Wie schwer ist es, Planet 9 zu finden?

Eine Zusammenarbeit mit Ella Alderson

Eine künstlerische Darstellung von Planet 9 als Eisriese.

Seit den frühen 90er Jahren hat die Menschheit eine erstaunliche Fähigkeit gezeigt, Planeten außerhalb unseres Sonnensystems zu identifizieren. Bis heute haben wir die Existenz von 3.946 solcher Welten bestätigt, die auf fast 3.000 verschiedene Planetensysteme verteilt sind. Mit verschiedenen Entdeckungsmethoden konnten wir die Radien und Massen vieler dieser Objekte genau ableiten, von denen einige sogar eine bemerkenswerte Ähnlichkeit mit dem hellblauen Punkt aufweisen, den wir als Heimat bezeichnen. Auf unserer Suche nach der Entdeckung von Exoplaneten haben wir gelernt, dass Planeten in der Galaxie an den Stränden der Erde häufiger vorkommen als Sandkörner. Mit dem Hinzufügen des Kepler-Weltraumteleskops zu unserem Exoplaneten-Jagdarsenal schien es, als könne kein Planet in unserem kosmischen Hinterhof lange vor der Menschheit verborgen bleiben.

Dann schlug eine Studie im Jahr 2016 die Existenz eines Planeten vor, der viel, viel näher an der Heimat liegt. Basierend auf den höchst unwahrscheinlich ausgerichteten Umlaufbahnen mehrerer Kuiper Belt Objects (KBOs) vermuteten zwei Astronomen von Caltech einen neuen Planeten. Nicht einer in unserem kosmischen Hinterhof, sondern einer direkt vor unserer Haustür. Das vorgeschlagene Objekt, Planet 9 genannt, würde eine Masse erfordern, die etwa zehnmal so groß ist wie die der Erde, und eine stark elliptische Umlaufbahn, um die KBOs in die Flugbahnen zu führen, die wir heute beobachten. Da ein solcher Planet Tausende von Pässen benötigen würde, um so viele KBOs in elliptische Bahnen zu befördern, wird angenommen, dass Planet 9, falls vorhanden, immer noch lautlos im Kuipergürtel lauert, weit jenseits der Umlaufbahn des winzigen Pluto.

Ein Diagramm der Umlaufbahnen der ausgerichteten KBOs, die vorgeschlagene Umlaufbahn von Planet 9, orange dargestellt.

So aufregend es auch ist, über die Existenz eines anderen großen Planeten in unserem eigenen Sonnensystem zu spekulieren, eine vielleicht klügere Frage, die beantwortet werden muss, lautet: Warum haben wir Planet 9 noch nicht gefunden? Der letzte zu entdeckende Planet, Neptun, wurde vor fast zwei Jahrhunderten mit einem archaischen 4,3 Meter langen Refraktorteleskop hergestellt. eine Vergrößerung von nicht mehr als 20. Obwohl Neptun uns ein Stück näher sein sollte als Planet 9, ergibt er immer noch einen ähnlichen Radius wie der neu vorgeschlagene Planet. Sicherlich würden 200 Jahre Fortschritte in Wissenschaft und Technologie es uns ermöglichen, einen Planeten zu erkennen, der nur unwesentlich kleiner als Neptun ist, etwas weiter draußen im Sonnensystem. Was gibt es also?

Der Schwierigkeitsgrad für die Entdeckung neuer Objekte des Sonnensystems kann hauptsächlich auf vier Hauptfaktoren des Objekts zurückgeführt werden:

  1. Winkeldurchmesser - Wie groß das Objekt von der Erde erscheint
  2. Scheinbare Größe - Wie hell das Objekt von der Erde erscheint
  3. Relative Bewegung - Wie schnell sich das Objekt von der Erde zu bewegen scheint
  4. Orbitalmerkmale - Wo das Objekt von der Erde am Himmel erscheint

In diesem Artikel werde ich diese Faktoren verwenden, um genau zu erkennen, wie schwierig es wäre, Planet 9 mithilfe moderner Technologie zu erkennen, und darüber zu spekulieren, warum wir ihn nicht so leicht finden konnten wie andere Körper wie Neptun und Pluto. Dies wird eine Schlussfolgerung darüber ermöglichen, ob sich die Welt noch am Rande unseres Sonnensystems verstecken könnte oder ob ihre Existenz vollständig ausgeschlossen werden kann. Schließlich wird dieser Artikel in Zusammenarbeit mit der außergewöhnlichen Autorin für den mittleren Weltraum, Ella Alderson, verfasst, die ihren eigenen Artikel über die neuesten Aktualisierungen des aktuellen Status von Planet 9 in der Astronomie-Community erstellt hat. Ich empfehle Ihnen dringend, unseren Artikel zu lesen, den ich unten verlinken werde.

Wie schwer ist es also, Planet 9 zu finden?

1. Winkeldurchmesser

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, einen Fußball aus einem Verkehrsflugzeug in Reiseflughöhe auf der Erde zu entdecken. So groß erscheint Neptun am Himmel von der Erde. Neptun hat im Durchschnitt mehr als das 27-fache des Winkeldurchmessers von Pluto, was Pluto im obigen Beispiel zum sprichwörtlichen Äquivalent einer Erbse macht.

Wie groß jeder Planet im Durchschnitt von der Erde aus erscheint, mit einem Vergleich von Pluto mit Neptun auf der rechten Seite.

Um den Winkeldurchmesser von Planet 9 zu bestimmen, müssen wir einige verschiedene Möglichkeiten in Betracht ziehen. Erstens, obwohl die Masse von Planet 9 einigermaßen zuverlässig geschätzt wurde, ist die Bestimmung des Radius der Welt etwas zweideutiger. Dies liegt daran, dass Planet 9 in eine Größenkategorie zwischen Erde und Neptun fällt, die als „Supererden“ bezeichnet wird. Wir wissen noch nicht genug über die Entwicklung dieser fremden Klasse von Exoplaneten, da es in unserem Sonnensystem kein solches Analogon gibt. Planet 9 könnte ein kompakter, felsiger Monsterplanet sein, oder es könnte eine diffuse Gaswelt sein, ähnlich einem Mini-Uranus oder Neptun. Diese Diskrepanz ermöglicht es dem geschätzten Radius, zwischen dem 2- und 4-fachen des Radius der Erde zu schwingen. Eine bemerkenswerte Abweichung, wenn es darum geht, eine Welt zu entdecken, die so weit entfernt ist wie Planet 9.

Und das wirft die zweite Schwierigkeit auf, den Winkeldurchmesser von Planet 9 zu bestimmen. Entfernung. Die meisten Planeten kreisen in nahezu kreisförmigen Bahnen, wobei sich ihre Entfernung von der Sonne im Laufe des Jahres des Planeten weitgehend nicht ändert. Es wird jedoch geschätzt, dass Planet 9 bis zu 1200 AU von der Sonne wegschwingt, um dann bis zu einer Entfernung von nur 200 AU nach innen zu stürzen. Dies bedeutet, dass Planet 9 an seinem Perihel sechsmal größer erscheint als an seinem Aphel. Da wir weder wissen, wo sich Planet 9 in seiner Umlaufbahn befindet, noch Mittel haben, um seinen wahren Radius zu bestimmen, müssen wir alle Möglichkeiten berücksichtigen, um festzustellen, wie schwierig es sein kann, die Welt mit moderner Technologie zu erkennen.

Seltsamerweise hat Planet 9 einen durchschnittlichen Winkeldurchmesser, der dem von Pluto sehr ähnlich ist. Auf der optimistischen Seite scheint die Welt mehr als viermal so groß wie Plutos Durchmesser zu sein oder nur 1/3. Es ist interessant festzustellen, dass die optimale Winkelauflösung des Hubble-Weltraumteleskops Planet 9 nur eine maximale Auflösung von nur wenigen Pixeln auf seiner CCD-Kamera ermöglichen würde. Die Welt könnte jedoch noch bestätigt werden, wenn sie hell genug ist ...

Fotos von Pluto aus dem Hubble (wie dieses hier) sind tatsächlich eine Zusammenstellung von vielen zehn, wenn nicht Hunderten von gestapelten Bildern, um eine Auflösung dieser Qualität zu erhalten. In Wirklichkeit erscheint Pluto auf Hubbles CCD nur etwa 2,4 Pixel breit.

2. Scheinbare Größe

Im Bereich der Astronomie ist Größe nicht alles. Wenn etwas hell genug scheint, auch wenn es zu klein ist, um es aufzulösen, können wir sein Licht einfangen und etwas darüber bestimmen. Für Stars ist das einfach. Intensives Licht wird von den Oberflächen der Sterne emittiert und wandert dann weitgehend ungestört zu unseren Augen oder Teleskopen, damit wir es beobachten können. Für Planeten ist der Prozess nicht so einfach. Das Licht, das den Wirtsstern eines Planeten verlässt, nimmt mit der Entfernung exponentiell ab, wenn sich das Licht im Raum ausbreitet. Bis dieses Licht einen weit entfernten Planeten erreicht, hat seine Intensität stark abgenommen. Die Atmosphäre des Planeten absorbiert dann einen Bruchteil dieses Lichts, bevor der Rest zurück in den Weltraum reflektiert werden kann. Das Licht wird auf seiner Rückreise wieder exponentiell gedimmt, bevor es endlich unsere Augen und Teleskope erreichen kann.

Neptun hat eine durchschnittliche Größe, die mit dem Erkennen einer 60-Watt-Glühbirne auf dem Willis Tower in Chicago vom Empire State Building in New York (ohne Berücksichtigung des Geländes) vergleichbar ist. Pluto ist 800-mal weniger leuchtend als dieses und versetzt die oben erwähnte 60-Watt-Glühbirne in eine über 30.000 Kilometer entfernte geosynchrone Umlaufbahn. Wenn es darum geht, Planet 9 zu erkennen, ein Objekt, das im Durchschnitt fast 18 Mal weiter entfernt ist als Pluto, kann sich die scheinbare Größe als erhebliche Hürde erweisen.

Selbst wenn Planet 9 seinen größtmöglichen Radius während seines nächsten Passes zur Sonne aufweist, wäre er immer noch um ein Vielfaches dunkler als Pluto. Die ferne Welt würde im Durchschnitt weniger als 1/700 der Helligkeit von Pluto betragen, wobei ihre pessimistischsten Eigenschaften ihr eine Helligkeit verleihen würden, die etwa 15.000 Mal geringer ist als die des kleinen ehemaligen Planeten. Die Helligkeit dieses letzten Szenarios liegt nur geringfügig über der Grenzgröße des Hubble selbst und ist tatsächlich schwächer als 70% aller Sterne in der Milchstraße von der Erde! Selbst wenn wir das Glück hätten, es in Hubbles Bild festzuhalten, würde Planet 9 wahrscheinlich von einem helleren Hintergrundstern aus einem Bild ertränkt werden.

Es gibt jedoch eine andere Form von Licht, die Planeten emittieren können; kein Licht, das von ihren Oberflächen reflektiert wird, sondern Licht, das tief in den Planeten selbst erzeugt wird. Gasriesen sind riesige Welten, deren Inneres durch enormen Gravitationsdruck komprimiert wird. Dies, kombiniert mit der Dynamik der Gaswelten, verleiht vielen Riesenplaneten helle Emissionen im Infrarotspektrum des Lichts. Die meisten Gas- und Eisriesen in unserem Sonnensystem sind im Infrarotspektrum tatsächlich einige Male heller als im sichtbaren Spektrum, sodass sie mit langwelligen Teleskopen leichter zu sehen sind.

Jupiter im Infrarotlicht vom Gemini Observatory.

Eine offensichtliche Ausnahme für diesen Trend ist Uranus. Aus noch unbekannten Gründen scheint Uranus fast keine innere Wärme zu zeigen. Es ist möglich, dass Planet 9 Uranus ähnlich ist. In diesem Fall müssen wir uns auf sichtbares Licht verlassen, um es zu entdecken. Wenn es den anderen 3 Gasplaneten in unserem Sonnensystem ähnlicher ist, könnte Planet 9 Infrarotwärme mit einer Geschwindigkeit erzeugen, die 500-mal so hoch ist wie die durchschnittliche Intensität, die er im sichtbaren Licht der Sonne empfängt. Wenn dies zutrifft, wäre das Erkennen von Planet 9 viel praktikabler.

3. Relative Bewegung

Es ist eine mühsame Aufgabe, zu beobachten, wie sich entfernte Objekte des Sonnensystems bewegen. Es dauert 3,4 Minuten, bis der träge Pluto den relativen Abstand von 1 Pixel auf dem Hubble-CCD zurücklegt. Damit Wissenschaftler die Bewegung der winzigen Welt tatsächlich überprüfen können, hat Pluto die Entfernung seines Winkeldurchmessers zurückgelegt und sich dabei vollständig aus dem Weg ihres eigenen Querschnitts bewegt. Da Pluto einen Durchmesser von etwa 2,4 Pixel hat, müssten zwei Fotos im Abstand von mehr als 8 Minuten aufgenommen werden, um zu bestätigen, dass Pluto tatsächlich ein mobiles Objekt des Sonnensystems ist. Stellen Sie sich das Beispiel von früher vor, wie Sie die Erbse vom Verkehrsflugzeug aus sehen. Erst jetzt bewegt sich die Erbse… mit einer Geschwindigkeit von 0,0000062 Metern pro Sekunde… und Sie müssen sehen, wie sie sich bewegt.

Obwohl Planet 9 in seiner Winkelgröße Pluto ähnlich ist, würde er sich am Himmel viel, viel langsamer bewegen. Am Perihel (dem schnellsten Punkt seiner Umlaufbahn) würde Planet 9 noch einige Stunden brauchen, um sich aus seiner eigenen Silhouette zu entfernen und seine Bewegung zu erkennen. Bei Aphelion könnte dasselbe Phänomen mehr als einen Tag dauern!

4. Orbitalmerkmale

Eine letzte Schwierigkeit, Planet 9 zu finden, wären seine atypischen Umlaufbahnmerkmale. Pluto wurde vielleicht zufällig gefunden, aber seine Entdeckung war nicht ganz zufällig. Bei der Suche nach neuen Objekten des Sonnensystems beobachten Wissenschaftler in der Regel in der Nähe der Umlaufbahn des Sonnensystems, da die meisten Objekte, die die Sonne umkreisen, dies nur innerhalb einiger Grad von dieser Ebene tun. Zum Zeitpunkt seiner Entdeckung befand sich Pluto fast genau in diesem Flugzeug; Ein Phänomen, das nur ungefähr einmal pro Jahrhundert auftritt. Planet 9, der ebenfalls eine Neigung hoch über der Ebene des Sonnensystems hätte, könnte eine Umlaufzeit von mehr als 18.000 Jahren haben! Dies gibt ihm eine winzige Wahrscheinlichkeit, sich heute der Ekliptik zu nähern, was wahrscheinlich eine zufällige Entdeckung ausschließt.

Die Orbitalebene der Planeten. Beachten Sie Plutos Nähe zur Orbitalebene im Jahr 1931; nur 1 Jahr nach seiner Entdeckung.

Fazit

Leider ist das Entdecken entfernter Objekte des Sonnensystems in jeder Hinsicht streng, und Planet 9 wäre keine Ausnahme. Aufgrund dieser Zahlen ist es durchaus möglich, dass wir die Riesenwelt noch nicht entdeckt haben, nur weil wir nicht an den richtigen Stellen gesucht haben, nicht in die richtigen Wellenlängen geschaut haben oder dass wir sie gesucht und verpasst haben völlig. Wenn unsere Beobachtungstechnologie wächst und sich weiterentwickelt, werden wir irgendwann einen Punkt erreichen, an dem die Existenz von Planet 9 nicht mehr zweideutig bleiben kann. In diesem Moment werden wir entweder den längst verlorenen neunten Planeten unseres Sonnensystems entdecken oder unsere Teleskope auf die Suche nach dem nächsten großen Geheimnis richten.

Wie versprochen, hier ist ein Link zu Ellas Artikel! Ich fordere Sie dringend auf, es sich anzusehen, und danke fürs Lesen!