태양계 9번째 행성의 증거

 

Image Credit: Caltech/R. Hurt (IPAC)

 

그림 1> 

이 상상화는 행성 9를 뒤편에서 태양쪽으로 바라본 모습을 묘사하고 있다.
이 행성은 천왕성이나 해왕성과 비슷한 가스상 행성으로 생각된다.

가설상의 번개가 야간 반구에서 빛을 뿜어내고 있다.

 

 

캘리포니아 기술연구소의 연구원들이 매우 곡률이 큰 타원궤도를 돌고 있는 거대 행성의 증거를 발견했다.

 

연구원들이 '행성 9(Planet Nine)'라는 별명을 붙인 이 행성은 지구 대비 10배의 질량과, 해왕성 궤도 대비 20배 더 먼 공전궤도를 가지고 있다.
(해왕성의 경우 태양으로부터의 평균 거리는 44억 8천만 킬로미터이다.)
또한 이 행성이 태양 주위를 한 바퀴 도는데는 1만 년에서 2만 년 정도가 걸릴 것으로 보인다.

 

아직 직접적으로 관측된 것은 아니지만 캘리포니아 기술연구소의 연구원인 콘스탄틴 바티긴(Konstantin Batygin)과 마이크 브라운(Mike Brown)은
수학적 모델링과 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이 행성의 존재를 발견했다.

 

리처드와 바바라 로젠버그 행성천문학 교수인 브라운의 설명은 다음과 같다. 
"이 천체는 실제 아홉번째 행성이 될 것이라고 생각합니다. 고대 이래로 지금까지 추가로 발견된 행성은 고작 두 개가 전부입니다. 그렇다면 이 행성이 세 번째 행성이 될 텐데요. 여전히 발견되기를 기다리고 있는 태양계의 기본 구성 요소가 존재한다는 것은 정말 흥미로운 일입니다."
 
 
브라운은 이 가상의 9번째 행성은 플루토 대비 5,000 배의 질량을 가지고 있으며, 이 행성이 행성의 정의를 충족하는지 여부는 일체 논쟁거리가 되지  않을만큼 충분한 크기를 가지고 있다는 점을 강조했다.

 

오늘날 난쟁이 행성으로 알려져 있는 작은 천체들과는 달리 행성 9는 중력적으로 주변지역을 모두 장악하고 있다.

사실 중력 장악력은 다른 행성들보다 훨씬 큰 수준이다.

 

브라운은 이를 두고 이 행성이야말로 가장 가장 행성다운 행성일 것이라고 말했다. 

 

바티긴과 브라운은 이번에 발간된 천문학 저널(the Astronomical Journal)에서 자신들의 작업을 기술하며 행성 9가 카이퍼 벨트라고 알려져 있는 해왕성 너머 얼음 천체들과 파편들의 지역에서 관측되는 수수께끼와 같은 특성들을 어떻게 설명해 줄 수 있는지를 기술하였다.  

 

행성과학 부교수인 바티긴의 설명은 다음과 같다.
"비록 우리도 처음에는 정말 많은 의심을 하지 않을 수 없었지만  그 공전궤도에 대한 연구를 계속할수록 이 행성의 존재 가능성을 점점 더 확신하게 되었습니니다. 이 행성이 존재한다고 가정할 경우 그 정체를 들어내는 외태양계의 특성 때문에 이 행성이 반드시 있을거라는 확신이 계속 늘게 되었죠. 150년이 지나서야 처음으로 태양계의 행성들에 대한 합의가 아직 완전하지 않다는 확실한 증거를 얻을 수 있게 되었습니다."

 

이론상의 발견을 이뤄나가는 여정이 곧바로 이뤄진 것은 아니었다.

 

2014년 브라운의 박사후 연구생이었던 채드 트루히요(Chad Trujillo)와 그의 동료 스콧 셰퍼드(Scott Sheppard)는 카이퍼 벨트 상에 가장 멀리 떨어진 13개의 천체가 모종의 궤도운동을 하는 천체와 유사한 연관성이 있다는 점에 주목하는 논문을 발표한 바 있다.

이러한 유사성을 설명하기 위해 그들은 작은 행성이 존재할 가능성이 있음을 제안한 바 있다.

 

브라운은 행성 가설이 답은 아닐거라고 생각했지만 이러한 제안에 흥미를 느끼게 되었다.

그는 이 문제를 바티긴과 논의했고, 이 머나먼 천체에 대해 연구하는, 1년 반 동안의 협력 작업을 시작하게 되었다.

이들은 각각 관측가와 이론가로서 서로 다른 관점에서 이 작업에 접근하였다.
브라운은 하늘을 관측하면서 어떤 모습이 관측될지에 대한 맥락에서 모든 사항을 접목하기 위한 시도를 진행했고, 바티긴은 물리학의 관점에서 역학적으로 접근하며 대상이 어떻게 움직일지를 고려하여 문제에 접근하였다.

 

이러한 서로 다른 방향에서의 접근은 연구원들로 하여금 서로의 아이디어를 검증하며 새로운 가능성을 고려할 수 있도록 해주었다. 

 

Image Credit: Credit: Lance Hayashida/Caltech

 

사진 1>

캘리포니아 기술연구소의 교수인 마이크 브라운(왼쪽, Mike Brown)과 부교수인 콘스탄틴 바티긴(오른쪽, Konstanin Batygin)은 머나먼 태양계의 천체에 대해 1년 반 이상 공동작업을 진행해왔다. 

이들은 각각 다른 관점으로 작업을 진행했다.
브라운은 관측가로서 하늘을 관측하면서 어떤 모습이 관측될지에 대한 맥락에서 모든 사항을 접목하기 위한 시도를 진행했고, 바티긴은 이론가로서 물리학의 관점에서 대상이 어떻게 움직일지를 고려하며 문제에 접근하였다.

 

 

브라운의 소감은 다음과 같다.
"저는 관측이라는 측면에서 의견들을 제시했고, 바티긴은 이론적인 측면에서 논쟁거리를 제공했습니다.
 우리는 서로가 서로를 압박한 셈이죠. 
 이러한 왕래가 없었다면 이번 발견은 이뤄지지 않았을 거라 생각합니다.   
 아마도 지난 1년은 태양계의 문제에 대한 작업을 진행하면서 가장 재미있었던 1년이라고 생각합니다."
  
바티긴과 브라운은 트루히요와 셰퍼드가 처음 제시한 대상 중 가장 멀리 떨어져 있는 6 개의 천체가 물리적 공간에서 동일한 방향을 향하고 있는 타원 궤도를 유지하고 있다는 것을 즉시 알아차릴 수 있었다.

각 천체들은 태양계 주위륽 가장 머나먼 거리에서 돌고 있었고, 각각의 천체가 움직이는 속도 역시 달랐기 때문에 이러한 결과는 특별히 놀라운 결과였다.

브라운의 설명은 다음과 같다.
"이건 서로 다른 속도를 가지고 도는 여섯 개의 바늘을 가진 시계와 같습니다. 
 이 천체들은 모두 정확하게 같은 장소를 돌고 있는 것이었죠."

 

이러한 독특한 현상이 일어날 수 있을 가능성은 100분의 1 수준이라고 브라운은 말했다.

게다가 이 6개 천체의 공전궤도는 이미 알려져 있는 8개 행성의 공전면에 대해 동일한 방향으로 30도 아래로 기울어져 있었다.

이러한 일이 일어날 수 있는 확률은 0.007퍼센트 수준이었다.

 

브라운은 기본적으로 이와 같은 일은 우연히 일어날 수 없는 일이며 따라서 이와 같은 공전궤도를 만들게 된 모종의 원인이 반드시 있을 것이라는 생각을 하게 되었다.

 

이들이 연구한 첫번째 가능성은 소규모 천체 집단을 유지할 수 있을만큼의 중력을 행사하는 아직 발견되지 않은 또다른 카이퍼 벨트 천체가 존재하고 있을 가능성이었다.

그러나 과학자들은 이러한 가설을 즉시 배제해 버렸다.
왜냐하면 이러한 가설이 성립되기 위해서는 카이퍼 벨트에 존재하는 천체들의 질량이 오늘날 측정된 질량보다 100배는 더 많아야 했기 때문이었다.

또 하나의 가설은 행성의 존재 가능성이었다.

그들은 우선 직관적으로 이 6개 카이퍼 벨트 천체의 궤도를 유지시켜주며 거대한 올가미처럼 그 주위를 감싸는, 커다란 공전 궤도를 그리는 행성을 고려해보았다.

바티긴은 상당히 가능성이 있긴 했지만 정확하게 그러한 편심궤도가 관측된 적은 없다고 말했다.

즉 거의 근접하긴 했지만, 딱 들어맞는 건 아니었던 셈이었다.

 

그 후  바티긴과 브라운은 만일 반대방향으로 정렬한 공전궤도를 가진 무거운 행성을 대입하여 이 시뮬레이션을 돌려보면 결과가 어떨지를 생각해 보았다.

이것은 우연한 선택이긴 했지만 매우 효과적인 선택이었다.
반대방향의 정렬이란 이 행성이 태양에 가장 가깝게 접근하는 근일점이 다른 천체들이나 행성들의 근일점과는 180도 반대 방향일 것으로 가정한 것이다.

그리고 나머지 6 개의 카이퍼 벨트 천체들은 이미 관측을 통해 입증된 다른 천체들과 동일한 근일점을 갖는 것으로 가정하였다. 

 

바티긴의 설명은 다음과 같다.
"그냥 느낌대로 말한다면 이러한 공전궤도는 맞을 수 없는 것이었죠.
 이런 공전궤도는 오랜 동안 안정된 상태를 유지할 수 없습니다.

 왜냐하면 이런 궤도의 천체는 결국 다른 천체들과 충돌할 수밖에 없거든요."

 

 

그러나 "평균 운동 공명(mean-motion resonance)"으로 알려진 메커니즘을 통해 9번째 행성의 반대방향 정렬 궤도는 실제로는 카이퍼벨트 천체들을 이 행성과의 충돌로부터 보호해주면서도 그 궤도를 유지시켜주는 것으로 밝혀졌다.

 

궤도 운동을 하는 천체들은 서로 접근하게 되면 에너지를 교환한다.

 

예를 들어 행성 9가 네 번 공전궤도를 돌때마다 카이퍼 벨트 천체들은 9번의 공전을 완료하게 된다면 이들은 절대 충돌하지 않는다.

그 대신 그네를 타는 아이를 주기적으로 밀어주면서 그네의 운동에너지를 유지시켜주는 아버지처럼 행성 9는 카이퍼 벨트 천체들을 살짝살짝 밀어주면서 이 행성에 대한 카이퍼벨트 천체들의 궤도를 유지시켜주고 있는 것이다.

바티긴의 소감은 다음과 같다.
"사실 저는 아직도 매우 회의적입니다.
 왜냐하면 이러한 메커니즘을 보이는 천체들을 아직까지 본 적이 없거든요."

그러나 조금씩 조금씩 연구를 계속하면서 행성 9의 모델이 이러할 것이라는 결론에 설득되지 않을 수 없었다.

바티긴의 소감은 다음과 같다.
"좋은 이론은 그저 설명만을 위한 설명에 머무르지 않습니다.
 좋은 이론이란 설명하지 않으려 했던 것도 설명해내고 예측 가능하며 검증도 가능하죠."
 
행성 9의 존재는 카이퍼 벨트 천체의 궤도 정렬 양상 이상의 내용을 설명해 줄 수 있었다.

 

행성 9는 카이퍼 벨트 천체 중 2개가 보이는 수수께끼의 궤도에 대한 설명도 제시해준다.

이 천체 중 하나는 세드나(Sedna)라는 이름을 가진 천체로서 브라운에 의해 2003년 발견된 천체이다.

 

해왕성에 의해 중력적으로 떠밀려 나간 후 다시 해왕성 가까이 접근하는 다른 카이퍼 벨트 천체의 일반적인 변이와는 달리 세드나는 결코 해왕성 가까이 접근하지 않는다.

 

세드나와 같은 두 번째 천체는 2012 VP113 이라 알려진 것으로 트루히요와 셰퍼드에 의해 2014년에 발견된 것이다.

 

바티긴과 브라운은 행성 9의 존재가 자연스럽게 세드나와 같은 천체의 궤도를 만들어낸다는 것을 알게 되었다.
행성 9가 일반적인 카이퍼 벨트 천체를 천천히 해왕성과의 연관성이 멀어지는 궤도로 카이퍼 벨트 천체를 밀어내고 있는 것이다. 

 

그런데 과학자들이 맞닥드린 행성 9의 진짜 문제는 그들의 시뮬레이션이 행성들의 공전면에 수직으로 기운 카이퍼 벨트 천체들이 존재할 것이라는 점을 예측해주고 있다는 것이었다.
 

바티긴은 자신의 시뮬레이션에서 도출된 이 증거들을 브라운에게 보여줬다.

브라운은 갑자기 이와 같은 천체들이 떠올랐다고 회상했다.

지난 3년동안 관측자들은 해왕성으로부터 수직의 궤도를 따라 움직이는 4개의 천체와 또다른 수직 궤도를 따라 움직이는 하나의 천체를 식별해낸 바 있다.

 

브라운의 설명은 다음과 같다.
"우리는 즉각 이 천체들의 위치와 그 궤도를 구성하는 작업에 착수했습니다.
 그런데 그 위치와 궤도가 예상과 정확하게 맞아 떨어졌죠.
 이 결과를 봤을 때 마치 망치로 한 방 얻은 맞은 것 같았어요."
 

바티긴의 설명은 다음과 같다.
"이 시뮬레이션이 카이퍼 벨트 천체들의 궤도를 표시해주고, 세드나와 같은 천체들을 만들어낼 때, 말 그대로 일석이조의 효과를 거두는 놀라운 결과라고 생각했습니다. 그러나 이 행성의 존재가 행성 공전면의 수직궤도로 도열해선 천체들을 설명해줄 때, 이건 그저 두 마리의 새를 잡은 것 뿐만 아니라 그 근처에 앉아 있던 전혀 예상치 못했던 또 하나의 새까지 잡아주는 놀라운 결과라는 생각이 들었습니다."
  
 
행성 9는 어디에서 와서 어디까지 가는 행성인 걸까?

 

과학자들은 오랫동안 초기 태양계는 4개의 원시 행성핵을 가지고 시작되었다고 생각하고 있다.
이 핵은 주변의 가스를 모으면서 4개의 가스상 행성인 목성, 토성, 천왕성과 해왕성을 만들어냈다.

 

그리고 오랜시간동안 충돌과 밀어내기가 계속되면서 이 4개 행성은 현재와 같은 위치에 자리를 잡게 되었다.

 

브라운은 그러나 이러한 모델에서 원시 행성핵이 다섯 개여서 안될 이유는 아무것도 없다고 말했다.

행성 9는 다섯 번째 원시 행성핵이었을 수 있다.
이 원시 행성핵이 목성이나 토성에 지나지게 가깝게 접근하면서 여기서 밀려나 이심률이 큰 궤도가 만들어졌을 수도 있는 것이다.

 

바티긴과 브라운은 자신들의 시뮬레이션을 좀더 상세화해나가는 작업을 게속하고 있으며 행성 9의 공전 궤도를 보다 정확히 하기 위한 작업 및 이 행성이 태양계에 미치는 영향에 대한 연구를 계속 하고 있다.

 

한편 브라운과 그의 또다른 동료들은 이 행성 9를 찾는 작업을 시작했다.

 

현재 이 행성의 공전궤도는 대략 추정치만이 제시된 것일 뿐 타원 궤도 상에서 이 행성이 어디에 위치하고 있을지 정확하게 알려진 것은 없다.

 

브라운은 만약 이 행성이 근일점에 가까이 있는 상태라면 천문학자들이 이미 이 행성의 모습을 사진으로 찍을 수 있었을 것이라고 말했다.

그러나 이 행성이 공전궤도상에서 가장 멀리 있는 상태라면 켁 천문대에 있는 쌍둥이 10미터 빛통이나 마우나 케아에 있는 쓰바루 빛통과 같은 세계에서 가장 거대한 빛통이 필요할 것이라고 말했다.

그러나 만약 이 행성이 근일점과 원일점 사이에 있다면 훨씬 더 많은 빛통이 이 행성을 찾을 수 있다.

 

브라운의 소감은 다음과 같다.
"물론 저는 그 행성을 제가 찾고 싶습니다.
 그러나 제가 아니라 누군가 다른 사람이 이 행성을 찾는다 하더라도 저는 여전히 행복할 겁니다.
 그것이 저희 연구 내용을 공개한 이유입니다.
 우리의 연구 내용이 누군가에게 영감을 주고 이 행성을 찾아내는데 도움을 주길 바랍니다." 
 
우주의 한 부분으로서의 태양계를 좀더 확실히 이해한다는 관점에서 바티긴은 이 행성을 이해하는 두 가지 방식을 언급했다.
이 아홉번째 행성이 정말 괴상한 천체인듯 보이지만 이 행성은 태양계를 천문학자들이 다른 별들 주위에서 발견하는 외계 행성계와 좀더 유사하게 만들어준다.

우선 태양과 같은 다른 별들 주위를 도는 대부분의 행성들은 일관된 공전궤도를 가지고 있지 않다.
몇몇 공전궤도는 자신의 별에 지나치게 가깝게 형성되어 있는가 하면 또다른 공전궤도는 너무나 먼 궤도를 돌고 있다.

또 하나는 대부분의 외계행성들의 질량이 지구 질량의 1 배에서 10 배 사이에 분포한다는 것이다.

 

바티긴의 설명은 다음과 같다.
"또다른 행성계를 발견하는데 있어 가장 일반적으로 나타나는 행성들의 질량은 지구와 해왕성 사이 질량범주에 분포하고 있습니다.
 지금까지 우리는 태양계에서는 이러한 일반적인 유형의 행성이 부족하다는 생각을 해왔습니다만,  아마도 우리 태양계 역시 결국 일반적인 형태의 행성계일 것입니다."

 

브라운은 플루토가 행성에서 난쟁이 행성으로 강등되는데 중요한 역할을 수행한 사람으로 잘 알려져 있다.
브라운의 소감은 다음과 같다.
"플루토가 더 이상 행성이 아니라는 사실에 흥분하는 사람들이라면 여전히 발견을 기다리는 진짜 행성이 있다는 사실에 더더욱 큰 흥미를 느낄 수 있을 겁니다. 이제 우리는 이 행성을 찾아 진짜 태양계의 아홉번째 행성을 만들 수 있을 겁니다."

이들이 발표한 논문의 제목은 "멀리 떨어져 있는 태양계의 거대 행성에 대한 증거(Evidence for a Distant Giant Planet in the Solar System)"이다.

 

출처 : NASA Solar System Exploration 2016년 1월 21일 News Release
         http://solarsystem.nasa.gov/news/2016/01/21/caltech-researchers-find-evidence-of-a-real-ninth-planet
        

 

 

원문>

Caltech Researchers Find Evidence of a Real Ninth Planet

21 January 2016 (source: Caltech)

This artistic rendering shows the distant view from Planet Nine back towards the sun. The planet is thought to be gaseous, similar to Uranus and Neptune. Hypothetical lightning lights up the night side. Image Credit: Caltech/R. Hurt (IPAC)

 

Caltech researchers have found evidence of a giant planet tracing a bizarre, highly elongated orbit in the outer solar system. The object, which the researchers have nicknamed Planet Nine, has a mass about 10 times that of Earth and orbits about 20 times farther from the sun on average than does Neptune (which orbits the sun at an average distance of 2.8 billion miles). In fact, it would take this new planet between 10,000 and 20,000 years to make just one full orbit around the sun.

The researchers, Konstantin Batygin and Mike Brown, discovered the planet's existence through mathematical modeling and computer simulations but have not yet observed the object directly.

"This would be a real ninth planet," says Brown, the Richard and Barbara Rosenberg Professor of Planetary Astronomy. "There have only been two true planets discovered since ancient times, and this would be a third. It's a pretty substantial chunk of our solar system that's still out there to be found, which is pretty exciting."

Brown notes that the putative ninth planet-at 5,000 times the mass of Pluto-is sufficiently large that there should be no debate about whether it is a true planet. Unlike the class of smaller objects now known as dwarf planets, Planet Nine gravitationally dominates its neighborhood of the solar system. In fact, it dominates a region larger than any of the other known planets-a fact that Brown says makes it "the most planet-y of the planets in the whole solar system."

Batygin and Brown describe their work in the current issue of the Astronomical Journal and show how Planet Nine helps explain a number of mysterious features of the field of icy objects and debris beyond Neptune known as the Kuiper Belt.

"Although we were initially quite skeptical that this planet could exist, as we continued to investigate its orbit and what it would mean for the outer solar system, we become increasingly convinced that it is out there," says Batygin, an assistant professor of planetary science. "For the first time in over 150 years, there is solid evidence that the solar system's planetary census is incomplete."

The road to the theoretical discovery was not straightforward. In 2014, a former postdoc of Brown's, Chad Trujillo, and his colleague Scott Sheppard published a paper noting that 13 of the most distant objects in the Kuiper Belt are similar with respect to an obscure orbital feature. To explain that similarity, they suggested the possible presence of a small planet. Brown thought the planet solution was unlikely, but his interest was piqued.

He took the problem down the hall to Batygin, and the two started what became a year-and-a-half-long collaboration to investigate the distant objects. As an observer and a theorist, respectively, the researchers approached the work from very different perspectives-Brown as someone who looks at the sky and tries to anchor everything in the context of what can be seen, and Batygin as someone who puts himself within the context of dynamics, considering how things might work from a physics standpoint. Those differences allowed the researchers to challenge each other's ideas and to consider new possibilities. "I would bring in some of these observational aspects; he would come back with arguments from theory, and we would push each other. I don't think the discovery would have happened without that back and forth," says Brown. " It was perhaps the most fun year of working on a problem in the solar system that I've ever had."

Fairly quickly Batygin and Brown realized that the six most distant objects from Trujillo and Sheppard's original collection all follow elliptical orbits that point in the same direction in physical space. That is particularly surprising because the outermost points of their orbits move around the solar system, and they travel at different rates.

"It's almost like having six hands on a clock all moving at different rates, and when you happen to look up, they're all in exactly the same place," says Brown. The odds of having that happen are something like 1 in 100, he says. But on top of that, the orbits of the six objects are also all tilted in the same way-pointing about 30 degrees downward in the same direction relative to the plane of the eight known planets. The probability of that happening is about 0.007 percent. "Basically it shouldn't happen randomly," Brown says. "So we thought something else must be shaping these orbits."

The first possibility they investigated was that perhaps there are enough distant Kuiper Belt objects-some of which have not yet been discovered-to exert the gravity needed to keep that subpopulation clustered together. The researchers quickly ruled this out when it turned out that such a scenario would require the Kuiper Belt to have about 100 times the mass it has today.

That left them with the idea of a planet. Their first instinct was to run simulations involving a planet in a distant orbit that encircled the orbits of the six Kuiper Belt objects, acting like a giant lasso to wrangle them into their alignment. Batygin says that almost works but does not provide the observed eccentricities precisely. "Close, but no cigar," he says.

Then, effectively by accident, Batygin and Brown noticed that if they ran their simulations with a massive planet in an anti-aligned orbit-an orbit in which the planet's closest approach to the sun, or perihelion, is 180 degrees across from the perihelion of all the other objects and known planets-the distant Kuiper Belt objects in the simulation assumed the alignment that is actually observed.

"Your natural response is 'This orbital geometry can't be right. This can't be stable over the long term because, after all, this would cause the planet and these objects to meet and eventually collide,'" says Batygin. But through a mechanism known as mean-motion resonance, the anti-aligned orbit of the ninth planet actually prevents the Kuiper Belt objects from colliding with it and keeps them aligned. As orbiting objects approach each other they exchange energy. So, for example, for every four orbits Planet Nine makes, a distant Kuiper Belt object might complete nine orbits. They never collide. Instead, like a parent maintaining the arc of a child on a swing with periodic pushes, Planet Nine nudges the orbits of distant Kuiper Belt objects such that their configuration with relation to the planet is preserved.

"Still, I was very skeptical," says Batygin. "I had never seen anything like this in celestial mechanics."

But little by little, as the researchers investigated additional features and consequences of the model, they became persuaded. "A good theory should not only explain things that you set out to explain. It should hopefully explain things that you didn't set out to explain and make predictions that are testable," says Batygin.

And indeed Planet Nine's existence helps explain more than just the alignment of the distant Kuiper Belt objects. It also provides an explanation for the mysterious orbits that two of them trace. The first of those objects, dubbed Sedna, was discovered by Brown in 2003. Unlike standard-variety Kuiper Belt objects, which get gravitationally "kicked out" by Neptune and then return back to it, Sedna never gets very close to Neptune. A second object like Sedna, known as 2012 VP113, was announced by Trujillo and Sheppard in 2014. Batygin and Brown found that the presence of Planet Nine in its proposed orbit naturally produces Sedna-like objects by taking a standard Kuiper Belt object and slowly pulling it away into an orbit less connected to Neptune.

But the real kicker for the researchers was the fact that their simulations also predicted that there would be objects in the Kuiper Belt on orbits inclined perpendicularly to the plane of the planets. Batygin kept finding evidence for these in his simulations and took them to Brown. "Suddenly I realized there are objects like that," recalls Brown. In the last three years, observers have identified four objects tracing orbits roughly along one perpendicular line from Neptune and one object along another. "We plotted up the positions of those objects and their orbits, and they matched the simulations exactly," says Brown. "When we found that, my jaw sort of hit the floor."

"When the simulation aligned the distant Kuiper Belt objects and created objects like Sedna, we thought this is kind of awesome-you kill two birds with one stone," says Batygin. "But with the existence of the planet also explaining these perpendicular orbits, not only do you kill two birds, you also take down a bird that you didn't realize was sitting in a nearby tree."

Where did Planet Nine come from and how did it end up in the outer solar system? Scientists have long believed that the early solar system began with four planetary cores that went on to grab all of the gas around them, forming the four gas planets-Jupiter, Saturn, Uranus, and Neptune. Over time, collisions and ejections shaped them and moved them out to their present locations. "But there is no reason that there could not have been five cores, rather than four," says Brown. Planet Nine could represent that fifth core, and if it got too close to Jupiter or Saturn, it could have been ejected into its distant, eccentric orbit.

Batygin and Brown continue to refine their simulations and learn more about the planet's orbit and its influence on the distant solar system. Meanwhile, Brown and other colleagues have begun searching the skies for Planet Nine. only the planet's rough orbit is known, not the precise location of the planet on that elliptical path. If the planet happens to be close to its perihelion, Brown says, astronomers should be able to spot it in images captured by previous surveys. If it is in the most distant part of its orbit, the world's largest telescopes-such as the twin 10-meter telescopes at the W. M. Keck Observatory and the Subaru Telescope, all on Mauna Kea in Hawaii-will be needed to see it. If, however, Planet Nine is now located anywhere in between, many telescopes have a shot at finding it.

"I would love to find it," says Brown. "But I'd also be perfectly happy if someone else found it. That is why we're publishing this paper. We hope that other people are going to get inspired and start searching."

In terms of understanding more about the solar system's context in the rest of the universe, Batygin says that in a couple of ways, this ninth planet that seems like such an oddball to us would actually make our solar system more similar to the other planetary systems that astronomers are finding around other stars. First, most of the planets around other sunlike stars have no single orbital range-that is, some orbit extremely close to their host stars while others follow exceptionally distant orbits. Second, the most common planets around other stars range between 1 and 10 Earth-masses.

one of the most startling discoveries about other planetary systems has been that the most common type of planet out there has a mass between that of Earth and that of Neptune," says Batygin. "Until now, we've thought that the solar system was lacking in this most common type of planet. Maybe we're more normal after all."

Brown, well known for the significant role he played in the demotion of Pluto from a planet to a dwarf planet adds, "All those people who are mad that Pluto is no longer a planet can be thrilled to know that there is a real planet out there still to be found," he says. "Now we can go and find this planet and make the solar system have nine planets once again."

The paper is titled "Evidence for a Distant Giant Planet in the Solar System."

Written by Kimm Fesenmaier

 

Credits

Author: Kimm Fesenmaier

Production Editor:

Source:

Deborah Williams-Hedges
California Institute of Technology
(626) 395-3227
debwms@caltech.edu

Last Updated: 21 January 2016