Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 4 – vyšlo 26. ledna, ročník 14 (2016)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Devátá planeta opět na scéně

Jakub Rozehnal

V minulém týdnu nás média horečnatě informovala o „objevu deváté planety sluneční soustavy“. Tato zpráva vycházela z článku Konstantina Batygina a Michaela E. Browna s názvem „Evidence for a distant giant planet in the Solar system“, tedy volně přeloženo „Důkaz o přítomnosti vzdálené obří planety ve sluneční soustavě“, publikovaném dne 20. ledna 2016 v renomovaném časopise The Astronomical Journal.

Umělecká představa deváté planety sluneční soustavy, která by mohla obíhat po excentrické dráze dvacetkrát dále od Slunce, než se nachází poslední planeta Neptun. Zdroj: Caltech/R. Hurt.

Planeta – nebeské těleso, které: 1) obíhá okolo Slunce. 2) má dostatečnou hmotnost, aby jeho gravitace překonala vnitřní síly pevného tělesa (dosáhne kulového tvaru odpovídajícího hydrostatické rovnováze). 3) vyčistí okolí své dráhy od drobnějších těles. Planetami jsou Merkur, Venuše, Země, Mars, Jupiter, Saturn, Uran a Neptun. V poslední době se název planeta vžil i pro exoplanety obíhající kolem jiných hvězd, než je naše Slunce.

Trpasličí planeta – nebeské těleso, které: 1) obíhá okolo Slunce. 2) má dostatečnou hmotnost, aby jeho gravitace překonala vnitřní síly pevného tělesa (dosáhne přibližně kulatého tvaru odpovídajícího hydrostatické rovnováze). 3) není satelitem jiného tělesa. 4) nevyčistí okolí své dráhy od drobných těles (na rozdíl od planety). K typickým trpasličím planetám patří velká tělesa Kuiperova pásu, z nichž nejznámější je Pluto.

Planetka – nesprávně asteroid, malé těleso o rozměrech maximálně stovek kilometrů na samostatné dráze kolem Slunce. Nejvíce planetek se nachází v tzv. Hlavním pásu mezi drahami Marsu a Jupiteru. Obdobná tělesa jsou i v Kuiperově pásu za drahou Neptunu.

Kuiperův pás – oblast malých těles za drahou Neptunu. Vnitřní okraj pásu se nachází ve vzdálenosti asi 30 a vnější asi ve vzdálenosti 500 astronomických jednotek od Slunce. Je „položen“; do roviny ekliptiky. Dnes známe tisíce objektů Kupierova pásu a předpokládá se, že existuje přes 100 000 objektů s velikostí větší než 100 kilometrů. Průměry těles nepřesahují (až na ojedinělé výjimky) 400 km. Celková hmotnost všech těles se odhaduje na 0,1 hmotnosti Země. Nejznámějším tělesem Kuiperova pásu je Pluto.

Většina médií bohužel čerpala především z názvu článku a nikoli z jeho obsahu, což vyvolalo řadu nedorozumění a chybných interpretací obsažených informací. Jistou roli zde sehrála skutečnost, že systém hodnocení vědecké práce je z velké části založen na počtu citací, které publikace získá. Vzhledem k obrovskému množství publikovaných prací je doslova nutností zvolit název článku tak, aby zaujal co největší počet potenciálních čtenářů, a proto bývají často voleny „bombastické“ názvy, které jsou do jité míry expresivní formou vyjádření obsahu práce. Jak je to tedy s „objevem“ deváté planetyPlaneta – nebeské těleso, které: 1) obíhá okolo Slunce. 2) má dostatečnou hmotnost, aby jeho gravitace překonala vnitřní síly pevného tělesa (dosáhne kulového tvaru odpovídajícího hydrostatické rovnováze). 3) vyčistí okolí své dráhy od drobnějších těles. Planetami jsou Merkur, Venuše, Země, Mars, Jupiter, Saturn, Uran a Neptun. V poslední době se název planeta vžil i pro exoplanety obíhající kolem jiných hvězd, než je naše Slunce. sluneční soustavy doopravdy?

Celý případ potenciální oběžnice vychází z analýzy dynamiky malých těles sluneční soustavy, obíhajících SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium. za drahou NeptunuNeptun – poslední z obřích planet. Podobně jako ostatní obří planety má prstence, rozsáhlou soustavu měsíců a pásovitou strukturu atmosféry s obřími víry – skvrnami. Neptun je téměř stejně velký jako Uran. Průměrná hvězdná velikost je 7,8^m, a proto nemůže být pozorován okem. Atmosféra má pásovitou strukturu, rotace je diferenciální s průměrnou periodou 19 hodin. Vlastní rotační perioda planety je 16 hodin, atmosféra tedy vzhledem k povrchu rotuje retrográdně. V atmosféře se nachází obří anticyklóny, například Malá a Velká temná skvrna. Atmosféra má zelenomodrou barvu, v horních vrstvách převládá vodík a helium. Modrozelené zabarvení je způsobeno stopami metanu. Rychlosti větru naměřené sondou Voyager 2 přesahují 2 000 km/h. Magnetické pole má dipólový charakter, osa je skloněna 47° vzhledem k rotační ose a posunutá od středu o 0,55 poloměru.. V této oblasti, označované obecně jako Kuiperův pásKuiperův pás – oblast malých těles za drahou Neptunu. Vnitřní okraj pásu se nachází ve vzdálenosti asi 30 a vnější asi ve vzdálenosti 500 astronomických jednotek od Slunce. Je „položen“; do roviny ekliptiky. Dnes známe tisíce objektů Kupierova pásu a předpokládá se, že existuje přes 100 000 objektů s velikostí větší než 100 kilometrů. Průměry těles nepřesahují (až na ojedinělé výjimky) 400 km. Celková hmotnost všech těles se odhaduje na 0,1 hmotnosti Země. Nejznámějším tělesem Kuiperova pásu je Pluto., dnes známe přibližně 2 000 těles. Odhaduje se však, že zde může obíhat asi 40 000 těles o průměru větším než 100 km. Tato tělesa pocházejí ještě z doby, kdy se utvářely planety sluneční soustavy, a celá oblast jejich výskytu je dramaticky poznamenaná bouřlivými událostmi, které doprovázely závěrečné fáze vzniku našeho planetárního systému, viz například AB 44/2010, 22/2010 a 13/2009. V AB 10/2013 jsme podrobněji popisovali strukturu Kuiperova pásu, ve kterém se nachází několik dynamických populací – „klasický“ Kuiperův pás, který představuje zbytek původní populace planetesimál obíhajících ve vzdálenostech mezi 42÷48 auAU – astronomická jednotka (Astronomical Unit), původně střední vzdálenost Země od Slunce, v roce 2012 ji IAU definovala jako 149 597 870 700 m přesně a změnila zkratku z AU na au. Astronomická jednotka se používá především pro určování vzdáleností ve sluneční soustavě, pro přibližné odhady postačí hodnota 150 milionů kilometrů. od SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium. na málo excentrických drahách s nízkými sklony (tzv. dynamicky chladná populace), a dále rozptýlený disk, který se rozprostírá do větších vzdáleností (nad 100 au). Tělesa rozptýleného disku mají vysoké sklony drah (i 40°) a velké excentricityExcentricita – výstřednost, poměr vzdálenosti ohniska od středu elipsy k délce hlavní poloosy. U pohybu těles v gravitačním poli jde o jeden ze základních dráhových elementů. (větší než 0,4). Jejich periheliaPerihelium – přísluní, bod na eliptické dráze kolem Slunce, který je Slunci nejblíže. Obdobně perigeum je stejný bod na orbitě kolem Země a periluna na orbitě kolem Měsíce. však leží u dráhy Neptunu, což svědčí o tom, že se jedná o tělesa původního disku, jež byla na své dráhy vypuzena právě gravitační perturbací způsobenou NeptunemNeptun – poslední z obřích planet. Podobně jako ostatní obří planety má prstence, rozsáhlou soustavu měsíců a pásovitou strukturu atmosféry s obřími víry – skvrnami. Neptun je téměř stejně velký jako Uran. Průměrná hvězdná velikost je 7,8^m, a proto nemůže být pozorován okem. Atmosféra má pásovitou strukturu, rotace je diferenciální s průměrnou periodou 19 hodin. Vlastní rotační perioda planety je 16 hodin, atmosféra tedy vzhledem k povrchu rotuje retrográdně. V atmosféře se nachází obří anticyklóny, například Malá a Velká temná skvrna. Atmosféra má zelenomodrou barvu, v horních vrstvách převládá vodík a helium. Modrozelené zabarvení je způsobeno stopami metanu. Rychlosti větru naměřené sondou Voyager 2 přesahují 2 000 km/h. Magnetické pole má dipólový charakter, osa je skloněna 47° vzhledem k rotační ose a posunutá od středu o 0,55 poloměru.. Trpasličí planetaTrpasličí planeta – nebeské těleso, které: 1) obíhá okolo Slunce. 2) má dostatečnou hmotnost, aby jeho gravitace překonala vnitřní síly pevného tělesa (dosáhne přibližně kulatého tvaru odpovídajícího hydrostatické rovnováze). 3) není satelitem jiného tělesa. 4) nevyčistí okolí své dráhy od drobných těles (na rozdíl od planety). K typickým trpasličím planetám patří velká tělesa Kuiperova pásu, z nichž nejznámější je Pluto. SednaSedna – název nově objeveného tělesa 2003 VB12. Jméno je vypůjčeno od severských Inuitů (Eskymáků) a v jejich řeči znamená bohyni moře. Je známa z pověsti, kdy je doprovázena tuleni a velrybami. Tato pověst vznikla na kanadském Labradoru. Jde o transneptunické těleso s načervenalou barvou o průměru zhruba 1 700 km (tedy něco mezi Cháronem a Plutem) s velmi eliptickou drahou (e = 0,86) a sklonem k ekliptice 12 stupňů. Přísluní je 75,8 AU od Slunce a odsluní ve vzdálenosti téměř 1 000 AU, hlavní poloosa dráhy má délku 531,7 AU a oběžnou dobu 12 260 let. Teplota na povrchu se odhaduje zhruba na −240 °C. patřila mezi první objevená tělesa tzv. odděleného disku. Dráha Sedny je oddělená od Neptunu, nikde se k ní nepřimyká, tudíž se na ni nemohla dostat perturbací Neptunem. Pro existenci těles odděleného disku nemáme dosud žádné uspokojivé vysvětlení. Jednou z možností je gravitační rušení dosud neznámým velkým tělesem, mezi další možnosti patří třeba gravitační perturbace drah blízkou hvězdou, ke které došlo v období, kdy bylo Slunce součástí mladé otevřené hvězdokupyOtevřená hvězdokupa – fyzikálně příbuzná skupina hvězd, která drží pohromadě gravitační přitažlivostí a má společný původ. Většina hvězd se vytvořila ze stejné mlhoviny, a tak mají podobné počáteční chemické složení. Otevřená hvězdokupa může mít desítky až desítky tisíc jedinců. Na rozdíl od kulové hvězdokupy zpravidla nevykazuje otevřená hvězdokupa kulové prostorové uspořádání..

Kuiperův pás a Oortův oblak. Kresba Ivan Havlíček.

Analýza parametrů drah těles odděleného disku odhalila, že řada těles vytváří nápadné shluky v hodnotách některých parametrů. Konkrétně se jedná o velikosti sklonůSklon dráhy – jeden ze základních elementů dráhy tělesa v gravitačním poli. Pro tělesa ve sluneční soustavě jde o úhel mezi rovinou oběhu tělesa a rovinou ekliptiky (pohybu Země kolem Slunce). a hodnotu tzv. argumentu periheliaArgument perihelu – element dráhy udávající úhel ω mezi přímkou apsid (hlavní osou eliptické dráhy) a uzlovou přímkou (spojnicí průsečíků dráhy s rovinou ekliptiky)., což je úhel mezi periheliem a vzestupným uzlemUzel – průsečík dráhy tělesa s nějakou významnou rovinou, zpravidla rovinou oběžné dráhy Země kolem Slunce (s tzv. rovinou ekliptiky). Dráha skloněná vzhledem k rovině ekliptiky s ní má dva průsečíky (uzly). dráhy (tj. bodem, ve kterém dráha tělesa kříží ekliptikuEkliptika – zdánlivá dráha Slunce na obloze. Průsečnice, v níž rovina dráhy Země kolem Slunce protíná světovou sféru. Rovina ekliptiky je rovinou oběžné dráhy Země. a těleso se zde dostává „z pod ekliptiky nad ekliptiku“). Pokud jsou argumenty perihelia několika těles podobné, znamená to, že jejich eliptické dráhy jsou v prostoru podobně orientované.

Poloha periheliaPerihelium – přísluní, bod na eliptické dráze kolem Slunce, který je Slunci nejblíže. Obdobně perigeum je stejný bod na orbitě kolem Země a periluna na orbitě kolem Měsíce. (a tedy i hodnota argumentu periheliaArgument perihelu – element dráhy udávající úhel ω mezi přímkou apsid (hlavní osou eliptické dráhy) a uzlovou přímkou (spojnicí průsečíků dráhy s rovinou ekliptiky).) se u všech oběžnic Slunce s časem mění díky gravitačnímu působení mezi obíhajícími tělesy. Roztočíme-li na stole klasickou „káču“, můžeme pozorovat, jak se její osa „kýve“ – opisuje plášť kužele. Tento pohyb nazýváme precesíPrecese – obecně pohyb osy setrvačníku po kuželové ploše vlivem vnějších sil. V astronomii tak označujeme kuželový pohyb zemské osy s periodou 25 772 roků (tzv. Platonský rok) a úhlem mezi osou kužele a jeho povrchem 23,4°. Pohyb osy způsobují kombimované síly Slunce, Měsíce a planet. Díky tomuto pohybu byla Polárkou egyptské civilizace hvězda Thuban ze souhvězdí Draka. a je způsoben tím, že na setrvačník alias káču působí moment sil, reprezentovaných zemskou gravitací a reakcí káči opírající se o podložku. Těleso obíhající kolem Slunce je vlastně také setrvačníkem – pokud nás nezajímá aktuální poloha oběžnice, můžeme si ji představit jako „obruč“ o hmotnosti daného tělesa, jehož hmota je rovnoměrně rozprostřena podél jeho dráhy. Na obíhající těleso pak působí gravitace ostatních těles, zejména planet, což vyvolává moment sil, působících na setrvačník. Osa dráhy všech obíhajících těles proto vykonává pomalý precesní pohyb, což má za následek i stáčení polohy perihelia.

Podobná orientace drah některých těles transneptunického disku je překvapivá proto, že gravitační rušení obřími planetami by mělo v časové škále miliard let způsobit náhodné rozmístění poloh perihelií. U těles, která se nepřibližují ke Slunci na vzdálenost menší než 30 au a zároveň obíhají v průměrné vzdálenosti nad 150 au od Slunce potvrdila analýza jejich drah skutečnost, že poloha jejich perihelií je orientovaná nenáhodně. Perihélia všech šesti známých těles na dynamicky stabilních drahách jsou orientována do úhlu menšího než 90º, pět z těchto těles má dokonce perihelia shodná v rozmezí do 45º. Všechny dráhy navíc mají podobné sklony v rozmezí 5º÷25º.

Hypotézu, že jsou tělesa na podobné dráhy „tlačena“ přítomností hmotné oběžnice, otestovali autoři článku tím, že provedli sérii numerických simulacíPočítačová simulace – napodobení skutečnosti pomocí numerického výpočtu, nezbytná součást modelování fyzikálních procesů. Dokáže na základě sofistikovaných algoritmů předpovědět jak kvantitativní, tak kvalitativní výsledky pokusů při různých počátečních podmínkách. Umožňuje omezit výběr jevů, které celý pokus ovlivňují nejvíce, a tím vysvětlit příčiny a podstatu procesů.. V nich testovali dynamický vývoj drah 40 testovacích částic, obíhajících kolem Slunce na drahách s počáteční excentricitou 0,05÷0,95, jejichž perihelia byla rovnoměrně orientována do všech směrů. Parametry dráhy rušící planety byly v jednotlivých simulacích nastaveny tak, že oběžnice s hmotností desetinásobku hmotnosti Země obíhala ve střední vzdálenosti v rozmezí 200÷2000 au s excentricitou 0,1÷0,9. Tyto simulace prokázaly, že pozorované rozmístění perihélií malých těles může způsobit gravitační rušení způsobené planetou obíhající po excentrické dráze (excentricita 0,6) ve střední vzdálenosti 700 au od Slunce a s přísluním orientovaným opačně, než je poloha perihelií malých těles. Obíhající planeta navíc dokáže vysvětlit přítomnost těles v odděleném disku, jak jsme již poznamenali výše.

Dráhy těles Kuiperova pásu s velkou poloosou a >150 au. Pohled „shora“ ukazuje, že pericentra jsou orientována do podobných směrů. Vyznačena je rovněž předpokládaná dráha deváté planety, jejíž perihelium je orientováno „naproti“ periheliu malých těles. Zdroj: Caltech/R. Hurt.

Jak je to s možností detekce případné oběžnice? Planeta by se měla v přísluní přibližovat na vzdálenost 360 au. To znamená, že její jasnostJasnost – osvětlení vyvolané hvězdou nebo jiným tělesem v rovině proložené pozorovacím místem a kolmé k dopadajícím paprskům. Logaritmická míra této veličiny se nazývá hvězdná velikost neboli magnituda. Jasnost je vázána na vzdálenost a pohlcování světla v mezihvězdném prostoru – tzv. extinkci. Vztah mezi jasností a hvězdnou velikostí vyjadřuje Pogsonova rovnice:
m₂ − m₁ = 2,5 log I₁ / I₂. v periheliu by mohla dosahovat přibližně 20 magMagnituda – někdy též zdánlivá magnituda, logaritmická míra jasnosti objektu, m = −2,5 log J. Tato definiční rovnice se nazývá Pogsonova rovnice (zavedl ji anglický astronom Norman Pogson v roce 1856). Koeficient je volen tak, aby hvězdy s rozdílem pěti magnitud měly podíl vzájemných jasností 1:100. Znaménko minus v definici je z historických důvodů. Magnitudy takto vypočtené odpovídají historickému dělení hvězd do šesti skupin (nula nejjasnější, 5 nejméně jasné pozorovatelné okem). Nejjasnější hvězda na severní polokouli Arcturus má magnitudu −0.05, nejjasnější hvězda celé noční oblohy, Sírius, má magnitudu –1.6. Relativní magnituda vypovídá o skutečné jasnosti hvězdy na obloze, která kromě svítivosti závisí také na vzdálenosti hvězdy. Rozlišujeme bolometrickou magnitudu (v celém spektru) a vizuální magnitudu (pouze ve viditelném spektru)., což je například v dosahu celooblohové přehlídky Pan-STARRSPan-STARRS – Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System, přehlídkový projekt, který sleduje pohybující se objekty a provádí jejich astrometrii a fotometrii. Pozorování mají na starosti dva dalekohledy o průměru 1,8 metru umístěné na Havajských ostrovech.. Naopak v afeliu se planeta vzdálí až na 1 100 au od Slunce, takže její jasnost by mohla poklesnout až k 26 mag. To je však stále v dosahu velkých dalekohledů jako je KeckKeck – Dvojice obřích, pohyblivých segmentovaných dalekohledů. Jsou umístěny na hoře Mauna Kea na Havajských ostrovech v nadmořské výšce 4 123 metrů. Každé zrcadlo je tvořeno 36 šestiúhelníkovými segmenty a má průměr 10 metrů. Keckovy dalekohledy byly uvedeny do provozu v letech 1993 a 1996. či SubaruSubaru – japonský dalekohled o průměru 8,2 metru umístěný na hoře Mauna Kea na Havajských ostrovech. Zprovozněn byl v roce 2005.. Pátrání po planetě by mohlo být také výzvou pro velký přehlídkový dalekohled LSSTLSST – Large Synoptic Survey Telescope, česky Velký celooblohový dalekohled. Původní název pro nový přehlídkový dalekohled o průměru 8,4 metru stavěný v Chile v oblasti Cerro Pachón. Jeho kamera bude mít 3 200 megapixlů a bude snímat miliardy objektů v šesti pásmech. První světlo se očekává v roce 2021 a rutinní skenování oblohy od roku 2023. V roce 2020 byl dalekohled přejmenován na Observatoř Very Rubinové, významné osobnosti ve výzkumu temné hmoty., jehož stavba by měla být ukončena v roce 2019. Případné potvrzení hypotézy o deváté planetě sluneční soustavy by bylo jistě obrovským úspěchem a také příležitostí, jak ověřit naše představy o vývoji rané sluneční soustavy. Následovat budou pokusy o vysvětlení, jak se vlastně planeta do vzdálených končin sluneční soustavy vůbec dostala. Mohla být na svou excentrickou dráhu „vykopnuta“ při blízkém setkání s některou z vnějších planet a následně zadržena na současné dráze tzv. dynamickým třením v transneptunickém disku (viz AB 44/2010)? Mohlo by se jednat o „pátou obří planetu“, jejíž setkání s Jupitererm a následnou exkomunikaci ze sluneční soustavy předpověděl astronom David Nesvorný v roce 2011? Ať tak či jinak, z dynamického modelu vývoje dráhy planety jistě vyplynou další skutečnosti, které by bylo možné experimentálně ověřit. Doufejme, že se to podaří.

Odkazy