раз превышающей земную, и отвечающий за придание видимым нам объектам странных орбит.

Как предположили Константин Батыгин и Майкл Браун, в пользу её существования должны говорить дополнительные доказательства, некоторые из которых начали проявляться. Однако большая часть учёных не согласна с этими доказательствами. Они утверждают, что эти данные предвзяты. И если учесть это, то никакая Девятая планета уже не нужна.

Выравнивание по широте и долготе эклиптики многих транснептуновых объектов (ТНО) с самым долгим периодом обращение может оказаться совпадением, результатом предвзятых наблюдений или признаком нового физического явления.

Пояс Койпера служит домом крупнейшему скоплению удалённых объектов из всех обнаруженных нами. При их изучении можно было бы ожидать случайной ориентации их орбит, наклон и точки минимального приближения должны быть одинаково распределены во всех направлениях.

Однако орбиты наиболее далёких объектов, согласно имеющимся наблюдениям, сдвинуты в одном определённом направлении, и наклонены в одном направлении. Если бы так вели себя один-два объекта, это можно было бы списать на случай, но у нас таких объектов шесть; шансы на случайное совпадение примерно равны 0,0001%. Астрономы Константин Батыгин и Майкл Браун предложили новую радикальную теорию: существование сверхудалённой девятой планеты, массивнее Земли, но легче Урана и Нептуна, которая выбрасывает эти объекты на их новые орбиты.

Орбиты известных седноидов, совместно с предполагаемой Девятой планетой. В далёком будущем Девятая планета, чьё существование очень спорно, не сможет прогреться достаточно для того, чтобы стать обитаемой, даже если Солнце превратится в красного гиганта.

У этой потрясающей идеи, если она подтвердится, будет несколько интересных последствий. В частности, должно будет выполняться следующее:

• Должно появиться избыточное число объектов, орбиты которых сильно растянутся из-за гравитационных взаимодействий.
• Орбиты и орбитальные плоскости этих объектов под влиянием Девятой планеты будут наклонены определённым образом.
• Должно существовать небольшое, но ненулевое скопление объектов, орбиты которых строго противоположны орбитам этой избыточной популяции.
• Должна существовать и сама Девятая планета, ожидающая открытия.

Батыгин и Браун с появлением дополнительных исследований указывали на некоторые объекты – один тут, другой там, ещё пара в следующей работе – как свидетельства первых трёх пунктов. Но Девятая планета пока ускользает от прямого наблюдения.

Необычно близко расположенные орбиты шести из наиболее удалённых объектов пояса Койпера, обнаруженные в 2016 году, могут говорить о существовании девятой планеты, чья гравитация влияет на их движение.

И это не так уж удивительно! Даже если бы Девятая планета была реальной и большой, она была бы чрезвычайно тусклой, находясь на предсказанном расстоянии от Солнца. Вы могли бы решить, что если она в десять раз дальше Урана и имеет примерно схожий размер, она должна быть всего в 100 раз менее яркой, поскольку яркость обратно пропорционально квадрату расстояния. Но с нашей точки зрения солнечный свет страдает от этой проблемы дважды: солнечный свет, достигший такого удалённого мира, будет в 100 раз тусклее, чем свет, дошедший до более близкого мира, а потом он ещё и отражается, в результате чего ему приходится пройти в два раза больший путь, прежде чем он достигнет Земли. И вместо убывания по закону 1/r2, по сути видимый нами свет убывает, как 1/r4, из-за чего такой далёкий мир невероятно сложно увидеть.

Очень тусклые объекты можно обнаружить при специальном наблюдении, но найти небольшой, тусклый и удалённый объект Солнечной системы ещё сложнее из-за проблемы отражённого солнечного света. Если объект находится в два раза дальше другого, свет должен пройти до него в два раза большее расстояние, что значит, что объекта достигнет лишь 1/4 света, а затем он должен вернуться назад, пройдя в два раза большее расстояние, что даёт 1/16 оригинальной яркости. Отношение 1/r4 для яркости в данном случае имеет катастрофические последствия.

С теоретической точки зрения эта идея гениальна. Всегда очень интересно наблюдать за тем, как можно объяснить большой набор наблюдений, не имеющих смысла сами по себе, при помощи единственного нового объекта. Но, как и в случаях со многими гениальными идеями, сохраняется возможность того, что она окажется ложной. Из того, что шесть сверхдальних объектов ведут себя немножечко необычно, не следует, что там нет шести миллионов сверхдальних объектов, ведущих себя совершено нормально – но мы их пока ещё не видели.

Короче говоря, нам надо убедиться, что наблюдаемые нами свидетельства характерны для существующих там объектов – и на этом месте идея спотыкается.

Сжатое изображение всего неба, видимого с Гавайской обсерватории Pan-STARRS1, получено из полумиллиона отдельных кадров, с выдержкой по 45 секунд. Однако наблюдения, из которых были взяты данные по Девятой планете, не так равномерно распределены по небу.

Пока что приходится полагаться на непрямые свидетельства, выдвинутые Батыгиным и Брауном. Всего они заявили о десяти объектах, совпадающих с их предсказаниями. Это впечатляет, и представляет собой улучшение по сравнению с оригинальными шестью.

Однако они не использовали данные с обзоров всего неба для поисках этих объектов: подобные обзоры (как, например, Pan-STARRS) не заглядывают достаточно глубоко. Транснептуновые объекты и их странные орбиты, за которые отвечала бы Девятая планета, должны быть расположены в определённом месте неба. Если вы хотите найти эти объекты, есть определённые места, в которых их надо искать.

Сравнение орбиты 2015 RR245 с газовыми гигантами и другими известными объектами пояса Койпера. Отметьте, что в связи с движением Земли вокруг Солнца картина меняется из-за погоды, сезонов и видимых частей неба. В результате картина наблюдений может искажаться.

И это нормально, но теория Батыгина-Брауна основывается не просто на факте существования этих объектов, но на том, что они существуют, и их скопление вряд ли случайно.

Но какова на самом деле вероятность такого скопления? Она сильно зависит от пары факторов, например, где именно вы делаете наблюдения, и с какой чувствительностью. Если большую часть времени вы смотрите туда, где ожидаете найти скопление объектов, конечно же, вы найдёте их больше; вы просто дольше туда смотрите и в целом обнаружите там больше всего. Это не значит, что происходит что-то необычное, типа необычного скопления.

На самом деле, существует большая вероятность того, что там не происходит ничего необычного; скорее всего, вы стали жертвой предвзятости наблюдения.

Существующие технологии позволяют найти очень тусклые, очень холодные или медленно движущиеся объекты, но всё зависит от того, чтобы искать их в тех местах, где эти объекты находятся достаточно долго. На фото – миссия WISE находит редкую, ультрахолодную карликовую звезду, которая отмечена красным. Этот способ поисков Девятой планеты может быть не лучшим вариантом.

Десять объектов, определённые Батыгиным и Брауном, определены по результатам различных наблюдений различной глубины, и, что важно, при этом ни разу не оценивался возможный эффект предвзятости наблюдения. Представьте, что у вас есть телескоп, расположенный близ экватора Земли, и каждую ночь вы смотрите на ночное небо, пытаясь рассмотреть как можно больше и как можно глубже. Если у вас будет чистое и тёмное небо с хорошей видимостью 365 дней в году, вы сможете в равной мере изучить всё небо. Однако такого не бывает. Вместо этого:

• Некоторые периоды в году сильнее подвержены влиянию плохой погоды.
• В некоторые периоды чаще встречается атмосферная турбулентность и плохие условия.
• Некоторые части неба, например, галактическая плоскость, загрязнены, и не позволяют обнаружить ТНО.

И так далее. Суть в том, что если вы отдаёте предпочтение двум определённым участкам неба, где, как вы ожидаете, должны скапливаться объекты, вы обнаружите там скопление объектов. Возможно, вы находите их просто потому, что ищете.

Трёхмерные орбиты объектов из пояса Койпера, на которые влияет Девятая планета. Как сказал Майкл Браун: «Удалённые объекты с орбитами, перпендикулярными солнечной системе, были предсказаны гипотезой Девятой планеты. А потом найдены пять минут спустя». Однако их могли найти только потому, что в этой области существуют хорошие данные.

Разумеется, команда Батыгина и Брауна на сегодня открыла уже 10 объектов, демонстрирующих скопление. Но являются ли они свидетельствами в пользу существования Девятой планеты?

Существует прямолинейный способ проверить реальность эффекта: провести специальное наблюдение, лишённое этой предвзятости, или, хотя бы, численно его оценивающее. Сейчас проходит крупное наблюдение за мирами за пределами Нептуна в Солнечной системе: Outer Solar System Origins Survey (OSSOS). В его рамках уже обнаружено более 800 объектов, причём поиск проводился в четырёх определённых участках неба в течение четырёх лет. (Столько времени уходит на поиски ощутимого движения и измерения орбитальных параметров миров, так сильно удалённых от Солнца!) И из сотен этих объектов восемь имеют свойства долгой периодичности, свидетельствующие в пользу или против Девятой планеты.

Из всех долгопериодических транснептуновых объектов, обнаруженных в исследовании OSSOS, лишь один (отмечен синим) обладает параметрами, совпадающими с теорией Батыгина/Брауна.

Результаты определённые и неутешительные. До исследования проводились симуляции, с наличием или при отсутствии массивной девятой планеты за пределами Нептуна, из которых следует, какие результаты должны говорить в пользу существования планеты, а какие – против. Вот что было обнаружено для восьми таких объектов:

• У восьми открытых OSSOS объектов орбиты расположены под различными углами.
• Наблюдаемые орбиты статистически совпадают со случайными.
• OSSOS не обнаружил закономерностей предыдущей выборки.
• Один из объектов движется под нужными углами к двум предполагаемым скоплениям.
• Орбиты не так сильно сближены.

В теории, Девятая планета была бы похожей на экзопланету 55 Рака e, радиус которой примерно в два раза больше, чем у Земли, а масса больше примерно в восемь раз. Но новое исследование отвергает существование такого мира во внешней Солнечной системе.

Что самое важное, их открытия соответствовали тому, что Девятой планеты нет, и что доводы за её существование были ослаблены их исследованием. В частности, скопления ориентаций орбит в космосе (определяемое многими переменными, ? и ?), замеченное в ранних исследованиях, например Батыгина с Брауном и Трухильо с Шепардом, просто не существует в этом новом, непредвзятом исследовании.

В выборке OSSOS мы не обнаружили никаких свидетельств для скопления ?, бывшего основой гипотезы наличия дополнительной планеты.

Авторы этого исследования от 2017 года предполагают, что предыдущее исследование склонялось в пользу существования такого мира из-за предвзятости наблюдения. Однако тщательное определение предвзятости, обнаруженной в исследовании OSSOS, поясняет, откуда взялись эти корреляции и почему их не видно в новых данных:

Мы предполагаем, что это скопление явилось результатом комбинации предвзятости наблюдения и статистики по небольшой выборке, хотя мы не можем проверить это без публикации характеристик наблюдений, обнаруживших эти ТНО.

Распределение объектов рассеянного диска, к которым вручную добавлен объект 2015 RR245. Пока у нас не будет более глубокого и непредвзятого наблюдения большого количества объектов из пояса Койпера, мы неизбежно будем делать предвзятые выводы о том, что находится за пределами возможностей наших наблюдений.

Конечно, этого исследования недостаточно для опровержения гипотезы Девятой планеты; она всё равно может существовать. В качестве контраргумента Майкл Браун предположил, что иная стратегия наблюдений может стать определяющий, а OSSOS просто был не очень подходящим наблюдением для поиска Девятой планеты. Однако, как гласит пословица, «дыма без огня не бывает», то есть у наблюдаемого эффекта должна быть какая-то причина.

Если вы внезапно обнаружили, что то, что принимали за дым, является лишь плодом вашего воображения, это не означает, что огня не было – но это определённо делает гипотезу о наличии огня менее убедительной. Исследование OSSOS не исключает наличия Девятой планеты, но вызывает сомнения в идее о том, что она нужна Солнечной системе. Если только более глубокое, улучшенное наблюдение не выявит чего-то другого, или мы не обнаружим Девятую планету по счастливой случайности, мы должны по умолчанию считать, что её не существует.

Источник: habr.com