W pogoni za dziewiątą planetą. Raz jest, a raz jej nie ma

Przez większość czasu, gdy ludzkość świadomie obserwuje kosmos, nie istniała ścisła definicja planety. Gdy w 1801 roku odkryto Ceres, pierwszą planetoidę pomiędzy orbitami Marsa i Jowisza, nie był to wystarczający bodziec dla zastanowienia się nad klasyfikacją obiektów. Zresztą dopiero kilkadziesiąt lat później odkrycia asteroid nabrały tempa. Starożytni znali sześć planet. W 1781 roku William Herschel odkrył Urana. Kolejną planetę Neptun odkrył Johann Gottfried Galle w 1846 roku na podstawie obserwacji odstępstw ruchu Urana od teoretycznych przewidywań. Jak się okazuje, to jedyna planeta, którą poprawnie odkryto w ten sposób.

Pluton - planeta odkryta na podstawie błędnych założeń

Od 1930 roku, gdy Clyde Tombaugh odkrył Plutona, do 2006 roku Układ Słoneczny liczył dziewięć planet. Obserwatorzy szybko zdali sobie sprawę z faktu, że Pluton ma bardzo eliptyczną i mocno nachyloną orbitę, ale uznano go za planetę z dwóch powodów. Każdy z nich okazał się błędny.

Instrumenty wykorzystane do odkrycia Plutona, teleskop o średnicy obiektywu 330 mm oraz urządzenie do porównywania kolejnych fotografii. (fot: Pretzelpaws / CC BY-SA 3.0)

Poszukujący go astronomowie spodziewali się, że będzie to obiekt kilka razy masywniejszy od Ziemi. Odkryty Pluton okazał się znacznie ciemniejszym niż się spodziewano obiektem, a jego szacowana masa zmalała do około 1 masy Ziemi. W kolejnych latach Pluton malał w oczach, aż w 1978 roku po odkryciu Charona, największego z księżyców Plutona, jego masę ustalono na 0,0022 masy Ziemi. Gdyby taką wiedzą dysponowało zatwierdzające odkrycie Plutona gremium naukowe, nie zostałby uznany za planetę. Pluton nie stracił jednak statusu planety w 1978 roku, bo nie było ku temu powodów. Był jedynym znanym dużym, o średnicy około 2300 km, obiektem daleko za orbitą Neptuna.

Pluton i Charon, zdjęcia z sondy New Horizons z 2015 roku. W 1930 roku odkrywcy Plutona trudno było dostrzec coś więcej niż przypominającą gwiazdę kropkę, która bardzo powoli przemieszcza się po niebie. (fot: NASA)

Co ciekawe w zasadzie nie było potrzeby w 1930 roku, by szukać Plutona. I to nawet jako dużo masywniejszego obiektu, by wyjaśnić zaburzenia w ruchu Urana i Neptuna, co podejrzewano w XIX wieku. Pod koniec XX wieku, Miles Standish z JPL przeanalizował pozycje Urana i Neptuna z uwzględnieniem wszystkich dostępnych obserwacji. Okazało się, że w danych z XIX w. wcale nie ma zaburzeń. Paradoksalnie Tombaugh odkrył nową planetę na podstawie błędnych założeń. To w odległości jedynie kilku stopni kątowych od miejsca gdzie wyliczono jej pozycję.

18 lat temu Pluton przestał być planetą

Gdy nadszedł rok 1992, menażeria Układu Słonecznego powiększyła się o obiekty pasa Kuipera. To postulowany w 1950 roku przez Gerarda Kuipera obszar stanowiący rezerwuar komet krótkookresowych. Pluton stał się z urzędu największym obiektem pasa Kuipera.

Pas Kuipera (białe kropki), zaznaczona orbita Plutona (żółty kolor) i trasa sondy New Horizons (czerwony kolor). (fot: NASA)

Wciąż takim pozostaje, choć w 2005 roku trójka astronomów, M.E.Brown, C.A.Trujillo oraz D.L. Rabinowitz odkryła obiekt 2003 UB313, prawie tej samej wielkości co Pluton i nieco masywniejszy. Dziś znany jest on jako Eris. W 2006 roku na zjeździe IAU w Pradze, ustalono definicję planety, do której dotychczasowa dziewiąta planeta nie pasowała. Pluton podobnie jak Eris, Ceres, a także Sedna (inny duży obiekt pasa Kuipera) otrzymały etykietkę planety karłowatej.

Ta zmiana nie wszystkim się spodobała, a już na pewno nie ostudziła zapału tych astronomów, którzy uważali, że na Plutonie planety w naszym układzie planetarnym się nie kończą.

Po co szukać kolejnej planety w Układzie Słonecznym?

Odkrycie lub wykluczenie istnienia dziewiątej planety nie jest dziś tylko działaniem, które ma zaprząc uwagę naukowców. Istnieją konkretne powody, dla których jej szukamy. Fizycy wciąż nie mają pewności, czy ich pojmowanie grawitacji jest prawidłowe. Obecnie tradycyjnej teorii Newtona przeciwstawia się teorię zmodyfikowaną, czyli MOND (Zmodyfikowana Dynamika Newtonowska), świetną kontrpropozycję dla koncepcji ciemnej materii.. W ramach MOND oddziaływania grawitacyjne na dużych odległościach różnią się od tych opisanych w starszej teorii. Ta teoria w wygodny sposób zwalnia nas z myślenia o dziewiątej planecie.

Co jednak, gdy taka planeta istnieje, jak sugerują cyfrowe symulacje ewolucji Układu Słonecznego? Dzisiejsi astronomowie mają do dyspozycji superkomputery, których nie mieli nie tylko współcześni Tombaughowi, ale nawet naukowcy sprzed kilku dekad. Oprogramowanie może szybko śledzić rozwój naszego systemu planetarnego przy różnorodnych warunkach początkowych. Z tych obliczeń wynika, że superziemia może kryć się w bardzo odległych rejonach Układu Słonecznego. Jeśli jej nie ma, to MOND wygra, jeśli jest, to znowu trzeba będzie poprawiać teorię grawitacji.

Czy dziewiąta planeta jest skalista, lodowa, a może to kolejny gazowy gigant jak Neptun? Tego nie wiemy. W 2016 roku Konstantin Batygin i Mike Brown z Caltechu na podstawie modelowania komputerowego zasugerowali, że dziewiąta planeta może mieć nawet 10 mas Ziemi i znajduje się 20 razy dalej niż Neptun. (fot: Caltech/R. Hurt)

Wiedza o planecie dziewiątej może być też przyczynkiem do dokładniejszego modelowania zachowania się obiektów w zewnętrznym Układzie Słonecznym. A także tych, które nadlatując z daleka odwiedzają jego wewnętrzne obszary. Dziewiąta planeta uporządkuje ruch obiektów z pasa Kuipera, którego nieregularności nie da się obecnie wyjaśnić tylko obecnością Neptuna.

Poszukiwania kolejnej planety są w zasadzie poszukiwaniem reszty Układu Słonecznego. Z obserwacji pozasłonecznych dysków protoplanetarnych wynika bowiem, że rozmiar pasa Kuipera wynikający z obecnych obserwacji jest zbyt mały. Sięga on do mniej więcej 50 AU (jednostek astronomicznych, 1 AU = odległość Ziemia - Słońce), a dalej nie ma już wielu obiektów. Jednak obserwacje wykonane między innymi teleskopem Subaru na Hawajach w roku 2021, wskazały, że jest inaczej. Nawet jeśli wśród nowo odkrytych ciał niebieskich brak dziewiątej planety, to warto szukać. Kontrola misji sondy New Horizons liczy bowiem, że odwiedzi ona jeszcze jeden obiekt pasa Kuipera (po Plutonie i Arrokoth).

Jak szukać dziś dziewiątej planety?

Obserwacje najodleglejszych gwiazd i galaktyk są równie trudne co obserwacje obiektów na granicach Układu Słonecznego. Teoretycznie bliskich nam, ale niewielkich i świecących wyłącznie odbitym światłem słonecznym, czyli bardzo słabo. Pod pewnym względem nawet trudniejsze, bo nie wystarczy tylko zaobserwować planetę karłowatą czy asteroidę, trzeba to zrobić wiele razy, by udało się określić jej orbitę i inne cechy.

A to zadanie niezwykle trudne. Niebo jest bardzo rozległe, a niewielkie kilkusetmetrowe asteroidy na zdjęciach są prawie nieodróżnialne od szumu tła. Tylko numeryczna analiza obrazów, przy której niezwykle pomocna jest AI, pozwala cokolwiek wykryć. 100 lat temu Plutona odkryto porównując gołym okiem przez wiele miesięcy kolejne szklane płyty ze zdjęciami nieba. Służyły temu tzw. blinkometry. Dziś takie taki obiekt komputery odkryłyby w mgnieniu oka.

Vera Rubin Observatory, teleskop z największą kamerą w historii (na zdjęciu), dokładnie przeczesze niebo poza orbitą Neptuna. (fot: Jacqueline Ramseyer Orrell/SLAC National Accelerator Laboratory)

Nawet jeśli umykająca astronomom dziewiąta planeta ma masę kilku mas Ziemi, to i tak znajduje się prawdopodobnie w odległości kilkaset AU i „świeci” kilkaset razy słabiej niż Pluton. Astronomowie muszą sięgnąć po najsilniejsze teleskopy, których czas obserwacyjny da się przeznaczyć na masowy przegląd nieba. Ideałem takiego obserwatorium jest VRO (Vera Rubin Observatory), które uruchomione będzie już w sierpniu, a obserwacje ruszą w styczniu 2025. Siłą znajdującego się tam 8,4 metrowego teleskopu jest 3,2-gigapikselowa kamera i farma komputerów przetwarzających obrazy na bieżąco.

Jeśli dziewiąta planeta taka jak sugerują modele teoretyczne istnieje, powinniśmy ją znaleźć dzięki VRO, wraz z milionami innych wcześniej nie obserwowanych obiektów pasa Kuipera. Może okazać się też tak, że dokonane odkrycia postawią teoretyków przed zagadkami, do których wyjaśnienia nie starczy nawet dziewiąta planeta. 

Foto wejsciowe: ESO