Scott Sheppard heeft ongeveer 15 minuten nodig om te lopen naar het werk bij het Department of Terrestrial Magnetism van de Carnegie Institution, een onderzoeksfaciliteit in Washington, DC, die oorspronkelijk werd opgericht in 1904 om expedities te ondersteunen om het magnetische veld van de aarde in kaart te brengen. Vandaag herbergt de campus planetaire wetenschappers van alle disciplines, inclusief Sheppard, die de hemellichamen van het extreme buitenste zonnestelsel bestudeert. Hij zegt dat hij tijdens het lopen zijn beste ideeën krijgt en dat hij zich gewoonlijk ergert aan kruispunten, die net voldoende aandacht vereisen om te voorkomen dat de geest op onverklaarbare wijze slentert. Gezien het feit dat Sheppard ervan overtuigd is dat een grote, onontdekte planeet in een baan rond de zon ver voorbij Pluto draait, kan men zich alleen voorstellen waar zijn geest dwaalt tijdens zijn ochtendwandelingen.
Het idee dat een enorme planeet, genaamd Planet 9 of Planet X, op zo'n grote afstand bestaat dat we het niet hebben kunnen vinden, heeft astronomen over de hele wereld op zoek naar aanwijzingen. Sheppard, die enkele van de meest verre objecten in het zonnestelsel heeft ontdekt, gelooft dat de baanbanen van deze kleine planeten hoogstwaarschijnlijk worden gevormd door de zwaartekracht van een hypothetische planeet 9. En vandaag kondigde zijn team de ontdekking aan van nog een andere extreem verre kleine planeet - het op een na verste bekende object in het zonnestelsel op gemiddelde afstand - dat opnieuw het kenmerk van een ruimterots draagt in de greep van een onontdekte reuzenplaneet.
“Eens per eeuw vinden we een planeet, toch? Het is dus tijd om er weer een te vinden, 'zegt Sheppard.
The Goblin
Het nieuwe object, officieel 2015 TG387 genoemd, draait rond een speciale klasse hemellichamen die bekend staan als Inner Oort Cloud-objecten, of extreme trans-Neptuniaanse objecten (ETNO's). Het lichaam van rots en ijs, bijgenaamd "de Goblin" door het ontdekkingsteam, bevindt zich momenteel ongeveer 80 astronomische eenheden (AU) van de zon, of ongeveer twee keer zo ver als de gemiddelde afstand van Pluto. De Goblin reist echter op een zeer langwerpige baan die hem naar de uiterste uiterste uithoeken van ons zonnestelsel brengt, terwijl hij tijdens zijn 40.000-jarige reis rond de zon uitloopt tot 2.300 AU.
Maar net zo intrigerend als de aphelion van het object, of het verste punt van de zon, is de Goblin misschien nog interessanter voor zijn perihelion, of het dichtstbijzijnde punt. De kleine planeet, die wordt geschat op ongeveer 300 kilometer in diameter (ongeveer een zevende van de grootte van Pluto), komt slechts in de buurt van 65 AU (zes miljard mijl). Omdat de dichtstbijzijnde benadering echt helemaal niet dichtbij is, zegt Sheppard dat de Goblin nauwelijks wordt beïnvloed door de zwaartekracht van de enorme planeten zoals Jupiter en Neptunus.
"Het komt nooit ergens in de buurt van waar de gigantische planeten zijn", zegt hij. "Er zijn slechts drie van deze objecten die ver weg blijven."
De banen van de nieuwe extreme dwergplaneet 2015 TG387 en zijn collega Inner Oort Cloud-objecten 2012 VP113 en Sedna in vergelijking met de rest van het zonnestelsel. 2015 TG387 kreeg de bijnaam "The Goblin", omdat de voorlopige aanduiding TG bevat en het object voor het eerst in de buurt van Halloween werd gezien. 2015 TG387 heeft een grotere semi-hoofdas dan 2012 VP113 of Sedna, wat betekent dat het veel verder van de zon af reist op het verste punt in zijn baan, dat is ongeveer 2300 AU. (Roberto Molar Candanosa en Scott Sheppard, met dank aan Carnegie Institution for Science) De andere twee zijn Sedna en 2012 VP113, die perihelia van respectievelijk 76 en 80 AU hebben, hoewel ze nooit zo ver weg reizen als de Goblin. Samen beschouwd, beginnen deze drie objecten een verleidelijk beeld te produceren van hun verre rijk. Ze zijn ontkoppeld van de rest van het zonnestelsel, immuun voor de invloed ervan, en toch verschijnen ze allemaal in hetzelfde deel van de hemel.
"Als je naar Sedna kijkt, en je kijkt naar VP113, en je kijkt naar een paar van de andere extreme objecten met deze zeer verre banen, ze lijken allemaal erg op elkaar", zegt Sheppard. “Ze zijn allemaal geclusterd op hetzelfde deel van de hemel, ze komen allemaal naar perihelion - hun dichtste nadering van de zon - op dezelfde plaats, en je zou verwachten dat dat willekeurig aan de hemel is. ... Daarom denken we dat er een grotere planeet is, omdat deze deze objecten in dit soort banen brengt. "
Andere kleine planeten cirkelen op extreme afstanden, zoals FE72 2014, dat op afstand het meest bekende object is, maar ze hebben de neiging dichter naar de gigantische planeten te slingeren. 2014 FE72 kan bijvoorbeeld dichter bij de zon komen dan Pluto bij zijn dichtstbijzijnde nadering. Een overtuigende verklaring voor deze objecten is dat ze op een bepaald punt te dicht bij een van de gasreuzen liepen en naar extreme afstanden werden geslingerd, bijna volledig uitgeworpen - maar wanneer dit gebeurt, hebben de rotsachtige objecten de neiging om terug te draaien naar dichtbij het punt van vanwaar ze werden geslingerd.
Als het gaat om de Goblin, Sedna en 2012 VP113, heeft iets anders ze gevangen in een eenzame baan, uitgelijnd maar los van onze kleine buurt van planeten.
De schaduw van een onbekende planeet
Hoe waarschijnlijk het bestaan van een onontdekte massieve planeet is, die langzaam om de tienduizenden jaren op extreme afstanden rond de zon cirkelt, hangt af van wie je het vraagt. Van zijn kant zou Sheppard, die tientallen kleine planeten, kometen en manen heeft ontdekt, de kans dat Planet 9 bestaat op ongeveer 80 of 85 procent stellen - en hij is niet eens de meest optimistische.
"Mijn vertrouwen is ongeveer 99, 84 procent", zegt Konstantin Batygin, een planetaire astrofysicus en universitair docent aan het California Institute of Technology. Batygin maakt theoretische modellen van het buitenste zonnestelsel om naar hints van planeet 9 te zoeken, waarbij de cijfers op talloze kleine planeten worden gekraakt die zich in verschillende groepen bundelen en de invloeden van tientallen orbitale factoren. Zijn 2016-paper met Caltech-collega Michael Brown legde misschien het sterkste argument voor Planet 9 tot nu toe, met de conclusie dat er slechts een fractie van een procent waarschijnlijkheid was dat de groeperingen van deze objecten willekeurig plaatsvonden.
"Dit lichaam is een enorme nieuwe toevoeging, " zegt Batygin van de Goblin. "Het versterkt heel sterk de zaak voor Planet 9."
Een vergelijking van de TG387 2015 bij 65 AU met de bekende planeten van het zonnestelsel. Saturnus is te zien op 10 AU en de aarde is natuurlijk op 1 AU, omdat de meting wordt gedefinieerd als de afstand tussen de zon en onze thuisplaneet. (Roberto Molar Candanosa en Scott Sheppard, met dank aan Carnegie Institution for Science) Anderen zijn niet zo zelfverzekerd. “Ik zou niet naar het niveau van 85 procent gaan. Er zijn tegenstrijdige bewijzen, ”zegt David Tholen, een astronoom aan de Universiteit van Hawaï die deel uitmaakte van het team dat de Goblin ontdekte. Hij wijst naar het Cassini-ruimtevaartuig, dat meer dan 13 jaar rond Saturnus cirkelde en de dynamiek en krachten van het buitenste zonnestelsel meet. "Dat dient als een zeer gevoelige detector van andere dingen die er zijn, en de analyse van die gegevens suggereert dat we geen enkel bewijs zien voor [Planet 9]."
Maar zelfs als ze de Planet 9-hypothese niet kopen, zijn de meeste astronomen het erover eens dat iets onverklaarbaar objecten zoals de Goblin van het zonnestelsel weghaalt. Sommige theorieën suggereren dat tijdens de vroege vorming van de zon, meer dan 4, 5 miljard jaar geleden, toen andere sterren zich in de buurt vormden, de extreme zwaartekracht van een stellaire ontmoeting deze objecten had kunnen wegtrekken en ze in een "versteende" baan had achtergelaten, Sheppard zegt. Als alternatief bestaan er misschien genoeg van deze kleine planeten dat ze elkaars banen gedurende vele miljoenen jaren kunnen beïnvloeden door een proces dat zelfzwaartekracht wordt genoemd, waarbij ze elkaar geleidelijk steeds verder naar voren duwen.
"[Als er] veel van deze kleine planeten zijn zoals Sedna en dit nieuwe object, oefenen ze natuurlijk zwaartekrachten op elkaar uit", zegt Ann-Marie Madigan, een assistent-professor in astrofysica aan de Universiteit van Colorado, Boulder, die bestudeert modellen van zelfzwaartekracht op verre zonnestelselobjecten. Ze zegt dat deze kleine planeten 'zo ver weg van het innerlijke zonnestelsel zijn, met de gigantische planeten en dergelijke dingen, deze [zelfzwaartekracht] krachten kunnen zelfs extreem krachtig zijn. ... je hebt daar geen extra planeet nodig. '
Madigan geeft toe dat zelfzwaartekracht niet alles kan verklaren over de banen van de verre kleine planeten, zoals uitlijning langs hun 'lengte van perihelia', vergelijkbaar met de hoofdassen van de elliptische banen. En er zijn ook andere 'externe krachten' om te overwegen, zegt Sheppard, zoals het galactische tij - de collectieve zwaartekracht van alles in de Melkweg inclusief het superzware zwarte gat in het midden. Theorieën die het bestaan van Planet 9 voorspellen, houden rekening met al deze invloeden, maar er kan ook een onbekend proces aan de gang zijn.
"Dit is geweldig", zegt Michele Bannister, een planetaire astronoom aan Queen's University Belfast in het VK, die van 2013 tot 2017 mede-leiding gaf aan de Outer Solar System Origins Survey (OSSOS), die 840 verre kleine planeten detecteerde. “We hebben een hele reeks theorieën die deze populatie proberen te verklaren. Dit is het teken van een goed gezond actief veld. ”
De zoekopdracht verfijnen
Sheppard vergelijkt de clustering van de Goblin, Sedna en 2012 VP113 met een relatie tussen Neptunus en Pluto. Hoewel Neptunus het baanpad van Pluto kruist, komen de twee planetaire lichamen nooit dicht bij elkaar omdat ze vastzitten in een zwaartekrachtrelatie - bekend als resonantie - waardoor Pluto twee keer om de drie banen van Neptunus draait. Als je niet wist waar Neptunus was, zou je de gigantische planeet kunnen lokaliseren door Pluto nauwlettend te observeren. Hoewel de drie extreem verre kleine planeten niet opgesloten zouden raken in zo'n stabiele relatie met Planeet 9, zou een vergelijkbare zwaartekrachtrelatie kunnen optreden.
Als de kleine planeten in een zwaartekrachtdans dansen met Planeet 9, zou dit echter kunnen betekenen dat de grote planeet ver, ver weg is - in de buurt van het aphelion van zijn baan ongeveer 1.000 AU van de zon. We hebben slechts een ruw idee van de grootte van planeet 9 - tussen twee en vier keer die van de aarde, als die bestaat - en geen manier om te bepalen hoeveel licht het reflecteert, wat het ongelooflijk moeilijk maakt om naar te zoeken. De enige reden waarom we kleinere objecten in de verte zoals de Goblin hebben kunnen vinden, is omdat ze zich in de buurt van hun dichtstbijzijnde nadering bevinden, slechts een moment van stellaire tijd zichtbaar zijn voordat ze terug de schaduw in slingeren.
De ontdekkingsbeelden van de TG387 2015, genomen op de Subaru 8-meter telescoop boven op Mauna Kea in Hawaii op 13 oktober 2015. De beelden werden genomen met een tussenpoos van ongeveer 3 uur. 2015 TG387 is te zien bewegen tussen beelden nabij het midden, terwijl de veel verder weg gelegen sterren en sterrenstelsels stilstaan. Afbeelding wordt geleverd door Scott Sheppard. (Afbeelding geleverd door Scott Sheppard) "Negenennegentig procent van hun baan, we zouden ze niet vinden, " zegt Sheppard. "Dus we vinden gewoon het topje van de ijsberg."
De jacht op Planet 9 lijdt aan een ernstig gebrek aan gegevens - voorlopig. Het is moeilijk om statistische conclusies te trekken met zo'n kleine steekproefgrootte van kleine planeten, vooral wanneer er waarschijnlijk duizenden bestaan. "Elk van deze detecties impliceert een enorme, ongeziene populatie, " zegt Bannister. "En dus observerende vooroordelen kunnen echt van invloed zijn op de conclusies die je trekt over het bestaan van die enorme ongeziene populatie, en welke vormen zijn banen in de ruimte aannemen, en wat potentieel ze worden gevormd door of zouden kunnen zijn gevormd door."
De Goblin werd voor het eerst opgemerkt in 2015 door de Japanse 8-meter Subaru-telescoop op Mauna Kea in Hawaii, maar de kleine planeet is zo ver weg dat drie jaar follow-upobservaties nodig waren met telescopen in Chili en Arizona voordat de baan kon worden berekend, onthult zijn ware pad en afstand. Verschillende extra kleine planeten zijn ontdekt, en wanneer astronomen hun baanparameters verfijnen, zullen ze een beter idee hebben van waar de enorme planeet is verborgen - of helemaal niet.
De Subaru-telescoop op Mauna Kea, Hawaii. (Wikimedia Commons / CC 2.0) "Het feit dat Planet 9 aan het einde van de dag daar is of niet, en de wiskunde die ik heb gedaan is goed of fout, is eigenlijk een prachtig aantrekkelijk aspect van dit hele probleem, " zegt Batygin. “Dit is niet een van deze problemen waar je over kunt speculeren tot je sterft. ... ik denk dat de komende 10 jaar genoeg tijd is. "
Voortdurende surveys van de hemel met telescopen zoals Subaru en nieuwe observatoria zoals de Large Synoptic Survey Telescope (LSST) - die de grootste digitale camera ter wereld heeft met 3, 2 gigapixels, ongeveer de grootte van een kleine auto - zullen nog meer objecten ontdekken terwijl ons begrip van het zonnestelsel groeit. Extra astronomisch werk, zoals de tweede gegevensrelease van de Gaia-ruimtetelescoop, helpt onze modellen van de bewegingen van de sterren door de geschiedenis van het heelal te verfijnen, waardoor de beperkingen op de extreem verre kleine planeten verder worden aangescherpt.
Als en wanneer al dit werk leidt tot de ontdekking van Planeet 9, zegt Sheppard: "het zal een triomf van de wetenschap zijn."
