W skali kosmosu, czy chociażby naszej galaktyki, granice naszego Układu Słonecznego wydają się być „na wyciągnięcie ręki”. Jednak pomimo swojej pozornej bliskości, obszar za orbitą Neptuna wciąż pozostaje w dużej mierze niezbadany. Jeszcze niedawno, bo przed 2006 rokiem, Pluton był uważany za planetę. Obecnie przyjmuje się, że w Układzie Słonecznym znajduje się 8 planet. Jednakże najnowsze obserwacje i modele matematyczne pozwalają stawiać śmiałe hipotezy dotyczące obiektów na krańcach naszego układu.

Dzięki najpotężniejszym teleskopom na Ziemi w ciągu ostatnich lat udało się zaobserwować dużo niewielkich obiektów krążących za orbitą Neptuna, czyli tak zwanych TNOs od angielskiego „trans-Neptunian objects”. Peryhelia, czyli punkty na orbicie położone najbliżej Słońca, kilkunastu z tych obiektów znajdują się pięć razy dalej niż orbita najdalszej planety. Okazuje się, że te najbardziej odległe TNOs wydają się formować w grupy, a ich orbity są inne niż się spodziewaliśmy.

Dwaj astronomowie, Mike Brown i Konstantin Batygin, w swojej pracy z 2016 roku pokazali, że najdalsze znane obiekty w Układzie Słonecznym mają bardzo podobne orbity. Było to zaskakujące odkrycie, gdyż nie pokrywało się z teoretycznymi oczekiwaniami. Z powodu precesji orbit, ciała niebieskie poruszają się po kształtach przypominających rozety. Oznacza to, że przez miliony lat każda grupa, którą tworzyłyby TNOs, musiałaby się rozpaść. Zdaniem Browna i Batygina wyjaśnieniem dziwnego zachowania orbit mogłaby być masywna, dziewiąta planeta w naszym układzie. Dotychczas nie udało się jej jednak zaobserwować.

Grafika pokazuje położenie orbit kilku najdalszych znanych TNOs (fioletowe linie) oraz orbitę hipotetycznej dziewiątej planety (pomarańczowa linia).

Inna praca, z początku 2019 roku, sugeruje odmienne rozwiązanie zagadki TNOs. Zdaniem autorów tej pracy na krańcach Układu Słonecznego może znajdować się nie kolejna planeta, a kolejny dysk. Hipotetyczny obiekt przypominający pas planetoid, czy pas Kuipera miałby się znajdować niecałe 20 razy dalej od Słońca niż Neptun. Pierścień niewielkich ciał mógłby stabilizować orbity TNOs poprzez wyrównanie wpływu grawitacji gazowych olbrzymów. W ten sposób efekt precesji zostałby zniwelowany, a ruch odległych obiektów pokrywałby się z obserwacjami.

Model użyty w pracy sugeruje, że peryhelia orbit obserwowanych obiektów powinny być po przeciwnej stronie względem Słońca niż peryhelium samego dysku. W przeciwnym wypadku orbity musiałyby mieć niewielką ekscentryczność (czyli przypominałyby okręgi), lub byłyby niestabilne.

Grafika pokazuje wyniki symulacji zastosowanej w pracy dla obiektów o peryheliach zgodnych (okręgi) i przeciwnych (trójkąty) do peryhelium hipotetycznego dysku. Pozioma oś reprezentuje półoś wielką, a pionowa ekscentryczność orbit. Zieloną linią zaznaczono początkowe parametry symulowanego dysku. Żółtymi rombami zaznaczono obserwowane TNOs. Na grafice widać, że hipotetyczny dysk może pozostawać stabilny, ponieważ parametry stabilnych obiektów pokrywają się z parametrami samego dysku.

Należałoby jednak zapytać, czy proponowany dysk mógłby w ogóle powstać? Zgodnie z obecnie przyjętymi modelami Układu Słonecznego masa wszystkich obiektów w obszarze, w którym powinien znajdować się sugerowany dysk, wynosi jedynie około 0,1 masy Ziemi. Natomiast do wyjaśnienia grupowania się TNOs potrzeba by masy 100 razy większej. Istnieją hipotezy sugerujące, że w rozważanym obszarze znajduje się więcej materii, jedną z nich jest hipoteza dziewiątej planety.

Okazuje się, że modele opisujące zarówno planetę, jak i dysk wymagają podobnej ilości materii. Zdaniem autorów pracy z 2019 roku hipoteza dysku jest jednak bardziej prawdopodobna, gdyż nie wymaga wyjaśnienia, w jaki sposób planeta o masie kilka razy większej od Ziemi, mogłaby się uformować na krańcach Układu Słonecznego. Innym argumentem za wyższością dysku przytaczanym w pracy jest grawitacja samych TNOs. Jeśli masa wszystkich tych obiektów byłaby większa od masy Ziemi, to wpływ dziewiątej planety mógłby być niewystarczający do ich stabilizacji.

Istnieje jeszcze jedna hipoteza łącząca dwie pozostałe. Gdyby na skraju Układu Słonecznego znajdował się zarówno dysk, jak i planeta, mogłyby stabilizować orbity TNOs znacznie skuteczniej niż każde z osobna. Szczególnie w wypadku jednego z obserwowanych obiektów sama planeta mogłaby okazać się niewystarczająca do jego stabilizacji.

Hipoteza dysku jest jeszcze młoda i chociaż dotychczas udało się przeprowadzić symulacje uwzględniające wiele parametrów TNOs oraz potwierdzić ich zgodność z obserwacjami, model wciąż wymaga pracy i dokładniejszych analiz. Różnice pomiędzy wpływem planety, a dysku nadal nie zostały dokładnie zbadane. Co ważniejsze, planeta oraz dysk pozostają póki co tylko matematycznymi rozwiązaniami tłumaczącymi zachowanie się dalekich obiektów. Należy pamiętać, że na razie, zarówno nowej planety, jak i nowego dysku nie udało się bezpośrednio zaobserwować. Jednak gdyby którakolwiek z tych hipotez okazała się poprawna, to znajdujący się „na wyciągniecie ręki” obszar kosmosu stałby się znacznie bardziej interesujący niż podejrzewaliśmy.

Artykuł napisał Radosław Kubiś.

Źródła:

Astrobites

Autor

Redakcja AstroNETu
Redakcja AstroNETu