На дальних рубежах Солнечной системы, далеко за орбитой Нептуна, происходит нечто необъяснимое. Астрономы обнаружили, что группа небольших ледяных миров — так называемых транснептуновых объектов (ТНО) — движется по странным, согласованным орбитам. Они не просто вытянуты, но и загадочным образом «смотрят» в одну сторону, словно невидимая гравитационная сила собрала их в кластер. Учёные уверены: за этим должно стоять гравитационное влияние одного массивного объекта, который своей массой удерживает эти ледяные тела в строю. Но что это за объект? У астрономов есть несколько гипотез, каждая из которых ведёт к разным, но одинаково захватывающим выводам.

Девятая планета — неуловимая «суперземля»

Это наиболее «классическая» и широко обсуждаемая версия. Она предполагает, что возмутителем спокойствия является неоткрытая Девятая планета или P9 — холодный и тёмный мир, который по своим характеристикам можно отнести к классу «суперземель» или «мини-нептунов».

Физические характеристики и орбита

Масса и размер. Согласно уточнённым моделям, масса P9 составляет около 6.2 масс Земли, а её радиус, предположительно, в 2–4 раза превышает земной. Это делает её достаточно массивной, чтобы считаться полноценной планетой, гравитационно доминирующей в своей области.
Орбита. P9 должна двигаться по невероятно вытянутой (эксцентричной) и наклонной орбите. Её большая полуось оценивается примерно в 290–385 астрономических единиц (а.е.). Это означает, что даже в ближайшей к Солнцу точке (перигелии) она находится на расстоянии около 240–385 а.е., а в самой дальней (афелии) может удаляться более чем на 1100 а.е. Для сравнения, Земля находится в 1 а.е. от Солнца, а Плутон — в среднем в 40 а.е. Один оборот вокруг Солнца у Девятой планеты занимал бы от 10 000 до 20 000 земных лет.

Wikimedia Commons

Предполагаемая орбита Девятой планеты

Откуда она там взялась?

Существует два основных сценария её происхождения:

P9 могла сформироваться гораздо ближе к Солнцу, вместе с другими планетами-гигантами. Но на ранних этапах эволюции Солнечной системы мощное гравитационное взаимодействие с Юпитером или Сатурном могло просто выбросить её на эту далёкую и вытянутую орбиту.
Другая возможность заключается в том, что P9 изначально была «сиротой» — свободно плавающей планетой, которая сформировалась у другой звезды. Миллиарды лет назад, пролетая мимо, она могла быть захвачена гравитацией нашего Солнца. Вероятность такого события невелика (около 0.1%), но она значительно возрастает, если у Солнца на раннем этапе был далёкий звёздный компаньон, который помог стабилизировать орбиту захваченного объекта.

Почему её до сих пор не нашли?

Несмотря на интенсивные поиски, Девятая планета остаётся неуловимой. Главная причина — её экстремальная тусклость. Находясь в сотнях раз дальше от Солнца, чем Земля, она отражает ничтожно мало света. Её видимая звёздная величина, по оценкам, более 22, что делает её как минимум в 600 раз тусклее Плутона. Существующие обзоры неба, такие как WISE, уже исключили наличие в этой области объектов размером с Сатурн или Нептун, но объект размером с «суперземлю» они могли и пропустить. Скорее всего, если P9 существует, она сейчас находится вблизи самой дальней точки своей орбиты, где она наиболее тусклая и холодная, что делает её обнаружение чрезвычайно сложной задачей.

Первичная чёрная дыра — экзотический кандидат

Это более смелая, но гравитационно эквивалентная альтернатива. Что, если таинственный объект — это вовсе не планета, а первичная чёрная дыра (ПЧД)?

Что это такое и откуда она взялась?

Первичные чёрные дыры — это гипотетический класс чёрных дыр, которые образовались не в результате коллапса массивных звёзд, а в первые мгновения после Большого взрыва из-за сверхплотных флуктуаций в молодой Вселенной. Они являются одним из кандидатов на роль тёмной материи, которая, как считается, составляет около 85% всей массы Вселенной.

Wikimedia Commons/Рамблер

Механизм формирования первичной чёрной дыры Как и в случае с планетой-изгоем, Солнечная система могла просто гравитационно захватить свободно летящую в космосе ПЧД миллиарды лет назад. Расчёты показывают, что вероятность такого события вполне сопоставима с вероятностью захвата планеты. Гравитационное тождество и микроскопический размер Ключевой момент этой гипотезы заключается в том, что с точки зрения классической небесной механики, планета и чёрная дыра одинаковой массы создают абсолютно идентичное гравитационное поле. Гравитация зависит только от массы, а не от физического размера. Можно ли путешествовать сквозь кротовые норы на миллионы световых лет? Именно в размере и кроется кардинальное отличие. Если Девятая планета — это гигантский шар из газа и льда диаметром в тысячи километров, то ПЧД с массой в 5–10 масс Земли будет иметь горизонт событий размером не больше грейпфрута или шара для боулинга. Обнаружить такой крошечный и абсолютно чёрный объект прямым оптическим наблюдением невозможно в принципе. Поэтому неудивительно, что он до сих пор не найден.

Как их различить? Методы поиска

Поскольку кандидаты настолько разные, то и методы их поиска должны быть принципиально иными.

Поиск Девятой планеты

Поиск P9 — это задача для классической астрономии. Он сосредоточен на обнаружении отражённого солнечного света или собственного слабого теплового излучения. Главная надежда в этой задаче возлагается на Обсерваторию имени Веры Рубин (LSST) в Чили. Этот телескоп нового поколения оснащён самой большой в мире цифровой камерой и сможет каждые несколько ночей сканировать всё доступное небо с беспрецедентной чувствительностью. Астрономическая обсерватория с самой большой в мире цифровой камерой получила первые снимки Прогнозы таковы: если P9 существует и находится в пределах досягаемости телескопа, LSST либо найдёт её, либо окончательно исключит её существование в большинстве предсказанных областей в ближайшее десятилетие, возможно, к 2035 году.

Поиск первичной чёрной дыры: косвенные сигнатуры

Если аномалию вызывает ПЧД, обычные телескопы её не увидят. Для её поиска требуются методы, нацеленные на регистрацию высокоэнергетических явлений.

Аккреционные вспышки. Это самый многообещающий метод. Периодически ПЧД на своей далёкой орбите будет захватывать и поглощать мелкие ледяные тела из Облака Оорта. Когда вещество кометы падает на чёрную дыру, оно разогревается до экстремальных температур, что должно приводить к мощным, но коротким вспышкам рентгеновского и гамма-излучения. Поиск таких движущихся высокоэнергетических источников может напрямую указать на ПЧД.
Аннигиляционное излучение. Согласно некоторым теориям, ПЧД может быть окружена микро-гало из частиц тёмной материи. Взаимное уничтожение — аннигиляция — этих частиц должно порождать высокоэнергетические сигналы, которые можно отличить от других космических явлений.
Гравитационное микролинзирование. Когда ПЧД проходит между нами и далёкой звездой, её гравитация на короткое время фокусирует свет звезды, вызывая временное увеличение её яркости. Обсерватория OGLE уже зафиксировала избыток очень коротких событий микролинзирования, которые соответствуют объектам планетарной массы, что может быть свидетельством как в пользу свободно плавающих планет, так и в пользу популяции ПЧД.

Event Horizon Telescope Collaboration/NASA

На первом в мире снимке чёрной дыры, сделанном Телескопом горизонта событий, виден аккреционный диск красного цвета

Научная трилемма на пути к решению

Учёные стоят перед трилеммой. Аномальное поведение объектов на краю Солнечной системы — это установленный факт. Все гравитационные модели сходятся на том, что там должен существовать массивный объект (5–10 M⊕). Но его физическая природа остаётся загадкой. Это может быть Девятая планета, первичная чёрная дыра или, как предполагает третья, менее обсуждаемая гипотеза, коллективная гравитация массивного, но невидимого диска из тысяч мелких ледяных тел. У астрономов уже есть план, как решить эту трилемму. Сначала Обсерватория Веры Рубин проведёт свой глубокий оптический обзор. Если она найдёт планету, загадка будет решена. Но если после десяти лет поисков P9 так и не будет обнаружена, эта неудача станет мощным косвенным доказательством в пользу экзотической гипотезы. Тогда фокус исследований сместится на поиск уникальных сигнатур, которые может оставить только компактный объект, такой как ПЧД. Решение этой загадки, каким бы оно ни было, неизбежно приведёт к глубоким изменениям в понимании Вселенной. Оно либо подтвердит новые модели миграции и захвата планет в звёздных системах, либо, что ещё более революционно, предоставит первое прямое доказательство существования первичных чёрных дыр, которые потенциально могут объяснить тёмную материю.