Конец планете X, но не Немезиде

У Солнца нет крупной далёкой планеты, но может быть звезда-спутница

Почти вековые попытки найти далёкую «планету X» можно прекращать, а 25 лет поисков гипотетической Немезиды, звезды-спутницы Солнца можно продолжить. Как показал итальянский физик, если «планета X» и существует, она должны быть или очень маленькой, или очень далеко и не справится с теми задачами, ради решения которых её выдумали астрономы.

Автор оригинальной работы Лоренцо Иорио нашёл существенную ошибку в своей работе, исправление которой вернуло Немезиде возможность присутствовать в облаке Оорта (см. уточнение). Следующий ниже текст соответствует исправлениям.

Существенное уточнение

Всего лишь через день после первого сообщения, Лоренцо Иорио нашёл ошибку в своих расчётах. Её исправление кардинально изменило результат в отношении Немезиды – она может присутствовать в облаке Оорта. Места «планете X» на границе пояса Койпера по-прежнему нет.

Учёт приливного характера ускорения, которое оказывают гипотетическая «планета X» или звезда-спутница Солнца Немезида, значительно изменил ограничения на расстояния до этих планет. Исправление ошибки по-прежнему не оставляет шансов найти сколько-нибудь приличную «планету X» на границе пояса Койпера – в районе 75-80 астрономических единиц (около 11-12 миллиардов км) от Солнца.

А вот для Немезиды появилось место – в форме бурого карлика она может находиться на расстоянии от примерно 4-5 тысяч астрономических единиц (600-750 миллиардов км) от Солнца, а в форме красного карлика массой до половины массы Солнца – до 9 тысяч а.е.. Таким образом, Немезида вполне может двигаться в облаке Оорта, и не оказывать значимого влияния на движение внутренних планет Солнечной системы. Там бы могло поместиться даже второй Солнце, но нормальную звезду мы бы, конечно, заметили.

Итальянский ядерщик Лоренцо Иорио, автор работы, описанной в «Газете.Ru» в понедельник, понял, что в его расчётах уместно использовать лишь ту часть притяжения внешнего тела, что меняется в пространстве от точки к точке, а не среднее ускорение, действующее на внутренние области Солнечной системы в целом. Такая переменная в пространстве часть называется приливной и зависит от расстояния до внешнего тела, как обратный куб этой величины, а не обратный квадрат, как среднее ускорение. По этой причине и зависимость минимального расстояния, на котором может незаметно скрываться внешнее тело, от массы последнего, оказывается не квадратично-корневой, а кубично-корневой.

Таким образом, ограничения пришлось существенно пересмотреть. Так, тело с массой Марса, пишет Иорио, не может двигаться ближе, чем в 60 астрономических единицах, Земли – 130 а.е., Юпитера – примерно 900 а.е., Солнца – 9 тысяч а.е.. Ограничения для бурого и красного карлика приведены выше. Это существенно меньше, чем прежде, особенно для более массивных тел. Тем не менее, эти ограничения остаются наилучшими, имеющимися на сегодняшний день (чуть менее точные получены из анализа времени приходов импульсов далёких пульсаров).

Поскольку Иорио опять обдуплился, использовав некорректное выражение для приливного ускорения, в реальности значения из предшествующего параграфа надо увеличить примерно на четверть. Наверняка в следующей итерации Иорио исправит и эту оплошность – тем более, что наложенные им ограничения оттого только выиграют.

Обнаружение Нептуна в 1846 году стало триумфом небесной механики. Сотрудникам Берлинской обсерватории Иоганну Галле и Гейнриху д'Арре потребовалось всего две наблюдательные ночи, чтобы найти движущийся объект всего в градусе от того места, что предсказал французский математик Урбен Леверье.

Леверье сделал своё предсказание, изучая необъяснимые отклонения движения другой планеты, Урана, от расчётной траектории. Как и англичанин Джон Адамс парой лет ранее, Леверье предположил, что расхождения с расчётами вызывает влияние другой планеты, расположенной ещё дальше от Солнца. Но в отличие от Адамса Леверье сделал куда более точное предсказание, показавшееся астрономам вполне убедительным. Они их проверили и открыли Нептун.

Позднее нашлись и другие необъяснимые отклонения, и в начале XX века американский астроном, первооткрыватель «каналов на Марсе» Персиваль Ловелл, начал масштабную программу поиска очередной неоткрытой планеты, которой спустя 15 лет стал Плутон.

Правда, Плутон, вообще говоря, был открыт случайно — совсем не там, где должна была быть гипотетическая «планета Икс», и его крохотная масса оказалась не в состоянии объяснить наблюдаемые отклонения. Настоящего объяснения пришлось ждать до конца XX века, когда космический аппарат «Вояджер-2» скорректировал оценку массы Нептуна, пролетая возле этого небесного тела.

Это, впрочем, не остановило поток желающих найти очередную «планету X», название которой вплоть до 2006 года, когда Плутон был лишён своего планетарного статуса, можно было воспринимать и как римскую цифру, рассуждая о «десятой планете». Поиски планеты X велись множеством астрономов несколькими разными методами, тем более что гипотеза о существовании такого тела могла объяснить некоторые особенности многочисленных малых планет, найденных в так называемом поясе Койпера за орбитой Нептуна.

История Немезиды — гипотетической звезды — спутницы Солнца в его движении вокруг центра Галактики — гораздо короче. Всерьёз о ней заговорили лишь в начале 80-х годов прошлого века, когда Джек Сепкоски и Дэвид Роп нашли странную периодичность событий глобального вымирания видов. По их расчётам, в последние четверть миллиарда лет каждые 26 миллионов лет с земной жизнью случались разного рода неприятности.

Не прошло и года, как сразу две команды астрономов предложили объяснение.

Небольшая звёздочка на длинной вытянутой орбите вокруг Солнца могла всякий раз, возвращаясь к нашей звезде, нарушать порядок движения комет в так называемом облаке Оорта, направляя часть из них во внутренние области Солнечной системы.

Какие-то из этих комет вполне могли обрушиться на головы наземных динозавров или обитателей древних морей и океанов.

Пояс Койпера и облако Оорта

Поясом Койпера, или Эджворта-Койпера называют кольцеобразное скопление малых тел Солнечной системы за границей орбиты Нептуна. По сути, это второй пояс астероидов, только он гораздо протяжённее (простирается до 50-60 а.е.) и богаче объектами (правда, пока их известно меньше, чем в главном поясе астероидов). Распределение транснептуновых объектов довольно резко обрывается на расстоянии 56 а.е.. Некоторые учёные считают это указанием на наличие довольно массивной планеты, движущейся в резонансе с телами на расстоянии 56 а.е. – её притяжение может «выметать» тела поменьше из этой области.

Кроме того, сами тела, составляющие пояс Койпера, скорее всего, похожи больше не на каменные астероиды, а на кометы из замёрзшего льда – как водяного, так и углекислотного и углеводородного. На таком большом расстоянии эти объекты просто не проявляют кометной активности, так как солнечного тепла здесь не хватает для того, чтобы растопить лёд.

Облаком Оорта, или Эпика-Оорта называют гипотетическую оболочку приблизительно сферической формы вокруг Солнечную систему, состоящую из малых тел, движущихся на средних расстояниях от нескольких десятков тысяч до сотни тысяч астрономических единиц. Первым идею облака внешних комет высказал эстонский астроном Эрнст Юлиус Эпик в начале 1930-х годов; спустя два десятилетия её же высказал голландский астроном Ян Хендрик Оорт.

Считается, что облако Оорта является резервуаром долгопериодических комет, которые изредка приходят во внутренние части Солнечной системы, превращаясь в хорошо заметные светила (самый яркий недавний пример – комета Хейла-Боппа, посетившая небо во второй половине 1990-х годов).

На деле, по современным представлениям, кометы облака Оорта зародились ближе комет пояса Койпера. Родина комет из облака Оорта – между орбитами планет-гигантов, от Юпитера до Нептуна. И эти же гигантские тела, согласно результатам компьютерного моделирования, уже в первые миллионы лет вытолкнули все местные кометы на вытянутые орбиты за счёт так называемого «эффекта пращи», подобного гравитационным манёврам в поле тяготения планет, которыми сейчас разгоняют межпланетные аппараты.

По вытянутым траекториям большинство комет облака Оорта движутся до сих пор, за десятки и сотни тысяч лет своего орбитального периода лишь на какие-то десятилетия заглядывая во внутренние области Солнечной системы; увидеть их – большая удача. И лишь некоторые из ледяных глыб, попав в резонанс с Юпитером, вернулись к Солнцу и сели на короткопериодические орбиты, с которых также легко могут слететь под притяжением той же планеты.

Судьба комет в поясе Койпера, где нет крупных планет, не так драматична. По большей части они остались там же, где и зародились, за теми же редкими исключениями, что попали в резонанс с Юпитером. И хотя его гравитация может без проблем переключить комету из одной категории в другую (сначала призвав во внутренние области, а затем отправив во внешние), большинство жителей двух кометных резервуаров сохранили память о своей родине – в том числе и в химическом составе.

Из периода было несложно вычислить размер орбиты гипотетической Немезиды --100 тысяч раз астрономических единиц (а. е.), то есть средних расстояний от Земли до Солнца, примерно на полпути к ближайшей звезде. Чтобы мы эту звезду до сих пор не заметили, она должна быть либо красным карликом — «настоящей», но очень слабой звездой массой в несколько раз меньше, чем у Солнца, либо карликом бурым, или коричневым, — «звездой-неудачницей», массы которой так и не хватило для начала ядерных реакций.

Поиски «планеты X» в настоящее время не проводятся — по сути, они влились в программы обнаружения других карликовых планет, которых за пределами орбиты Нептуна должно быть немало. А вот с Немезидой сложнее — она вполне может давно присутствовать в звёздных каталогах, однако распознать в ней спутницу тяжело: поскольку движется она вместе с Солнцем, скорость её перемещения по небу будет очень невелика, а именно так — по быстрому движению слабых объектов — ищут наших ближайших звёздных соседей.

Искать гипотетическую «планетe X», способную навести порядок в поясе Койпера, и не стоит, утверждает Лоренцо Иорио из пизанского отделения Национального института ядерной физики Италии. С последней версией работы итальянского учёного, знаменитого своей плодовитостью и полным пренебрежением к погрешностям, можно ознакомиться в архиве электронных препринтов Корнельского университета.

Прогнозы, которые Иорио сделал для тех, кто всё ещё надеется найти крупную планету за пределами орбиты Нептуна, весьма пессимистичны (с поправкой на 26%, см. уточнение). Минимальное расстояние, на котором может находиться «второй Марс», — 75–80 астрономических единиц, «вторая Земля» — 160 а. е., «второй Юпитер» — чуть больше тысячи а. е..

А вот бурый, и даже красный карлик вполне могут двигаться внутри облака Оорта — ограничения на минимальное расстояние до них меняются от 4-5 до 10 тысяч астрономических единиц, что вполне в пределах облака.

Учёный провёл довольно простой расчёт, вычислив, как менялись бы в последние 100 лет различные параметры орбиты внутренних планет (Меркурия, Венеры, Земли и Марса), если бы на внутреннюю Солнечную систему действовала постоянная дополнительная приливная сила. Считать её постоянной на таком промежутке времени можно, потому что далёкий объект за 100 лет сильно не сдвинется.

После некоторых размышлений, итальянец решил остановиться на одной наблюдаемой величине — скорости поворота перигелия, то есть ближайшей к Солнцу точки орбиты планеты.

Смещение перигелия Меркурия в своё время сыграло ключевую роль в том, чтобы убедить физиков в правильности общей теории относительности Эйнштейна, сумевшего точно рассчитать наблюдаемое значение. Скоростью поворота перигелия других планет, интересной с точки зрения возможности наложить какие-то дополнительные ограничения на параметры «обобщённых» релятивистских теорий, много занимается российский небесный механик Елена Питьева, которая провела огромную работу по определению этих величины из наблюдений самых разных типов. Именно результатами Питьевой и воспользовался Иорио.

Поскольку в пределах погрешностей не удалось заметить никаких отклонений от результатов расчётов, не учитывавших дополнительное ускорение, несложно оценить, каким оно должно быть. Получились крохотные, примерно 10^--15 м/с² оценки сверху для ускорения в плоскости орбиты Земли и других планет. Оценить ускорение в перпендикулярном плоскости направлении удалось в 30 раз хуже: такая сила слабо влияет на поворот перигелия. Однако в любом случае оценка ускорения в 3*10^--14 м/с² — величина очень маленькая. По словам автора, эти ограничения в тысячи раз лучше тех, что имелись прежде.

По сути, результат Иорио означает «похороны» «планеты X» — но не звезды Немезиды.

Даже если относительно массивные тела и существуют, они не в состоянии оказывать то действие на пояс Койпера, где движутся транснептуновые не то кометы, не то астероиды, которые им приписывали. Они слишком далеки и очень невелики по массе. А вот какая-нибудь Немезида вполне может оказаться возмутителем спокойствия в облаке Оорта, где расположен «резервуар» долгопериодических комет.

Обнаружить такие объекты можно будет по их инфракрасному излучению — в ближней инфракрасной области в случае Немезиды и дальнем ИК в случае «планеты X». Уже в ближайшее время в космос должны отправиться несколько орбитальных обсерваторий, которые среди прочего займутся и этими поисками.