ראיות עקיפות לקיומו של כוכב לכת תשיעי: ענק גזים המקיף את השמש פעם בעשרת אלפים שנה

שיתוף פעולה בין אסטרונום תצפיתן ותיאורטיקן הביא לגילוי עדויות עקיפות לקיומו האפשרי של כוכב לכת ענק הסובב את השמש במסלול מוזר, מוארך מאוד במערכת השמש החיצונית. העצם שהחוקרים מכנים כוכב הלכת התשיעי ובציבור זכה לכינוי “כוכב הלכת X” הוא בעל מסה של פי 10 זו של כדור הארץ והוא מקיף את השמש במסלול ממוצא רחוק פי 20 מזה של נפטון-רהב. לוקח לכוכב לכת זה 10,000-20,000 שנה להקיף את השמש

חוקרי קלטק מצאו עדויות עקיפות לקיומו של כוכב לכת הנע במסלול מוזר, מוארך מאוד במערכת השמש החיצונית. לעצם, שהחוקרים כינו כוכב הלכת התשיעי, מסה גדולה פי 10 מזו של כדור הארץ והוא מקיף את השמש במרחק ממוצע גדול פי 20 מזה של נפטון-רהב, כוכב הלכת הידוע המרוחק ביותר במערכת השמש. למעשה נדרשות לכוכב לכת זה בין 10,000 ל-20,000 שנה לבצע הקפה מלאה סביב השמש.
החוקרים, קונסטנטין באטיגין ומייק בראון, גילו את קיומו של כוכב הלכת באמצעות מודלים וסימולציות מחשב מתמטיים אבל עדיין לא צפו בעצם ישירות. בציבור זכה כוכב הלכת החדש לכינוי “כוכב הלכת X” על שם כוכב הלכת מהאמונות העממיות שכיכב בנבואות הזעם לקראת ה-21 לדצמבר 2012, כאשר היו שטענו שהוא במסלול התנגשות עם כדור הארץ. אין זה המקרה אבל מדובר בתגלית חשובה מאוד.

“זה יהיה כוכב הלכת תשיעי אמיתי”, אומר בראון, מהמחלקה למדעים פלנטריים בקלטק. “מאז ימי קדם התגלו רק שני כוכבי לכת אמיתיים, וזה יהיה שלישי. יש עוד חלקים משמעותיים במערכת השמש שעדיין יש מה לגלות בהם וזה די מרגש.

בראון מציין כי מסתו של כוכב הלכת התשיעי המשוער, גדולה פי 5,000 מהמסה של פלוטו, כלומר הוא גדול מספיק שלא יידרש להתקיים שום דיון בשאלה האם זה כוכב לכת אמיתי. בניגוד למעמדם של העצמים הקטנים המכונים כוכבי לכת ננסיים, לכוכבי הלכת העיקריים יש מרחב שליטה גדול בו פועל כוח הכבידה שלהם. כוכב הלכת התשיעי שולט באיזור גדול יותר מאשר כל כוכב לכת ידוע אחר.
באטיגין ובראון מתארים את ממצאיהם בגיליון הנוכחי של כתב העת ASTRONOMY ומראים כיצד כוכב הלכת התשיעי מסייע להסביר מספר תכונות מסתוריות של שדה העצמים הקרחיים והסלעים המקיפים את מערכת השמש מעבר לנפטון – איזור הידוע בשם חגורת קויפר.
“למרות שהיינו בתחילה די ספקנים שכוכב הלכת הזה היה יכול להתקיים, ככל שאנו ממשיכים לחקור את מסלולו ואת ההשלכה שלו על מערכת השמש החיצונית, אנו הופכים להיות יותר ויותר משוכנעים שהוא נמצא שם בחוץ”, אומר באטיגין, פרופסור למדעים פלנטריים. “לראשונה זה למעלה מ -150 שנים, יש ראיות מוצקות שהמפקד הפלנטרי במערכת השמש אינו שלם.”

“הדרך לגילוי התיאורטי לא הייתה פשוטה. בשנת 2014 פרסמו פוסט דוקטורט לשעבר של בראון, צ’אד טרוחילו, ועמיתו סקוט שפרד כי מסלולם של 13 העצמים הרחוקים ביותר בחגורת קויפר יוצרים תבנית דומה וההסבר היחיד לדמיון בתכונות הוא קיומו של כוכב לכת קטן באיזור זה.

שיתוף פעולה בין אסטרונום תצפיתן ותיאורטיקן

בראון החליט לשתף את באטיגין והשניים החלו בשיתוף פעולה של חצי שנה לחקר העצמים הרחוקים. כנסיין ותיאורטיקן, בהתאמה, פנו החוקרים לעבודה מנקודות מבט שונות מאוד. – בראון כמי שמביט בשמים ומנסה לעגן את הכל בהקשר של התצפיות ובאטיגין כמי שמתבונן בדינמיקה ושוקל כיצד עשויים הדברים לפעול מבחינת הפיזיקה. הבדלים אלה אפשרו לחוקרים לאתגר זה את רעיונותיו של זה ולשקול אפשרויות חדשות. “כשהבאתי היבטי תצפית, הוא חזר אלי עם טיעונים מהתאוריה, וכך דחפנו אחד את השני. אינני חושב שהתגלית היתה מתרחשת בלי הגיבוי הזה. זו היתה אולי השנה הכי מהנה שבה עבדתי על בעיה במערכת השמש.”

די מהר הבינו השניים כי ששת עצמים הרחוקים ביותר באוסף המקורי של טרוחיו ושפרד עוקבים אחר מסלוליים אליפטיים המצביעים על אותו הכיוון במרחב הפיזי. הדבר הפתיע במיוחד משום שהנקודות החיצוניות ביותר של המסלולים שלהם במערכת השמש שונות במרחקן, והם נוסעים בקצב שונה.

“זה כמעט כמו להציב שישה מחוגים על שעון כאשר כל אחד מהם נע בקצב שונה וכולם יוצאים מאותו המקום”, אומר בראון. הסיכויים שזה יתרחש ללא סיבה הם קטנים אך מכיוון שמסלוליהם של ששת העצמים מוטים באותה הדרך – מצביעים בזווית של 30 מעלות כלפי מטה באותו הכיוון ביחס למישור של שמונת כוכבי הלכת הידועים. ההסתברות שזה יקרה היא 0.007 אחוזים. “בעיקרון זה לא אמור לקרות באופן אקראי”, אומר בראון. “אז חשבנו שמשהו אחר חייב לעצב את המסלולים הללו.”

האפשרות הראשונה שהם חקרו הייתה שאולי יש מספיק עצמים מרוחקים בחגורת קויפר שחלקם עדיין לא התגלו כדי להפעיל את הכבידה הדרושה כדי לשמור על תת-אוכלוסייה שהתקבצה יחדיו. החוקרים גילו במהרה כי תרחיש כזה יחייב את חגורת קויפר להיות בעל מסה כבדה פי 100 מהמסה הידועה שלה.
מה שהותיר אותם עם הרעיון של כוכב לכת האינסטינקט הראשון שלהם היה להריץ סימולציות הכוללות כוכב לכת במסלול רחוק שהקיף את מסלוליהם של ששת עצמי חגורת קופיר ומשמש כמו פלצור ענק הגורם ליישורם. מסתבר שהדבר פעל אך לא פתר את כל המוזרויות.

ואז, בדרך מקרה, שמו השניים לב לכך שאם בסימולציות אותו כוכב לכת מיושר בצורה הופכית, כלומר מסלול שבו המרחק הקרוב ביותר של כוכב הלכת אל השמש, או הפריהליון, ניצב 180 מעלות מול הפריהליון של כל העצמים וכוכבי הלכת הידועים, אזי אותם עצמי חגורת קויפר אכן מתיישרים כמו במציאות.

“התגובה הטבעית היא לומר שגיאומטרית מסלול זה לא יכולה להיות נכונה. מדובר במסלול לא יציב לאורך זמן, כי הוא יגרום לכוכב הלכת ולעצמים אלה להתנגש בסופו של דבר.”אומר באטיגין. “ישנו מנגנון המכונה תהודת תנועה ממוצעת. המסלול המיושר הופכית של כוכב הלכת התשיעי למעשה מונע מאותם עצמי חגורת קויפר להתנגש עימו ושומר אותם מיושרים. מכיוון שהם לכאורה מגיעים לאותה נקודה אחת לתקופה, כמו הורה שדוחף את הנדנדה של ילדו כל פעם שהיא מתקרבת אליו,  כוכב הלכת התשיעי דוחף תקופתית את מסלוליהם של העצמים הללו כך שתצורתם ביחס לכוכב הלכת נשמרה. “ובכל זאת, הייתי מאוד סקפטי,” אומר באטיגין. ” מעולם לא ראיתי דבר כזה במכניקה של כוכבי  הלכת”.

אבל לאט לאט, כאשר החוקרים חקרו תכונות והשלכות נוספות של המודל הם שוכנעו. “תאוריה טובה לא צריכה להסביר רק דברים שאנו יודעים אלא להסביר תצפיות ולחזות כיצד לבדוק זאת.” אמר באטיגין.

קיומו של כוכב הלכת התשיעי מסביר את התצפיות

ואכן קיומו של כוכב הלכת התשיעי מסייע להסביר יותר מאשר רק את היישור של עצמי חגורת קויפר הרחוקים. הוא גם מספק הסבר למסלולים המסתוריים שהשניים עקבו אחריהם. הראשון – כוכב הלכת הננסי סדנה שהתגלה על ידי בראון בשנת 2003. בניגוד לעצמי חגורת קויפר האחרים נראה כי סדנה נבעט החוצה ממערכת השמש הפנימית על ידי נפטון ולמרות שהוא חוזר פנימה הוא לא יתקרב לעולם לנפטון. עצם נוסף הוא VP113 שהתגלה בשנת 2012 והוכרז על ידי טרוחיו ושפרד בשנת 2014 ככוכב לכת ננסי. השניים מצאו כי הנוכחות של כוכב לכת תשיעי במסלול המוצע גורמת באופן טבעי לעצמים כגון סדנה להימשך פחות למסלול של נפטון.

אבל התמרוץ האמיתי לחוקרים היה העובדה שההדמיות שלהם גם חזו קיומם של עצמים בחגורת קויפר הנמצאים במסלולים נוטים בניצב למישור של כוכבי הלכת. באטיגין המשיך לחקור זאת בסימולציות והראה זאת לבראון. “פתאום הבנתי שיש עצמים דומים לאלה”, נזכר בראון. בשלוש השנים האחרונות זיהו אסטרונומים תצפיתיים ארבעה עצמי חגורת קויפר שמסלוליהם ניצבים לזה של נפטון ועצם אחד בזווית שונה. בדקתי את מיקומם של העצמים ומסלוליהם והם תאמו את הסימולציות בדיוק”, אומר בראון. “כשגילינו זאת, הלסת שלי פגעה ברצפה.”

“כשאותה הסימולציה גרמה ליישור עצמי חגורת קויפר המרוחקים ויצרה עצמים כמו סדנה נראה הדבר מדהים. – אתה הורג שתי ציפורים במכה אחת”, אומר Batygin. ” אבל כאשר קיומו של כוכב הלכת הזה גם מסביר מסלולי ניצב אלה, לא רק שאתה הורג שתי ציפורים, גם תפסת ציפור שלא מבינה ואשר ישבה על עץ סמוך.”

היכן נמצא כוכב הלכת התשיעי וכיצד נראית מערכת השמש החיצונית? מדענים רבים האמינו כי מערכת השמש המוקדמת החלה עם ארבע ליבות פלנטריות שהמשיכו ללכוד את כל הגז סביבם, ויצרו את ארבעה כוכבי הלכת הגזיים – צדק, שבתאי, אורנוס, ונפטון.  לאורך זמן, התנגשויות ופליטות עיצבו אותם והעבירו אותם למסלוליהם הנוכחיים. “אבל אין שום סיבה שלא יכולות להיות חמש ליבות ולא ארבע” אומר בראון. כוכב הלכת התשיעי עשוי לייצג את הליבה החמישית ואם הוא התקרב מדי לצדק ושבתאי הוא יכול היה להיפלט למסלול הרחוק, האקסצנטרי שלו.
באטיגין ובראון ממשיכים לעדן את הסימלוציות שלהם וללמוד עוד על מסלול כוכב הלכת והשפעתו על מערכת השמש החיצונית בינתיים החלו בראון ועמיתים תצפיתניים נוספים לסרוק את השמים כדי לחפש את כוכב הלכת התשיעי. מסלולו ידוע רק באופן גס, ולא ברור היכן הוא נמצא לאורך מסלולו האליפטי. אם הוא במקרה קרוב לפריהליון שלו, אומר בראון, אסטרונומים צריכים להיות מסוגלים לזהות אותו בתמונות שצולמו על ידי סקרים קודמים. אם הוא נמצא בחלק המרוחק ביותר של מסלולו, הטלסקופים הגדולים בעולם – כגון טלסקופי 10 מטר התאומים במצפה קק וטלסקופ סובארו – כולם על פסגת הר מאונה קיאה בהוואי – יידרשו כדי לצפותו בו. אם הוא נמצא באמצע הדרך, ניתן יהיה להפנות אליו טלסקופים רבים כדי לצפות בו.

“אני אשמח למצוא אותו”, אומר בראון. “אבל אהיה מאושר באותה מידה אם מישהו אחר ימצא אותו. זו הסיבה שאנחנו מפרסמים מאמר זה. אנו מקווים שאנשים אחרים יקבלו השראה ויתחילו לחפש.

במונחים רחבים יותר של ההקשר של מערכת השמש ביקום, אומר באטיגין כי בכמה דרכים, כוכב לכת תשיעי זה שנראה לנו מוזר בעצם הופך את מערכת השמש שלנו דומה יותר למערכות השמש האחרות שאסטרונומים מגלים סביב כוכבים אחרים. ישנם כוכבי לכת קרובים מאוד לכוכב המארח שלהם, ואחרים מרוחקים. המסה הנפוצה של כוכבי לכת כאלה נעה בין 1 ל-10 פעמים המסה של כדור הארץ, כלומר בין מסת כדור הארץ למסת נפטון. עד עכשיו חשבנו שמערכת השמש היתה חסרה את הסוג הנפוץ ביותר של כוכבי לכת, אולי אנחנו יותר נורמלים אחרי הכל.”

בראון, שהיה לו תפקיד משמעותי בהורדת פלוטו למעמד של כוכב לכת ננסי מוסיף, “כל האנשים האלה הרוגזים על כך שפלוטו כבר לא כוכב לכת יכולים להיות מאושרים לדעת שיש שם בחוץ כוכב לכת אמיתי שעדיין ניתן למצוא “, הוא אומר. “עכשיו אנחנו יכולים ללכת ולמצוא כוכב הלכת הזה ולהחזיר את מערכת השמש לגודלה הקודם – תשעה כוכבי לכת.”

להודעה של החוקרים

למאמר המדעי “ראיות לכוכב לכת ענק רחוק במערכת השמש.”

עוד בנושא באתר הידען:

• נאס”א – למרות סריקה מקיפה, טלסקופ ווייז לא הצליח לאתר את כוכב הלכת X
• פלוטו ומעבר לו
• עשרים השאלות הנפוצות שנאס”א השיבה עליהן בתגובה להודעות שפורסמו ברשת לקראת 2012