Forskare fortsätter att studera solsystemet, och det ser mycket intressant ut. Till exempel har moderna planetbanor ledtrådar som avslöjar de tuffa förhållandena för solsystemets ursprung - och eventuellt förekomsten av en interstellär jätte som förlorades för länge sedan. Vårt solsystem är som en brottsplats som hände för 4,6 miljarder år sedan.
Moderna banor är förfulla av ledtrådar som avslöjar de tuffa förhållandena för solsystemets ursprung - och eventuellt förekomsten av en interstellär jätte som förlorades för länge sedan.
Vårt solsystem är som en brottsplats som hände för 4,6 miljarder år sedan.
Ytor beströdda med kratrar, förskjutna planetbanor och moln av interplanetära skräp är kosmiska analoger av blodsprut på väggen och glidmärken i en bil som lämnar en förföljelse. Dessa och andra ledtrådar berättar om vår kaotiska ursprung för vår planetfamilj.
Lurar bland dessa fotavtryck är ledtrådar om ett förlorat syskon, planet 9 (nej, inte Pluto), som kastas bort i det gravitationella dragkampen som åtföljde den ursprungliga bildningen av solsystemet.
Nuförtiden dominerar fyra enorma planeter periferin av solsystemet: Jupiter, Saturn, Uranus och Neptun. Bakom dem finns Kuiper Belt - ett fält av isskärdar, bland vilka Pluto finns.
"Tror inte att solsystemets periferi alltid har varit densamma som nu," säger David Nesvorny, planetforskare vid Southwest Research Institute i Boulder, Colorado, som först talade för att det finns en flyktig planet 2011. år.
Nesvorni är medlem i en grupp forskare som försöker ta reda på hur solsystemet utvecklats under de första hundra miljoner åren av dess existens. Med hjälp av sofistikerade datormodeller sammanställde forskarna en kronologi över kollisioner mellan nyfödda planeter som uppstod relativt nära varandra - de gled växelvis och hoppade från en bana till en annan. Dessa modeller har avslöjat många små detaljer om hur planeter, asteroider och kometer roterar runt solen idag.
Kampanjvideo:
Det var bara ett problem. Vanligtvis slutade de simulerade scenarierna med att antingen Uranus eller Neptune drevs ut från solsystemet, som Nesvorny skrev i september i den årliga översynen av astronomi och astrofysik.
Eftersom Uranus och Neptune i verkligheten är kvar på sina platser - rymdskepp har besökt båda - har något i dessa scenarier inte fungerat. Men som många forskare misstänker kan en nyckelaktör i detta mysterium och en saknad länk i solsystemets historia vara den femte jätteplaneten.
Förlorad planet
Astronomer förlitar sig på datormodeller för att återskapa dessa gamla scener och skapar tusentals olika solsystem på tusentals olika sätt. De översätter fysikens lagar och oavsett ursprungliga planetära positioner de kan tänka på till programkod. Forskaren ställer in parametrarna - en planet här, ett gäng asteroider där - och lutar sig sedan tillbaka i stolen och låter den simulerade miljön göra allt arbete för honom. Efter ett par veckor i realtid - miljoner år i modellen - kontrollerar astronomen resultaten för att se vad som hände med solsystemet. Ju närmare det är verkligheten, desto mer framgångsrik är modellen.
Så gjorde Nesvorni 2009. Han djupt i virtuella solsystem i ett försök att rädda virtuella Uranus och virtuella Neptunus från deras virtuella vägar i djupa rymden.
Problemet var Jupiter, en jättehooliganplanet vars tyngdkraft kan nå tillräckligt långt för att skjutas runt av mindre planeter och olika skräp. I den hittills mest framgångsrika simuleringen sprang Jupiter och en av de två yttre planeterna av varandra och så småningom slog sig in i sina nuvarande banor. Men detta hände bara i en procent av alla modeller. I de återstående 99% av fallen kastade Jupiter Uranus eller Neptune så hårt att de lämnade solsystemet och aldrig återvände till det.
"Detta gjorde situationen mycket mystisk, eftersom vi visste att Uranus och Neptune fortsatte att existera i sin nuvarande form," säger Nesvorni. Så han fortsatte att experimentera. Efter ett år med simulering av otaliga olika scenarier, började han fundera på att lägga till martyrplaneter - extra planeter som offrade för att rädda resten.
”Jag simulerade bara deras existens för att se vad som hände, och inte för att jag var seriös med själva idén,” säger Nesvorni. "Men då insåg jag att det kunde finnas ett rimligt säd i det." Han körde cirka 10 000 scenarier och ändrade antalet extraplaneter, deras ursprungliga plats och var och en av dem.
Det bästa alternativet, som mest exakt förutspådde det aktuella tillståndet i vårt solsystem, visade sig vara en där den extra planeten låg mellan de ursprungliga banorna från Saturnus och Uranus. När det gäller massa var planeten ungefär lika med Uranus och Neptune och var nästan 16 gånger större än jorden. Det är en sådan planet som kan kollidera med Jupiters bana och flyga ut ur solsystemet.
Grafen visar hur avståndet mellan planeterna och solen har förändrats över tid. De första miljoner åren i datormodellen förändrades banorna långsamt, sedan var det en nära kontakt mellan Saturnus (grön) och en extra planet (lila), vilket ledde till destabiliseringen av banorna. Prickade linjer indikerar de aktuella storleken på banorna. (Källa: hämtat från material från D. Nesvorny / avsnitt astronomi och astrofysik från tidningen Knowable, 2018.)
Chanserna är fortfarande smala. I efterföljande modeller slutade denna anpassning i framgång i cirka fem procent av tiden.”Det finns varken typiskt eller förutsägbart att solsystemet finns, varken typiskt”, konstaterade Nesvorny 2012 i ett papper som skrivits tillsammans med sin kollega Alessandro Morbidelli från franska rivieraobservatoriet. Trots detta var modellen en betydande förbättring jämfört med 1% framgångsgraden för de modeller som inkluderade endast de fyra jätteplaneterna vi känner och älskar idag.
"Förutsatt att en femte planet gör det mycket lättare att förklara vad som händer," säger Sean Raymond, planetforskare vid universitetet i Bordeaux i Frankrike. Och även om bevisen mestadels är omständig, "är det mycket mer logiskt att anta att då fanns det också en femte planet."
Detta kan verka som ett mycket kontroversiellt antagande. Hur kan astronomer veta någonting om vad som hände för fyra miljarder år sedan, även med planeterna som vi kan observera nu, än mindre de som vi inte vet något om? Det visar sig dock att planeterna har lämnat en hel del stridsärr av ungdomar som bevis för framtidens detektiv.
Interplanetary blodsprut
"Vi är mer än säkra på att planeterna inte har sitt ursprung där de är idag," sade Nathan Keib, planetforskare vid University of Oklahoma i Norman.
Emellertid hände denna insikt ganska nyligen. Under större delen av historien har astrologer inte haft tvivel om att planeterna alltid har varit i deras nuvarande banor. Men i början av 1990-talet insåg forskare att något saknades i en sådan modell.
Neptunus och Triton.
Strax bortom Neptuns omloppsbana ligger Kuiper-bältet, en spridning av isavfall som omger solen. "Det här är vårt blodsprut på väggen," säger Konstantin Batygin, en planetforskare vid California Institute of Technology.
Platsen för Kuiper-bälteobjekt ledde forskare till den oundvikliga slutsatsen: Neptun borde ha bildat mycket närmare solen än den nuvarande platsen antyder. Många Kuiper Belt-objekt klumpar sig samman i koncentriska banor som vagt liknar spår på en musikalisk skiva. Dessa banor är knappast slumpmässiga - de är direkt relaterade till Neptune.
Till exempel är Pluto den mest berömda invånaren i Kuiper-bältet. Han och ett par hundra av hans medresenärer som är kända för oss gör exakt två varv runt solen i de tre som Neptunus gör under samma period. Andra strömmar av skräp i bältet gör en fullständig revolution för varje två som Neptune fullbordar - eller snarare fyra för varje sju.
Kuiper Belt kunde inte göras på detta sätt utan yttre påverkan. Men om vi antar att Neptune uppstod närmare solen och sedan rörde sig utåt, skulle dess tyngdkraft vara tillräckligt stark för att fånga interplanetära skräp i sina nät och skicka det in i dessa ovanliga banor.
Denna modell visar hur det nära planet för de yttre planeterna (bild till vänster) kan förändras över tid. Banorna mellan Jupiter och Saturn konvergerar (mittbild), vilket leder till en förändring i alla andra banor. Speciellt i denna modell byts Uranus och Neptune ut. Efter ett tag sprids (bild till höger) rymdavfall - en del av det sätter sig i Kuiper-bältet, medan planeterna börjar röra sig mot sina nuvarande banor. (Källa: anpassad från Astromark / Wikimedia Commons.)
Detta sammanföll med förutsägelserna för vissa modeller som erhållits ett decennium tidigare.
Bildandet av planeterna lämnade bakom en röra av skräp spridda över solsystemet. Alla fragment som kom för nära Neptun skulle oundvikligen falla under påverkan av dess allvar. Eftersom varje handling följs av en jämn motståndskraft, varje gång Neptunus pressade skärmen, rörde han sig själv i motsatt riktning. Långsamt men säkert kröp Neptun sig bort från solen.
Migrationsprocessen för Neptune gäller också andra jätteplaneter. När allt kommer omkring gick Jupiter, Saturn och Uranus igenom samma skräpfält och hanterade liknande gravitationsinteraktioner. Och om Neptune flyttade till en ny plats, borde samma ha hänt med alla andra jätteplaneter.
Och denna process var uppenbarligen inte smidig.
Kontinuerliga kollisioner med allt detta skräp borde ha förvandlat banorna på de jätteplaneterna till perfekta, smala cirklar - precis som lera på en keramikerhjul jämnas ut med den fasta handen av en keramiker. Men banorna visade sig vara helt annorlunda. Istället rör sig de jätteplaneterna i något långsträckta och förvrängda banor. Som om någon slog ett hjul, omformar de en gång runda krukorna.
Jupiter hoppar
År 2005 hade forskare identifierat den skyldige. De nya modellerna antydde att jätteplaneterna vid någon tidpunkt gick igenom vad forskarna kallar "dynamisk instabilitet." Med andra ord, i ungefär en miljon år förvandlades allt till en galen virvelvind. Den mest troliga orsaken till detta tycktes vara en serie kollisioner mellan Saturnus och Uranus, eller Neptune - det vill säga en av isjättarna - som skickade en av dem direkt mot Jupiter. Så snart den förlorade planeten närmade sig, drog allvaren Jupiter, bromsade den ner och drev den in i en smalare bana. Men Jupiter drog den invaderande planeten i inte mindre kraft. Isjätten, som var mycket lättare, accelererade mycket mer än Jupiter bromsade ner och gick bort från solen.
En sådan incident skulle vara en gravitationspogrom för solsystemet. Jupiter hoppade djupare inåt, medan resten av de yttre planeterna hoppade utåt. Ett sådant tryck skulle böja järnplanets banor till deras nuvarande tillstånd. Dessutom skulle det rädda det inre solsystemet - Merkurius, Venus, Jorden, Mars och asteroidbältet - från tyngdkraften från både Jupiter och Saturnus, vilket var ett annat problem i de tidigaste modellerna.
Vilket leder oss till att Uranus eller Neptune tas bort från systemet. Det är i detta skede av simuleringen som Jupiter oftast kastar en av isjättarna.
Detta är just problemet som Nesvorny försökte lösa utan att bryta allt annat i simuleringarna som fungerade. Den extra isjätten tar slaget från Jupiter och ger resten av scenariot förmågan att utvecklas obehindrat.
"Det här är ganska troligt," säger Batygin. "Det är inte alls ett faktum att det alltid har funnits exakt två isjättar istället för tre." Tvärtom, säger han, vissa beräkningar möjliggör den ursprungliga existensen av upp till fem Neptunliknande planeter.
Batygin och hans kollegor undersökte denna fråga parallellt med Nesvorni, men av olika skäl. "Jag ville visa att det inte kunde finnas någon extra jätteplanet," säger Nesvorni.
Jupiters stora röda fläck. Foto taget av Voyager 1.
Han resonerade att på sin väg ut ur solsystemet måste den förmodade planeten ha lämnat ett spår här och där i Kuiper-bältet, i ett område känt som det "kalla klassiska bältet." Om Kuiper-bältet var en munk, fortsätter Batygin, skulle det kalla klassiska bältet bli dess chokladfyllning - ett kluster av föremål vars banor ligger praktiskt taget i samma plan i Kuiper-bältet. En planet som passerar borde ha stört dessa banor - åtminstone, så trodde Batygin och hans kollegor.
Deras datormodeller visade att inget liknande hade hänt. Till deras överraskning skulle den förvisade planeten inte ha förstört det kalla klassiska bältet på väg ut. Detta bevisar inte planetens existens - det erhållna resultatet indikerar bara att solsystemet kan existera i sin nuvarande form, både med den och utan den. Kan denna planet ha lämnat ett tydligare fotavtryck? Eller, återvänder till brottsplatsanalogin, finns det några spår av slipning? Nesvorni tror att sådana spår mycket väl kan förbli.
Kärnan i sanning
Det finns en annan del av Kuiper-bältet - en smal ström av isiga skräp som kallas en kärna, vars banor inte motsvarar Neptuns nuvarande position. Ursprunget är ett mysterium. År 2015 hävdade Nesvorni att kanske orsaken till allt kan vara rörelsen av Neptunus från solen, provocerad av en försvunnen planet.
När Neptune flyttade in i sin slutliga omloppsbana och svepte skräp in i banor som var i överensstämmelse med sin egen, kunde den vid någon tidpunkt utsättas som släppte tillräckligt av detta skräp för att bilda sin egen ström.
Modeller har visat att samma gravitationspåverkan som kan få Jupiter att hoppa från bana till bana och skjuta den extra planeten ut ur solsystemet kunde ha hänt vid rätt tidpunkt för att driva Neptun också.
"Resultatet är något som en kärna," säger Nesvorni. "Detta är omständighetsbevis … det är inte avgörande."
I själva verket kommer vi aldrig att veta med säkerhet vad som hände i solsystemet under dess bildning. "Vi kan inte skriva bibeln om solsystemet," säger Batygin. "Vi kan bara prata om dessa händelser i mycket allmänna termer."
Om en av invånarna i solsystemet verkligen förvisas från dess gränser, är han i gott sällskap. Under de senaste åren har astronomer hittat flera oseriösa planeter som driver mellan stjärnorna, som troligen också kastades ut från sina hem. Projicerar resultaten av denna upptäckt på resten av galaxen, "det finns mycket mer frittflygande planeter på storleken på Jupiter än stjärnor," säger Nesvorni.
Detta kan vara en överdrift - enligt de senaste uppskattningarna finns det bara en Jupiter-liknande planet för varje fyra stjärnor - men det är fortfarande miljarder roamingvärldar. Och det är bara de som är jämförbara i storlek med Jupiter. Vår utstationerade var förmodligen mindre - ungefär storleken på Neptune; och vi har ingen aning om hur många sådana kroppar som vandrar runt galaxen. Men vi vet att universum tenderar att gynna små kroppar än stora.
”Jag slår vad om att det finns många av dem,” säger Nesvorni. Astronomer har bland annat upptäckt tusentals stjärnsystem i Vintergatan, och många av dem visar tecken på kollisioner i mycket större skala än de som diskuterats ovan. "Det är fantastiskt", säger Nesvorni, "hur ordentligt solsystemet har varit kvar."
Christopher Crockett