Как человечество шло к открытию Планеты Х
Почему астрономы, которые давно уже научились искать планеты и вне Солнечной системы, раньше не замечали такое большое небесное тело по соседству?
На прошлой неделе была опубликована сенсационная работа американских ученых Майкла Брауна и Константина Батыгина, в которой они предсказали существование новой гигантской планеты в Солнечной системе (кстати, именно Браун в 2006/году «лишил» Плутон статуса планеты). Сразу же развернулась дискуссия, касающаяся достоверности данного открытия, главным образом потому, что проведенное Брауном и Батыгиным исследование не позволяет указать на небесной сфере какуюто конкретную точку, куда следует направить телескоп и увидеть предсказанную планету. Тем не менее гравитационное влияние планеты Брауна и Батыгина на окружающие объекты так велико, что вероятность ошибки оценивается всего в 0,007%.
Небесная механика: крутые повороты
Классическая небесная механика — это раздел астрономии, применяющий законы механики для изучения небесных тел. Она появилась еще в античной Греции, а в общепринятом смысле сформировалась в XVIII веке. Долгое время небесная механика имела дело только с небольшим набором объектов — планетами Солнечной системы, которые легко описываются как плоская конструкция из орбит, близких к круговым. Это позволяло ученым, не обладая серьезными вычислительными мощностями, делать заключения о поведении объектов Солнечной системы на больших промежутках времени.
После запуска первых космических аппаратов стало понятно, что ограничиваться изучением сравнительно простых конфигураций небесных объектов больше нельзя. Космические аппараты летают с любыми отклонениями от круговой траектории. Знаний, которыми владели традиционные небесные механики, не хватало для расчета их орбит, нужна была революция в подходах и методах. Поводом для такой революции стало открытие в середине 1990х годов планет у других звезд — так называемых экзопланет. Сейчас их известно уже более двух тысяч, они образуют около тысячи планетных систем. Экзопланетные системы — крепкий орешек для небесных механиков: у большинства таких систем нет ни малейшего сходства с Солнечной.
Впрочем, и в Солнечной системе у небесных механиков в последние десятилетия существенно прибавилось работы: сыграло свою роль развитие методов наблюдения малых астрономических объектов. В середине 80х годов было известно всего 20/тыс. астероидов, а сейчас — уже более 600/тыс.
Новые горизонты
Для того чтобы появились работы, подобные работе Батыгина и Брауна, помимо отказа от старых концепций, нужно было развитие специального математического аппарата. В частности, потребовалось построить теорию резонансных эффектов в орбитальном движении небесных тел — она помогла объяснить экзотические конфигурации планетных систем.
Пионером в этой области был мой старший коллега по Институту прикладной математики имени Келдыша — Михаил Львович Лидов. В конце 1950х годов он обнаружил, что иногда у орбиты, по которой планета движется вокруг звезды, можно наблюдать колебания наклонения и эксцентриситета (эксцентриситет характеризует отличие орбиты от окружности). Примерно в те же годы такой эффект независимо от Лидова открыл японский небесный механик Йошида Козаи. Поэтому в научной литературе это явление называется «эффектом (или резонансом) Козаи-Лидова». Ученые, которые сегодня занимаются исследованием экзопланетных систем, почти всегда пытаются выяснить: реализуется ли в какойто конкретной системе этот самый резонанс.
Развитие техники тоже способствовало прогрессу небесной механики. Появились вычислительные мощности для проведения компьютерного моделирования с невозможной прежде детальностью. Новые наблюдательные средства позволили фиксировать на небе то, что не удавалось обнаружить прежде с помощью классических фотопластинок. В 1990е годы начались открытия объектов в Койперовском поясе — области, находящейся за границами Нептуна и тянущейся на расстояние в 55/астрономических единиц (т.е. расстояний от Земли до Солнца). Позже Браун открыл крупные объекты типа Эриды (вторая по размеру карликовая планета после Плутона), и тогда же стало понятно, что мы не можем точно определить, что такое Солнечная система и планеты. Например, Плутон до 2006/года считался планетой, но как можно считать его таковой, если рядом летает Эрида, у которой масса больше? Пришлось изменить классификацию небесных объектов — ввести особый класс карликовых планет, к которому и были отнесены Плутон и Эрида.
Вне системы
Сразу за поясом Койпера начинается область с такой низкой заселенностью, что ее назвали рассеянным диском. И этот резкий переход от обилия объектов к пустоте показался ученым странным. Неоднократно высказывались предположения, что на границе пояса Койпера находится какойто неизвестный нам объект, формирующий его структуру. Браун и Батыгин выделили семейство объектов рассеянного диска, которые движутся по устойчивым орбитам, располагающимся в пространстве неким упорядоченным образом. Появление упорядоченности в распределении объектов, на первый взгляд никак между собой не связанных, говорит о наличии еще какогото фактора. В качестве этого фактора наши американские коллеги и предложили рассмотреть ту самую Планету Х. Справедливости ради надо отметить, что выводы их работы носят очень приблизительный характер. Аккуратная оценка массы планеты, точные значения параметров ее орбиты в работе Брауна и Батыгина отсутствуют. Область, в которой нужно искать планету, настолько широка, что пока сравнивать предсказание Планеты Х с предсказаниями Леверье и Адамса, на основе которых был открыт Нептун, никак нельзя. Но все равно это настоящий прорыв.
Важную роль в сделанном открытии сыграли предыдущие работы Константина Батыгина, посвященные динамике экзопланетных систем (в частности, орбитальным резонансам). И это яркий пример того, что должно делать современное образование — формировать ученого, у которого нет стереотипов о том, что может, а чего не может происходить в Солнечной системе, который способен отказаться от прежних моделей и предложить им замену.
Владислав Сидоренко, профессор кафедры теоретической механики МФТИ
На прошлой неделе была опубликована сенсационная работа американских ученых Майкла Брауна и Константина Батыгина, в которой они предсказали существование новой гигантской планеты в Солнечной системе (кстати, именно Браун в 2006/году «лишил» Плутон статуса планеты). Сразу же развернулась дискуссия, касающаяся достоверности данного открытия, главным образом потому, что проведенное Брауном и Батыгиным исследование не позволяет указать на небесной сфере какуюто конкретную точку, куда следует направить телескоп и увидеть предсказанную планету. Тем не менее гравитационное влияние планеты Брауна и Батыгина на окружающие объекты так велико, что вероятность ошибки оценивается всего в 0,007%.
Небесная механика: крутые повороты
Классическая небесная механика — это раздел астрономии, применяющий законы механики для изучения небесных тел. Она появилась еще в античной Греции, а в общепринятом смысле сформировалась в XVIII веке. Долгое время небесная механика имела дело только с небольшим набором объектов — планетами Солнечной системы, которые легко описываются как плоская конструкция из орбит, близких к круговым. Это позволяло ученым, не обладая серьезными вычислительными мощностями, делать заключения о поведении объектов Солнечной системы на больших промежутках времени.
После запуска первых космических аппаратов стало понятно, что ограничиваться изучением сравнительно простых конфигураций небесных объектов больше нельзя. Космические аппараты летают с любыми отклонениями от круговой траектории. Знаний, которыми владели традиционные небесные механики, не хватало для расчета их орбит, нужна была революция в подходах и методах. Поводом для такой революции стало открытие в середине 1990х годов планет у других звезд — так называемых экзопланет. Сейчас их известно уже более двух тысяч, они образуют около тысячи планетных систем. Экзопланетные системы — крепкий орешек для небесных механиков: у большинства таких систем нет ни малейшего сходства с Солнечной.
Впрочем, и в Солнечной системе у небесных механиков в последние десятилетия существенно прибавилось работы: сыграло свою роль развитие методов наблюдения малых астрономических объектов. В середине 80х годов было известно всего 20/тыс. астероидов, а сейчас — уже более 600/тыс.
Новые горизонты
Для того чтобы появились работы, подобные работе Батыгина и Брауна, помимо отказа от старых концепций, нужно было развитие специального математического аппарата. В частности, потребовалось построить теорию резонансных эффектов в орбитальном движении небесных тел — она помогла объяснить экзотические конфигурации планетных систем.
Пионером в этой области был мой старший коллега по Институту прикладной математики имени Келдыша — Михаил Львович Лидов. В конце 1950х годов он обнаружил, что иногда у орбиты, по которой планета движется вокруг звезды, можно наблюдать колебания наклонения и эксцентриситета (эксцентриситет характеризует отличие орбиты от окружности). Примерно в те же годы такой эффект независимо от Лидова открыл японский небесный механик Йошида Козаи. Поэтому в научной литературе это явление называется «эффектом (или резонансом) Козаи-Лидова». Ученые, которые сегодня занимаются исследованием экзопланетных систем, почти всегда пытаются выяснить: реализуется ли в какойто конкретной системе этот самый резонанс.
Развитие техники тоже способствовало прогрессу небесной механики. Появились вычислительные мощности для проведения компьютерного моделирования с невозможной прежде детальностью. Новые наблюдательные средства позволили фиксировать на небе то, что не удавалось обнаружить прежде с помощью классических фотопластинок. В 1990е годы начались открытия объектов в Койперовском поясе — области, находящейся за границами Нептуна и тянущейся на расстояние в 55/астрономических единиц (т.е. расстояний от Земли до Солнца). Позже Браун открыл крупные объекты типа Эриды (вторая по размеру карликовая планета после Плутона), и тогда же стало понятно, что мы не можем точно определить, что такое Солнечная система и планеты. Например, Плутон до 2006/года считался планетой, но как можно считать его таковой, если рядом летает Эрида, у которой масса больше? Пришлось изменить классификацию небесных объектов — ввести особый класс карликовых планет, к которому и были отнесены Плутон и Эрида.
Вне системы
Сразу за поясом Койпера начинается область с такой низкой заселенностью, что ее назвали рассеянным диском. И этот резкий переход от обилия объектов к пустоте показался ученым странным. Неоднократно высказывались предположения, что на границе пояса Койпера находится какойто неизвестный нам объект, формирующий его структуру. Браун и Батыгин выделили семейство объектов рассеянного диска, которые движутся по устойчивым орбитам, располагающимся в пространстве неким упорядоченным образом. Появление упорядоченности в распределении объектов, на первый взгляд никак между собой не связанных, говорит о наличии еще какогото фактора. В качестве этого фактора наши американские коллеги и предложили рассмотреть ту самую Планету Х. Справедливости ради надо отметить, что выводы их работы носят очень приблизительный характер. Аккуратная оценка массы планеты, точные значения параметров ее орбиты в работе Брауна и Батыгина отсутствуют. Область, в которой нужно искать планету, настолько широка, что пока сравнивать предсказание Планеты Х с предсказаниями Леверье и Адамса, на основе которых был открыт Нептун, никак нельзя. Но все равно это настоящий прорыв.
Важную роль в сделанном открытии сыграли предыдущие работы Константина Батыгина, посвященные динамике экзопланетных систем (в частности, орбитальным резонансам). И это яркий пример того, что должно делать современное образование — формировать ученого, у которого нет стереотипов о том, что может, а чего не может происходить в Солнечной системе, который способен отказаться от прежних моделей и предложить им замену.
Владислав Сидоренко, профессор кафедры теоретической механики МФТИ