Os pesquisadores, Konstantin Batygin e Mike Brown, descobriu a existência do planeta através de simulações matemáticas de modelagem e computador, mas ainda não observaram o objeto diretamente.
"Isso seria uma verdadeira nono planeta", diz Brown, o professor Richard e Barbara Rosenberg de Astronomia Planetária. "Houve somente dois planetas verdadeiros descoberto desde os tempos antigos, e isso seria um terceiro. É um pedaço muito substancial de nosso sistema solar que ainda está lá fora para ser encontrado, o que é muito emocionante."
Brown observa que o nono planeta putativo - em 5000 vezes a massa de Plutão - é suficientemente grande que não deve haver nenhum debate sobre se é um verdadeiro planeta. Ao contrário da classe de objetos menores agora conhecidos como planetas anões, Planeta Nine gravitacionalmente domina sua vizinhança do sistema solar. Na verdade, ele domina uma região maior do que qualquer dos outros planetas conhecidos - um fato que Brown diz que o torna "o mais planeta-y dos planetas em todo o sistema solar."
Batygin e Brown descrever seu trabalho na edição atual da revista Astronomical Journal e mostrar como Planeta Nine ajuda a explicar uma série de características misteriosas do campo de objectos gelados para lá de Neptuno e detritos conhecidos como Cinturão de Kuiper.
"Embora nós estávamos inicialmente bastante céticos de que este planeta poderia existir, enquanto continuamos a investigar sua órbita eo que isso significaria para o sistema solar exterior, tornamo-nos cada vez mais convencido de que ele está lá fora", diz Batygin, um professor assistente de planetário ciência. "Pela primeira vez em mais de 150 anos, não há evidência sólida de que censo planetário do Sistema Solar está incompleta."
O caminho para a descoberta teórica não foi simples. Em 2014, um ex-pós-doutorado de Brown, Chad Trujillo, e seu colega Scott Shepherd publicou um artigo observando que 13 dos objetos mais distantes no Cinturão de Kuiper são semelhantes com respeito a uma característica orbital obscura. Para explicar essa semelhança, eles sugeriram a possível presença de um pequeno planeta. Brown pensou que a solução planeta era improvável, mas o seu interesse foi despertado.
Ele levou o problema para baixo do salão para Batygin, e os dois começaram o que se tornou um ano-e-um-longo-metade colaboração para investigar os objetos distantes. Como um observador e um teórico, respectivamente, os pesquisadores aproximou-se do trabalho a partir de perspectivas muito diferentes - Brown como alguém que olha para o céu e tenta ancorar tudo no contexto do que pode ser visto, e Batygin como alguém que se coloca dentro o contexto da dinâmica, considerando como as coisas poderiam trabalhar a partir de um ponto de vista da física. Essas diferenças permitiu aos pesquisadores desafiar ideias uns dos outros e considerar novas possibilidades. "Eu iria trazer em alguns desses aspectos observacionais;. Ele voltaria com os argumentos da teoria, e gostaríamos de empurrar uns aos outros Eu não acho que a descoberta teria acontecido sem que frente e para trás", diz Brown. "Foi talvez o ano mais divertido de trabalhar em um problema no sistema solar que eu já tive."
Rapidamente Batygin e Brown percebeu que os seis objetos mais distantes de Trujillo e Pastor coleção original siga todas as órbitas elípticas que apontam na mesma direção no espaço físico. Isso é particularmente surpreendente, porque os pontos extremos de suas órbitas mover o sistema solar, e eles viajam em velocidades diferentes.
"É quase como ter seis mãos em um relógio de todos movendo-se a velocidades diferentes, e quando acontecer de você olhar para cima, eles estão todos em exatamente no mesmo lugar", diz Brown. A probabilidade de ter que acontecer são algo como 1 em 100, diz ele. Mas em cima disso, as órbitas dos seis objetos são também todos inclinado da mesma forma - apontando cerca de 30 graus para baixo na mesma direção em relação ao plano dos oito planetas conhecidos. A probabilidade de isso acontecer é de cerca de 0,007 por cento. "Basicamente, ele não deve acontecer de forma aleatória", diz Brown. "Então pensamos outra coisa deve ser moldar essas órbitas."
A primeira possibilidade é que eles investigaram talvez haja objetos do Cinturão de Kuiper distantes o suficiente - alguns dos quais ainda não foram descobertos - para exercer a gravidade necessária para manter essa subpopulação agrupados. Os pesquisadores rapidamente descartada isso quando descobriu-se que um cenário como esse exigiria o Cinturão de Kuiper a ter cerca de 100 vezes a massa que tem hoje.
Isso deixou-os com a idéia de um planeta. Seu primeiro instinto foi o de executar simulações envolvendo um planeta em uma órbita distante que rodeava as órbitas dos seis objetos do Cinturão de Kuiper, agindo como um laço gigante para disputar-los em seu alinhamento. Batygin diz que quase funciona, mas não fornece as excentricidades observadas com precisão."Próximo, mas não cigar", diz ele.
Então, efetivamente por acidente, Batygin e Brown percebeu que, se eles correram suas simulações com um planeta massivo em uma órbita anti-alinhados - uma órbita em que a maior aproximação do planeta ao sol, ou periélio, é de 180 graus em frente ao periélio de todos os outros objetos e planetas conhecidos - os objetos do Cinturão de Kuiper distantes na simulação assumiu o alinhamento que é realmente observado.
"Sua resposta natural é 'Essa geometria orbital não pode estar certo. Isso não pode ser estável a longo prazo, porque, afinal de contas, isso faria com que o planeta e esses objetos para atender e, eventualmente, colidir'", diz Batygin. Mas, através de um mecanismo conhecido como ressonância média-motion, a órbita anti-alinhados do nono planeta, na verdade, impede que os objetos do Cinturão de Kuiper de colidir com ele e mantê-los alinhados. Como objetos que orbitam aproximam um do outro eles trocam energia. Assim, por exemplo, para cada quatro órbitas do planeta faz Nine, um objeto do Cinturão de Kuiper distante pode completar nove órbitas. Eles nunca colidem. Em vez disso, como um pai a manutenção do arco de uma criança em um balanço com empurrões periódicas, Planeta Nine cutuca as órbitas dos objetos do Cinturão de Kuiper distantes de tal forma que a sua configuração com relação ao planeta é preservada.
"Ainda assim, eu era muito cético", diz Batygin. "Eu nunca tinha visto nada como isto em mecânica celeste."
Mas, pouco a pouco, como os pesquisadores investigaram características e conseqüências do modelo adicionais, eles ficaram convencidos. "Uma boa teoria não só deve explicar as coisas que você se propôs a explicar. Ele deve esperamos explicar as coisas que você não estabelecidos para explicar e fazer previsões que são testáveis", diz Batygin.
E, de fato a existência do Planeta Nine ajuda a explicar mais do que apenas o alinhamento dos objetos do Cinturão de Kuiper distantes. Ele também fornece uma explicação para as órbitas misteriosas que dois deles traço. O primeiro desses objetos, apelidado de Sedna, foi descoberto por Brown em 2003. Ao contrário do padrão da variedade objetos do Cinturão de Kuiper, que se gravitacionalmente "expulsos" por Netuno e, em seguida, retornar de volta para ele, Sedna nunca fica muito perto de Netuno. Um segundo objeto como Sedna, conhecido como 2012 VP113, foi anunciada pelo Trujillo e Pastor em 2014. Batygin e Brown descobriram que a presença do Planeta Nove em sua órbita proposto produz naturalmente objetos Sedna semelhantes, tomando um objeto do Cinturão de Kuiper padrão e, lentamente, puxando -lo em uma órbita menos ligado a Netuno.
Mas o kicker real para os pesquisadores foi o fato de que as suas simulações também previu que haveria objetos no Cinturão de Kuiper em órbitas inclinadas perpendicularmente ao plano dos planetas. Batygin mantidos encontrar evidências para isso em suas simulações e os levou para Brown. "De repente eu percebi que não são objetos como esse", lembra Brown. Nos últimos três anos, os observadores identificaram quatro objetos de rastreamento órbitas mais ou menos ao longo de uma linha perpendicular a partir de Netuno e um objeto ao longo de outro. "Nós plotados-se as posições dos objetos e suas órbitas, e eles combinam as simulações exatamente", diz Brown. "Quando descobrimos que, meu queixo tipo de bater no chão."
"Quando a simulação alinhado os objetos do Cinturão de Kuiper distantes e criou objetos como Sedna, pensamos que este é tipo de impressionante - você matar dois coelhos com uma cajadada só", diz Batygin. "Mas com a existência do planeta também explicar essas órbitas perpendiculares, não só você matar dois pássaros, você também derrubar um pássaro que você não sabia que estava sentado em uma árvore próxima."
Onde Planeta Nine vêm e como foi terminar no sistema solar exterior? Os cientistas há muito acreditam que o sistema solar cedo começou com quatro núcleos planetários que passou a agarrar todo o gás ao seu redor, formando os quatro planetas gasosos - Júpiter, Saturno, Urano e Netuno. Ao longo do tempo, colisões e ejeções de forma eles e mudou-los para seus locais atuais. "Mas não há nenhuma razão que não poderia ter sido cinco núcleos, em vez de quatro", diz Brown. Planeta Nine poderia representar esse quinto núcleo, e se ele ficou muito perto de Júpiter ou Saturno, que poderia ter sido ejetada em sua órbita distante, excêntrico.
Batygin e Brown continuar a aperfeiçoar as suas simulações e aprender mais sobre a órbita do planeta e sua influência sobre o sistema solar distante.Enquanto isso, Brown e outros colegas começaram a pesquisar os céus para Planet Nine. Apenas órbita áspera do planeta é conhecido, não a localização exacta do planeta em que percurso elíptico. Se o planeta passa a ser próximo do seu periélio, diz Brown, os astrônomos devem ser capazes de detectá-lo em imagens captadas por pesquisas anteriores. Se é na parte mais distante de sua órbita, os maiores telescópios do mundo - como as gêmeas telescópios de 10 metros no Observatório WM Keck e do Telescópio Subaru, tudo em Mauna Kea, no Havaí - será necessário para vê-lo . Se, no entanto, Planeta Nine está agora localizado em qualquer lugar no meio, muitos telescópios ter uma chance de encontrá-lo.
"Eu gostaria de encontrá-lo", diz Brown. "Mas eu também estaria perfeitamente feliz se alguém o encontrou. É por isso que estamos publicando este papel. Esperamos que outras pessoas estão indo para se inspirar e começar a procurar."
Em termos de compreender mais sobre o contexto do sistema solar no resto do universo, Batygin diz que em algumas maneiras, este nono planeta que parece que tal um estranho para nós iria realmente fazer nosso sistema solar mais parecido com os outros sistemas planetários que os astrônomos estão encontrando em torno de outras estrelas. Primeiro, a maioria dos planetas em torno de outras estrelas semelhantes ao Sol não tem nenhum intervalo orbital único - ou seja, alguns órbita muito perto de suas estrelas hospedeiras, enquanto outros seguem órbitas excepcionalmente distantes.Em segundo lugar, os planetas mais comuns em torno de outras estrelas variam entre 1 e 10 massas terrestres.
"Uma das descobertas mais surpreendentes sobre outros sistemas planetários foi que o tipo mais comum de planeta lá fora, tem uma massa entre a da Terra e que de Netuno", diz Batygin. "Até agora, nós pensamos que o sistema solar estava faltando neste tipo mais comum de planeta. Talvez sejamos mais normal depois de tudo."
Brown, bem conhecido para o papel significativo que desempenhou na demolição de Pluto do planeta para planeta anão acrescenta: "Todas aquelas pessoas que são loucos que Plutão não é mais um planeta pode ser muito feliz ao saber que há um planeta real fora é há ainda a ser encontrado ", diz ele. "Agora nós podemos ir e encontrar este planeta e tornar o sistema solar tem nove planetas mais uma vez."
O documento é intitulado "A evidência para um planeta gigante distante do Sistema Solar."
