En nuestro Sistema Solar: ¿existe otro planeta u otro disco?

Dibujo artístico de pequeños objetos en el Cinturón de Kuiper.
Crédito: ESO / M. Kornmesser.

¿Puede un disco gigante y denso en los confines de nuestro Sistema Solar explicar un conjunto desconcertante de observaciones?

Cuando era niño, aprendí sobre los nueve planetas del Sistema Solar, comenzando en Mercurio y terminando con Plutón. En 2006, Plutón fue notoriamente (y justificadamente) degradado de planeta completo a estado de planeta enano, y así fue que nuestro Sistema Solar ahora tendría solo ocho planetas.

La búsqueda de otro noveno planeta, sin embargo, nunca ha cesado. ¡Ahora se está convirtiendo en una de las áreas más emocionantes dentro de la Astronomía Planetaria! La razón de este interés es una observación desconcertante hecha por Mike Brown, quien irónicamente (y acertadamente) es el Astrónomo Planetario de Caltech responsable de degradar a Plutón en primer lugar.

El origen de la hipótesis del Planeta 9.

A través de algunos de los telescopios más potentes de la Tierra, como el telescopio Subaru en Mauna Kea, hemos podido detectar minuciosamente pequeños cuerpos que orbitan cerca del borde del Sistema Solar, mucho más allá de la órbita de Neptuno. Estos objetos se denominan apropiadamente Objetos Transneptunianos, o TNOs en pocas palabras. En las últimas dos décadas, se han encontrado más de diez objetos con perihelio (el punto en la órbita de un planeta más cercano al Sol) más de cinco veces mayor que el de Neptuno, y sus órbitas exhiben un fenómeno inexplicable.

Representación esquemática de las órbitas de seis de los siete objetos transneptunianos extremos (ETNO) utilizados para proponer la hipótesis del «Planeta Nueve». La curva roja discontinua muestra la órbita de este posible planeta.
Crédito: Wikipedia.

Una curiosa observación, revelada en el paper seminal de Mike Brown y Konstantin Batygin en el 2016, señala que estos objetos estan agrupados físicamente, lo que significa que sus órbitas estan orientadas de manera similar en el espacio. Esto planteó un enorme enigma para todos los astrónomos planetarios, porque tal patrón no se espera debido al efecto de la precesión diferencial. Lo que este término significa esencialmente es que durante largos períodos de tiempo (millones de años), las órbitas de todos los cuerpos rotan, como los trompos debido a su interacción con los otros cuerpos en nuestro Sistema Solar. Este efecto varía significativamente con los parámetros de la órbita y el objeto, lo que significa que todos los objetos deben experimentar diferentes tasas de precesión. Esto a su vez significa que cualquier ‘agrupamiento’ en las órbitas probablemente se dispersaría en escalas de tiempo más largas. El hecho de que todavía veamos esta agrupación significa que debe haber algo que impida la precesión. Para sugerir un mecanismo potencial para este efecto, Batygin & Brown invocaron un noveno planeta en nuestro Sistema Solar, una idea que ha sido explorada exhaustivamente a través de muchas docenas de documentos en los años posteriores.

No un planeta, sino un disco.

El artículo de hoy de un estudiante graduado de la Universidad de Cambridge y un Físico de la Universidad de Tel Aviv da un giro novedoso a la hipótesis existente del Planeta 9 al invocar un ‘anillo’ de cuerpos pequeños en los confines del Sistema Solar como una posible explicación de las observaciones. Esta teoría podría desarrollarse potencialmente junto con, o como alternativa a, la gran hipótesis del Planeta 9.

Un disco gigante de cuerpos pequeños, casi a 20 veces la distancia del Sol a la que está Neptuno, puede parecer absurdo, sin embargo, no es la hipótesis más sorprendente en el documento. Los autores proponen que los TNOs que hemos observado en este ‘agrupamiento’ son parte de este disco excéntrico más grande de TNOs, el mismo disco invocado para desencadenar la alineación de estos TNOs en primer lugar. Si bien esto puede parecer un razonamiento circular, la estabilidad de un disco tan ‘autoconsistente’ está respaldada por predicciones matemáticas y físicas en el documento.

El balance de la precesión.

En el artículo, los autores comienzan analizando el efecto de este anillo gigante y los cuatro planetas gigantes en la dinámica (movimiento a largo plazo) de los objetos constitutivos del anillo mismo. El documento afirma que este anillo permitirá que la precesión prograda (en sentido antihorario) causada por los planetas gigantes sea contrarrestada exactamente por la precesión retrógrada (en sentido horario) causada por el anillo en sí, lo que significa que las órbitas permanecen estacionarias y se agrupan (ver Figura 1) .

Figura 1. Este gráfico de las tasas de precesión de cuerpos pequeños (TNO) contra el eje semi-mayor de los TNOs. 
Las diferentes líneas trazadas corresponden a diferentes excentricidades de estos TNO. 
La importancia de este gráfico surge del hecho de que para cada eje semi-mayor entre 200 y 500 UA, es posible que un cuerpo tenga una tasa de precesión cero (habrá una excentricidad particular correspondiente a esta tasa de precesión 0) . Esto significa que todos estos cuerpos pueden permanecer en órbitas estables y alineadas durante millones de años. 
(Figura 1 en el paper).

Muestran que con este anillo presente, una familia de órbitas estables que permanecen permanentemente alineadas entre sí, podrían ser los TNOs que observamos en los confines del Sistema Solar. Curiosamente, esta familia de órbitas está anti-alineada con (tiene perihelio en la dirección opuesta a) el propio disco (ver Fig. 2). La razón por la cual este disco es ‘autoconsistente’ es que las simulaciones también predicen una familia de objetos que están alineados con el disco y podrían constituir la mayor parte del disco. Sostienen además que estos patrones de ‘agrupamiento’ se obtienen para una amplia variedad de parámetros del disco, lo que hace que su modelo sea bastante robusto. El motivo subyacente es que los efectos macroscópicos de la influencia gravitacional del disco surgen de cada uno de los pequeños cuerpos que lo componen.

Figura 2. Esta figura traza la excentricidad de los TNOs pronosticados (y observados) como resultado de las interacciones con un disco inicial (mostrado por la línea verde). 
Uno puede separar estos cuerpos en tres ‘familias’ como se muestra en la clave del gráfico. 
La ‘autoconsistencia’ de este modelo se ve específicamente en este gráfico: la familia de cuerpos denotados con círculos azules tiene un eje de excentricidad-semimajor similar al de la línea verde (que muestra el disco utilizado), lo que significa que estos cuerpos podrían ser responsables de crear el disco en sí mismo, un concepto ciertamente difícil de entender. 
Mientras tanto, los triángulos azules representan la población de cuerpos que observamos hoy, y las predicciones se ajustan bastante bien a las observaciones (diamantes amarillos), aunque podría ser necesario un ajuste fino del modelo.
(Figura 3 en el paper).

Pero, ¿puede existir tal disco?

Después de considerar el efecto de diferentes propiedades del disco en su hipótesis, los autores discuten la posibilidad de que dicho disco exista en base a las mediciones y teorías actualmente aceptadas. La mayoría de los modelos estándar del Sistema Solar Exterior predicen que la región del Sistema Solar dentro de la cual se teoriza que reside este disco contiene solo del orden de 0.1 masas terrestres, predicha al continuar la tendencia observada en la masa del disco. Sin embargo, esta cantidad de materia es insuficiente para explicar la agrupación que observamos (que requiere alrededor de 10 masas de material terrestre). Los autores citan algunos artículos que sugieren que la región en cuestión puede contener mucho más material, y finalmente concluyen que tanto la hipótesis del Planeta 9 como su hipótesis requieren masas de material similares,

Incluso si existe un noveno planeta, y hace que los TNOs mantengan su alineación como se observó, los autores del estudio señalan que si la masa de estos TNOs está en el orden de 1 masa terrestre, su efecto entre ellos también será importante . Los autores señalan que uno de los TNO observados tiene una órbita difícil de explicar con la hipótesis del Planeta 9, pero la acción combinada del Planeta 9 y el disco permite que dicha órbita sea estable. Con este ejemplo en mente, muestran cómo un modelo de planetay de disco combinado puede dar cuenta de la estabilidad de un rango mucho más amplio de órbitas que cualquiera de los modelos por sí solo.

Si bien este documento tiene en cuenta factores como la inclinación de las órbitas, y ha probado su credibilidad frente a los cuerpos que hemos detectado hasta la fecha (incluso proporciona una mejor explicación para un cuerpo que el Planeta 9), todavía está en sus primeras etapas , y requiere mucho más trabajo para ver cómo difieren exactamente sus predicciones de la hipótesis del Planeta 9. ¡Sin embargo, es una propuesta muy emocionante!

Fuente: astrobites.

Artículo original: » Our Solar System: Another Planet or Another Disk? «. Agasthya Rana, March 26, 2020.

El paper:

Título: «Shepherding in a Self-Gravitating Disk of Trans Neptunian Objects«.
Autores: Antranik A. Sefilian, Jihad R. Touma.
Institución del primer autor: Departamento de Matemática Aplicada y Física Teórica, Universidad de Cambridge, Reino Unido.
Estado: Publicado en el «Astronomical Journal», acceso abierto.

Material relacionado:

Una colección de artículos en Español sobre el Planeta Nueve:

Los dos artículos siguientes, muestran el estado de la investigación sobre la potencial existencia del Planeta Nueve, el primero a finales del año 2017 y el segundo lo hace a Marzo de 2018: 

Un artículo interesante, que describe el caso de un cuerpo rocoso que ha agregado evidencia circunstancial a la existencia del Planeta Nueve:

El lector que desee profundizar en el tema Cinturón de Kuiper, puede recurrir al apartado «Material relacionado» del artículo: «Descubren nuevo planeta enano en el Cinturón de Kuiper» en el que encontrará una riquísima colección de recursos.

Las páginas de los investigadores que propusieron la existencia del noveno planeta:

Todos los planetas orbitan en un plano con respecto al Sol, aproximadamente a un par de grados entre sí. Ese plano, sin embargo, tiene una inclinación de seis grados con respecto al Sol, dando la apariencia de que el Sol en sí mismo está inclinado ese ángulo.  Hasta ahora, nadie había encontrado una explicación convincente para producir tal efecto, pero la presencia de un planeta con las características del Planeta Nueve sí lo hace:

Teóricamente, la gravedad del Planeta Nueve también debería tirar ligeramente de los planetas.  Con esto en mente, Agnès Fienga en el Observatorio de la Costa Azul en Francia y sus colegas comprobaron si un modelo teórico, con la nueva adición del Planeta Nueve, podría explicar mejor las pequeñas perturbaciones observadas en la órbita de Saturno detectadas por la nave Cassini. He aquí lo que encontraron:

Mientras que la mayoría de los objetos del Cinturón de Kuiper orbitan el Sol con inclinaciones orbitales que se asemejan a lo que los científicos planetarios llaman el plano invariable del Sistema Solar, los objetos más distantes del Cinturón de Kuiper no lo hacen. Su plano promedio, se descubrió que está inclinado lejos del plano invariable unos ocho grados. En otras palabras, algo desconocido y distinto al Planeta Nueve, está deformando el plano orbital promedio del Sistema Solar Exterior. Vea los detalles en el siguiente artículo:

Argumentaciones en contra de la existencia del Planeta Nueve: 

Antes de ir a las argumentaciones, ponemos un artículo que sirve de introducción, en el que se presenta una discusión sobre los argumentos que llevaron a proponer la existencia del Planeta Nueve y los biases en ellos, como de las predicciones que hacen sus proponentes a partir de su existencia:

Las órbitas de cuatro objetos recién descubiertos no muestran signos de atracción gravitatoria del planeta gigante propuesto, según lo documenta el siguiente artículo:

 Dos objetos transneptunanos retrógrados, junto con otros cuatro pequeños asteroides Centauro en órbitas prógradas, comparten un plano orbital común, próximo al plano perpendicular al del Sistema Solar. Además, los dos objetos retrógrados tienen nodos ascendentes casi idénticos , al igual que los cuatro objetos prógrados. Este escenario, con una muy baja probabidad de ocurrencia, no es explicable con la presencia del hipotético Planeta Nueve, según lo relata el siguiente artículo:

El artículo siguiente muestra que tanto  los casos a favor como los en contra de un hipotético Planeta Nueve en las afueras del Sistema Solar no son concluyentes:

Colecciones de artículos sobre el Planeta Nueve en los medios:

Para los aficionados:

Backyard Worlds: Planet 9 es un proyecto de Zoouniverse dedicado a la búsqueda, por el público, de nuevos mundos en los confines de nuestro Sistema Solar y en el espacio interestelar cercano, según lo describe el siguiente artículo:

Un equipo de astrónomos australianos de la Universidad Nacional de Australia (ANU), también involucra al público aficionado en la búsqueda del Planeta Nueve poniendo a disposición los datos  del sondeo: «SkyMapper Southern Sky Survey» para su examen, según lo describe el siguiente artículo:

Videos:

Curiosidades:

Dos casos extremos de mundos lejanos a su estrella, el primero en nuestro Sistema Solar, y el segundo en una estrella lejana:

Las distancias del Sistema Solar a escala muestran el recién descubierto 2018 VG18, apodado «Farout», en comparación con otros objetos conocidos del Sistema Solar.
Créditos:  La ilustración de Roberto Molar Candanosa y Scott S. Sheppard es cortesía del  «Carnegie Institution for Science».

A)_ Un equipo de astrónomos ha descubierto el cuerpo más distante observado en nuestro Sistema Solar. Es el primer objeto conocido del Sistema Solar que se ha detectado  está a una distancia más de 100 veces mayor que lo que lo está la Tierra  del Sol:

B)_Se ha encontrado un planeta, hasta ahora considerado como un planeta flotante o solitario, en una gran órbita alrededor de su estrella. Increíblemente, el objeto, designado como 2MASS J2126, está a aproximadamente 1 billón (1 millón de millones) de kilómetros de la estrella, o aproximadamente 7000 veces la distancia de la Tierra al Sol:

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