Kataklizm jakiego Ziemia nie widziała

...i nie zobaczy. Bo coś takiego, może się zdarzyć tylko na planecie-oku. Planety oczy, to określenie na planety, których obrót wokół własnej osi trwa tyle samo co okrążenie wokół gwiazdy. Innymi słowy doba trwa tam cały rok. Analogicznie, jak w przypadku naszego Księżyca, mniejszy glob jest zawsze zwrócony jedną stroną w kierunku większego. Dlatego tak zwana “ciemna strona” Księżyca, powinna być raczej nazywana “dalszą stroną”.

Nazwa planeta-oko wynika z tego, że niektóre z nich mogą rzeczywiście wyglądać jak wielkie gałki oczne wiszące w kosmosie - skute białym lodem, z okrągłą ciemną “źrenicą” po stronie zwróconej do gwiazdy, gdzie jest dość ciepło by woda była roztopiona. Planety tego typu są szczególnie interesujące, bo we wszechświecie jest ich niezwykle dużo, więc jeśli udało by się potwierdzić, że w sprzyjających warunkach może tam istnieć życie, byłby to mocny argument za tym, że kosmos tętni życiem.


Tidal Locking

Dlaczego w ogóle dochodzi do takiego zjawiska? Czemu obrót niektórych ciał zostaje zahamowany? Wynika to różnicy w sile oddziaływania grawitacji na różne punkty planety lub księżyca. Siła przyciągania maleje dość gwałtownie z odległością (jeśli podwoimy swój dystans od np Słońca, będzie nas przyciągać czterokrotnie słabiej). Tuż po formacji Księżyc najprawdopodobniej obracał się i to w sporym tempie. Jednak każda nawet drobna formacja wystająca z jego powierzchni, znajdująca się po stronie Ziemi sprawiała, że grawitacja naszej planety lekko spowalniała jego obrót, zupełnie jakbyśmy delikatnie łapali wyciągniętą rękę dziecka na karuzeli. Dzięki temu, oraz dzięki lawie, którą siły pływowe kierowały w kierunku Ziemi, która dodatkowo spowalniała obrót, w czasie krótszym niż kilkanaście milionów lat Księżyc, obecnie z lekkim wybrzuszeniem po “jasnej” stronie wyrównał swój ruch obrotowy z ruchem orbitalnym.

Planety-oczy mogą być fascynującymi światami. Raport z Zarminy to chyba mój pierwszy wpis na ich temat. Jestem szczególnie zadowolony z tej notki, bo pokazuje jak z perspektywy planety-oka Ziemia mogłaby się wydawać planetą kompletnego chaosu i niestabilności. Na tytułowej “Zarminie” gwiazda zawsze jest w tym samym miejscu na niebie. Układy wiatrów powinny być grubsza niezmienne, i tak dalej. Naukowcy podejrzewają, że w niektórych przypadkach woda mogłaby zostać “uwięziona” na nocnej stronie. Po stronie dziennej podlegałaby parowaniu lub przy rzadkiej atmosferze wprost sublimacji, a następnie zamarzałaby na nieoświetlonej stronie i zostawała tam na zawsze. Późniejsze analizy pokazały jednak, że mógłby istnieć całkiem stabilny cykl gdzie, tak jak w przypadku Ziemi, samo ciśnienie warstw lodu powodowałoby topnienie dolnych warstw, które spływałyby w kierunku oświetlonej części planety.

Tak więc jeśli pominąć nieustanne silne wiatry, na niektórych z tych planet mogłyby powstać całkiem przytulne warunki. Rzeki wiecznie płynące w kierunku gwiazdy tkwiącej nieruchomo na niebie. Dodajmy do tego, że czerwone karły wokół których licznie odkrywamy skalne planety są gwiazdami, które mogą trwać z grubsza niezmiennie przez dziesiątki miliardów lat (Słońce po 4,5 miliarda lat jest już w połowie swojego życia a już za miliard lat będzie tak gorące, że Ziemia będzie niezdatna do życia).


Kataklizm

I tu dochodzimy do hipotetycznej tragedii, która mogłaby dotknąć takie niezmienne sanktuarium stabilności? Wyobraźmy sobie piłeczkę do ping ponga na wodzie. Przyklejmy warstwę plasteliny na jednej stronie. Jako cięższa, ta strona pójdzie pod wodę. Lżejsza strona będzie nad wodą. A teraz zacznijmy doklejać plastelinę na górnej stronie. W pewnym momencie to ona stanie się cięższa i piłka się obróci.

Można wyobrazić sobie scenariusz, gdzie lód gromadzący się na nocnej stronie planety-oka przesunie środek ciężkości globu tak bardzo, że to oblodzona strona stanie się cięższa. Księżyc wydaje się dla nas nieruchomy na swojej orbicie, ale w rzeczywistości wykonuje ruchy libracyjne i pozornie “chwieje się” na swojej orbicie. Wiele planet-oczu może wykonywać podobne ruchy. Kilka zbiegów okoliczności, wyjątkowa w danym okresie ilość lodu, może lekki wpływ pozostałych planet w układzie i nasza planeta, “nieruchoma” od milionów lat nagle obraca się o sto osiemdziesiąt stopni. Dzień staje się nocą, rzeki się zatrzymują, spieczona, sucha i spękana pustynia staje się ciemna i zimna a tryliony ton lodu topnieją, nagle wystawione na światło gwiazdy. Rzeki wpierw zmieniają bieg, potem następuje globalny potop i kto wie jakie inne dramatyczne zjawiska pogodowe.

Hipotetycznie. Jestem za cienki między uszami, żeby sprawdzić lub policzyć jak prawdopodobny jest taki scenariusz, być może w niektórych przypadkach zdarza się to wręcz cyklicznie, a gdzie indziej nigdy. Ale chętnie zobaczyłbym film katastroficzny o takiej tematyce.

Planeta X i drobne wątpliwości

Jakiś czas temu zamieściłem na fanpage linka do filmu o badaniach, które miałyby podważać hipotezę o istnieniu Planety X. Domagaliście się notki, więc oto ona. Z pomocą przyszedł sam Mike Brown oraz Konstantin Batygin. Ten pierwszy udzielił świetnego webinaru dla Instytutu Astrofizyki Uniwersytetu Chile, ten drugi jest bardzo aktywny na twitterze i odpisuje nawet jakimś losowym dziwakom.

Kiedyś już pisałem o dziewiątej planecie, ale był to dość krótki komentarz. Dziś krótko skomentuję wątpliwości, natomiast spróbuję trochę szerzej napisać o tym skąd pojawiła współczesna hipoteza o Planecie X, oraz jak wyglądają jej poszukiwania. To ciekawe i jeśli zakończy się sukcesem, będzie kolejną piękną kartą w historii nauki. Postawiono hipotezę, która generuje pewne przewidywania, te pokrywają się z obserwacjami, co więcej zupełnie przypadkiem hipoteza ta tłumaczy też inne zjawiska w układzie słonecznym.


WĄTPLIWOŚCI

A zatem, by mieć to z głowy. Przewidywania o Planecie X bazują na specyficznym układzie obiektów krążących dalej niż Neptun. Publikacja która miałaby obalać te przewidywania opiera się na odkryciu nowych obiektów, który rzekomo nie pasują do owego specyficznego układu. Brown i Batygin twierdzą, że nowoodkryte obiekty pasują do przewidywań. Podkreślają również, że jeśli nie byłoby dziewiątej masywnej planety, to zjawiska które wyjaśniłaby jej obecność wymagałyby alternatyw.


NARODZINY HIPOTEZY

Mike Brown sam wspomina, że w ciągu ostatniego stulecia jakieś dwadzieścia pięć razy postulowano istnienie lub odkrycie planety poza Plutonem. Wszyscy ci astronomowie byli w błędzie. Co przekonało jego?

Historia zaczyna się wraz z odkryciem Sedny w 2002. Orbita Neptuna uznawana jest za rubież układu Słonecznego. Znajduje się on ok 30 AU (jednostek astronomicznych) od Słońca. Tymczasem Sedna ze swoją wydłużoną orbitą krąży od 76 do 883 AU od Słońca. Graficznie możecie to zobaczyć na animacji obok - Sedna to ta fioletowa orbita skierowana w lewy dolny róg.

Kluczowe jest nie to jak bardzo wydłużona jest jej orbita, ale to, że nawet w najbliższym względem Słońca punkcie Sedna była znacznie dalej niż Neptun. Gdy obiekty zbliżają się do Neptuna jego grawitacja może je przyspieszyć lub zwolnić. Zwolnione spadną w głąb układu słonecznego, przyspieszone powędrują dalej, ale ich peryhelium (punkt najbliższy

Słońca) wciąż będzie bliski Neptunowi. To, że Sedna nie zbliżała się nawet do Neptuna oznaczało, że musiało istnieć źródło grawitacji zewnętrznej. I w pierwszej chwili Mike Brown uznał, że mogła być to przechodząca w pobliżu gwiazda. Sądził wręcz, że mógłby to być ślad po narodzinach Słońca, gdy jeszcze było w gromadzie młodych gwiazd. Alternatywą była duża planeta daleko poza orbitą Neptuna. Możliwe było również, że to nie tyle interakcja z wieloma gwiazdami co jedno bliskie spotkanie z nieokreśloną gwiazdą.

Obok możecie zobaczyć trzy proponowane rozwiązania oraz przewidywany rozkład orbit każdego z nich. Możecie domyślać się co wskazywały kolejne odkrycia obiektów transneptunowych. To jednak nie wszystko.


KOLEJNE OBIEKTY

Kolejne obiekty poza orbitą Neptuna łączyła jeszcze jedna interesująca cecha. Podobnie jak w przypadku Plutona ich orbity były nie tylko wydłużone ale i nachylone względem płaszczyzny dysku układu słonecznego w specyficzny sposób. Mianowicie - przecinały tenże dysk w peryhelium (po astronomicznemu - miały argument peryhelium oscylujący wokół zera). Wiecie co może wyjaśnić taki stan? Tak - masywna planeta.

To nie wszystko. Orbity te łączył również podobny kierunek, wyłaniał się obraz coraz bardziej podobny do tego jak wyglądał scenariusz dla planety.


SYMULACJE NUMERYCZNE

Panowie przeprowadzili symulacje, które pokazały, co hipotetyczna Planeta X zrobiłaby z obiektami w Pasie Kuipera. Tu najlepiej zobaczyć fragment webinara miej więcej od 33:00 do 35:00. Ale dla leniuchów przedstawiam kilka zrzutów ekranu.

To co widać, z czasem to że Planeta X pozbywa się obiektów krążących na większych orbitach zwróconych w podobnym kierunku, zostaje tylko wachlarz skierowany w drugą stronę. Dlaczego? Bo na orbicie eliptycznej obiekty poruszają się wolniej z dala od Słońca i szybciej w okolicy peryhelium. W tym układzie widać, że “ocalałe” planetoidy po prostu większość czasu spędzają z daleka od Planety X, która ma mniej okazji by wepchnąć je w głąb lub wytrącić je poza układ słoneczny. Jednocześnie te bliższe wpływom Neptuna mają się znacznie lepiej i nie ulegają tej tendencji. To dlatego, że ten gigant może równoważyć wpływy hipotetycznej planety.


PRZEWIDYWANIA

Model Browna i Batygina, przewidywał, że powinna istnieć też grupa biektów, których elipsy nie będą po przeciwnej stronie, ale pod kątem 90° do dziewiątej planety i nachyleniu względem dysku układu słonecznego również pod kątem 90°.

Początkowo próbowali oni wyrugować je ze swojego modelu, bo sądzili nie, że nie ma takich prostopadłych obiektów. Ale model był nieubłagany. Tymczasem okazało się, że nie trzeba nic modyfikować, bo pięć takich obiektów istniało. Ten szpetny wykres pokazuje przewidywane inklinacje orbit i argumenty peryhelium. Niebieskie kropki to wspomniana piątka, a czerwone to Sedna i spółka.


POSZUKIWANIA

Brown stwierdził, że to właśnie wtedy uwierzył, że dziewiąta planeta naprawdę istnieje. Hipoteza stała się bliższa teorii. Wyjaśniała kilka różnych cech obiektów w układzie słonecznym. Panowie zaczęli kalkulować najbardziej prawdopodobne parametry orbity i samej planety X, by można było zacząć jej poszukiwać.

Napawa mnie to dreszczem emocji, bo to bardzo podobne do tego jak odkryto Neptuna. Jego lokalizację wyliczono po tym jak ruch Urana na orbicie nie zgadzał się z obliczeniami astronomów. Stwierdzili oni, że prawdopodobnie wpływa na niego inna planeta. Matematyka zatriumfowała. Poszukiwania przypominają też trochę polowanie na Bozon Higgsa.

Panowie wykonali szereg symulacji które wskazały, że najprawdopodobniejszy rozmiar orbity Planety X to ok 300 AU a jej masa jest około sześciokrotnie większa od Ziemi. To oznacza, że jeśli dziewiąta planeta istnieje, to będzie piątą największą planetą w naszym układzie. Trochę mniejszą od Urana i Neptuna. Oszacowali też jej inklinację. Uzbrojeni w to wszystko wyznaczyli mapę nieba, gdzie widać jakie jest prawdopodobieństwo by znaleźć Planetę w danym miejscu. Pozostaje tylko ją znaleźć…

I póki co jest trochę jak z bozonem Higgsa. Wykluczono większość “łatwiejszych lokacji”. Oczywiście największe prawdopodobieństwo przypadło na te niełatwe - czyli tam gdzie znajduje się płaszczyzna Drogi Mlecznej (czyli trudniej obserwować ciemny odległy obiekt). W ostatnim czasie udało się odrzucić część “gorącego” obszaru. Póki co bez powodzenia. Kto pamięta jak uparcie i do ostatniej chwili chował się Higgs, dostrzeże podobieństwo. Czy Brown i Batygin mają rację, powinniśmy się dowiedzieć w ciągu niecałych dziesięciu lat.


CZARNE OWIECZKI

Teoria o dziewiątej planecie zakłada, w gigantycznym uproszczeniu, że około 80% obiektów w Pasie Kuipera będzie zgodnych z modelem. Na ten moment zgodność wynosi około 90%, dlatego obaj panownie nie przejmują się zbytnio głosami przeciwko Planecie X. Co więcej Konstantin wyjaśnia, że im obiekty są związane bliżej z Neptunem (niskie peryhelium), tym rzadziej będą gromadzić się w kierunku przeciwnym do orbity Planety X. I dokładnie to jest obserwowane.


SUPERPLANETA X

Ostatnie lata pokazały, że wśród planet pozasłonecznych, najliczniejszą grupę stanowią super-Ziemie - to znaczy planety kilkukrotnie większe od Ziemi. Do tej pory wydawało się, że nasz układ jest w tej kwestii nietypowy, bo ma jedynie wielkie gazowe giganty i drobne skalne planety. Być może ta luka zostanie zapełniona.

Można przewidywać, że Planeta X powinna być dość jasna od lodu i zamrożonych gazów, może przypominać krewnego Urana i Neptuna, który po prostu nie zdążył, lub nie był w stanie zgromadzić więcej gazu. Może być dużą zmrożoną skalno-lodową planetą lub małym gazowym gigantem.

Jeśli jednak los był złośliwy, może z jakiegoś powodu dziewiąta planeta jest znacznie ciemniejsza i uniknęła wykrycia w pozornie wykluczonych regionach nieba. Wśród egzoplanet odkryto planety czarniejsze od węgla, każda planeta w układzie słonecznym zaskakiwała astronomów. Więc i Planeta X, jeśli istnieje, na pewno nas zaskoczy. Mam tylko nadzieję, że jej niespodzianką nie będzie ciemna barwa...


Źródła:
How the Icy Asteroids of the Solar System point our Way to Planet 9 - webinar Browna, o który oparłem tą notkę
Planet Nine from Outer Space - świetny, zabawny wykład Konstantina
https://twitter.com/kbatygin/status/1266902054632488960 - twitterowa tyrada Konstantina
https://twitter.com/plutokiller/status/1087495838379651072 - twitterowa tyrada Mike’a
Evidence for a Distant Giant Planet in the Solar System - Konstantin Batygin and Michael E. Brown, publikacja z 2016
Planet 9 Update: New Explanation Of the Orbits Observed - Film Antona od którego zaczęła się ta notka
Striking Biases in the Detection of Large Semimajor Axis Trans-Neptunian Objects - publikacja na którą się powołuje
Astronomers find evidence of a ninth planet in the solar system - ładna wizualizacja
Planet Nine Hypothesis - tu znalazłem obrazki James Tuttle Keane z Caltechu
Planeta X - komentarz Węglowego - moja stara notka z 2016, dziś wydaje się skromna.