Zagadka planety X

czyli jak problem natury astronomicznej przekształcił się w problem natury psychologicznej.

Brian Geoffrey Marsden, zmarły w listopadzie 2006 roku wieloletni dyrektor Centrum Małych Planet w Harwardzkim Centrum Astrofizyki (Harward-Smithsonian Center for Astrophysics  –  CfA), czyli jedna ze znakomitości naukowego światka astrofizyków, wypowiedział się  jak następuje: 
„Ostatnie doniesienia o planecie X są takie, że planety X nie ma.”

Wyżej zacytowana konkluzja została sformułowana w ostatnim dziesięcioleciu XX wieku, natomiast poprzednio przez długie lata poszukiwano dziesiątej planety. Ale dlaczego w ogóle prowadzono takie poszukiwania?

Zamieszanie zaczęło się w związku z odkryciem, iż Pluton, wówczas ostatni planetarny składnik Układu Słonecznego, ma wielokrotnie mniejszą masę niż zakładano, a więc planeta ta nie może być odpowiedzialna za wielkość perturbacji  mierzonych dla trajektorii planet Urana i Neptuna w ich obiegu wokółsłonecznym. Małomasywny Pluton wywiera zbyt słabe oddziaływanie grawitacyjne, aby mogło tłumaczyć wspomniane perturbacje, a zatem musiał być za nie odpowiedzialny jakiś inny obiekt, który posiada zdecydowanie większą masę. Należy tu wyjaśnić, iż Pluton został odkryty dopiero w 1930 r., a poprzednio to właśnie ta planeta pełniła rolę poszukiwanej „planety X”, która powoduje opisane zakłócenia w okołosłonecznych  orbitach Neptuna i Urana.
Pluton tracił status planety X, w miarę jak coraz bardziej dokładne pomiary doprecyzowywały wielkość jego masy, a każda kolejna oznaczała zmniejszenie tej wielkości.

Otóż jeszcze przed „odkryciem” Plutona przypisywano dla tej planety masę siedmiokrotnie większą od ziemskiej. Po jakichś 30 latach, w 1955 r. oszacowano, że jest ona nieco mniejsza niż ziemska.  W 1968 r. dane obniżyły tę wielkość do 18 procent masy Ziemi, a ledwo trzy lata później tylko do 11 procent. Gdy w 1978 r. James Walter Christy, pracujący w Obserwatorium Marynarki Wojennej USA (USNO - United States Naval Observatory) z siedzibą w Waszyngtonie, zidentyfikował na fotografiach Plutona towarzyszącą mu małą plamkę, jako naturalnego satelitę tej planety (chodzi o księżyc Charon), to po ustaleniu parametrów orbity owego księżyca można było dokładnie i bez istotnego błędu wyznaczyć masę samej planety. Wynik obliczeń zaszokował wszystkich, bo okazało się, że masa Plutona  osiąga ledwo dwa promille masy Ziemi. Oznaczało to, ni mniej ni więcej, że taka jej wielkość jest około trzy tysiące razy za mała, aby wpływać na ówcześnie wyliczany rozmiar zakłóceń dla  trajektorii orbit wokółsłonecznych Neptuna oraz Urana. Nic dziwnego, że narzucającą się przyczyną, niejako kołem ratunkowym mogącym wyjaśnić owe zakłócenia, było przyjęcie tezy, że tak duże zakłócenia wywołuje jakiś nieznany, masywny obiekt. Skala tych zakłóceń jednoznacznie przesądzała, że obiektem takim musi być planeta, której masa wielokrotnie przewyższa masę Ziemi.

Koncepcja Planety X była propagowana i uzasadniana głównie przez Roberta Suttona Harringtona, astronoma z Obserwatorium Marynarki Wojennej, zmarłego w styczniu 1993 r. (oraz P. Kennetha Seidelmanna z tego samego obserwatorium), który w 1987 r. utrzymywał, iż coś musi zakłócać trajektorie orbit obiektów w zewnętrznych obszarach Układu Słonecznego. Opinia ta współbrzmiała ze sformułowaniem autorstwa Harringtona z 1990 r., iż nie jesteśmy w stanie poprawnie przewidywać pozycji  Urana i Neptuna, jeżeli bierzemy pod uwagę oddziaływanie tylko znanych już planet, skoro one po kilku latach zbaczają z najdokładniej nawet obliczonych orbit .

Jak z  tego wynika, jeszcze w końcowych latach ubiegłego stulecia sprawa istnienia planety X znajdowała się  „na porządku dziennym” , czylinie była definitywnie rozstrzygnięta. A było to przeciez stosunkowo niedawno. Należy jednakże uwzględnić okoliczność, iż astronomia  jest tą dziedziną nauki, gdzie aktualne na dany moment wyniki obserwacji są najszybciej przewartościowywane. Oczywiście znaleźli się również astrofizycy, którzy odnieśli się krytycznie do sposobu wyjaśniania zakłóceń w orbitach zewnętrznych planet Układu Słonecznego. Nie bez racji uważali, że wyliczenia trajektorii tych planet są zbyt mało dokładne i w tej konkretnej sprawie preferowali postępowanie zgodnie z maksymą znaną jako „brzytwa Ockhama”, czyli nie chcieli mnożyć bytów (planetarnych) ponad potrzebę. Swój sceptycyzm uzasadniali następującą argumentacją.

Otóż gdy znamy wszystkie istotne parametry orbity konkretnej planety wówczas możemy wyznaczyć dla niej tzw. efemerydę, czyli zbiór pozycji planety w dowolnym czasie (przeszłym i przyszłym). O ile czas pełnego obiegu takiej planety wokół Słońca jest niezbyt długi, wtedy dane pokolenie astronomów ma możliwość wielokrotnie prześledzić taką orbitę i bardzo precyzyjnie oznaczyć pozycję planety na orbicie w każdym momencie czasowym. Nie jest tak w przypadku, gdy czas takich obiegów liczy dziesiątki lub setki lat. Astronomowie, korzystając z rozpoznanych już pozycji na fragmencie orbity są wówczas zmuszeni ekstrapolować jej dalszy przebieg (kształt), czyli zbudować matematyczny model przyszłej trajektorii, wg której planeta powinna obiegać Słońce. Aby taka trasa dla planety mogła być poprawnie wymodelowana, rozpoznane muszą być parametry jej wcześniejszych pozycji co najmniej z połowy orbity. Dla przebiegu tych orbit planetarnych, które zostały ustalone jedynie w przybliżeniu, analizowane są odchylenia pozycji obserwowanej od pozycji przewidzianej w modelu. Różnice takie określa się terminem residua. Dopiero gdy zostanie wyliczony rozmiar odchyleń, wówczas można zacząć poszukiwanie dla nich przyczyn, ale musi być bezwzględnie spełniony warunek, czyli że dysponujemy odwzorowaniem fragmentu trajektorii orbity danej planety, która pokazuje rzeczywiste parametry jej pozycji. Dopiero wtedy takie odwzorowanie stanowić będzie poprawny punkt odniesienia dla wyliczania wielkości odchyleń wobec zaobserwowanych pozycji planety.

Uran powinien był mieć poprawnie określoną orbitę, bo od jego odkrycia w 1791 r. zdążył obiec Słońce już dwu i półkrotnie (do połowy lat 90-tych XX stulecia), a uwzględniając pierwsze zapiski z 1690 r. identyfikujące ten obiekt, to nawet jeszcze o raz więcej (w przypadku Urana czas obiegu wokół słonecznego wynosi 84 lata ziemskie). Tyle, że tak wczesne obserwacje nie zgadzały się z wyliczonymi matematycznie dla tej planety efemerydami. Jak okazało się później z wykreślonej teoretycznie orbity ściągał Urana nie odkryty przed 1846 r. Neptun. Ale w połowie ostatniej dekady XX wieku orbita Neptuna była już w 90 procentach swej długości rozpoznana (którego pełny obieg wokółsłoneczny wynosi ok. 165 lat ziemskich), zatem dla pozostałych 10 procent trajektorii ekstrapolacja jej przebiegu nie powinna była stanowić większego problemu. Ale Neptun także nie chciał trzymać się w i sposób  „wytyczonej” trasy. I to był ten dobry powód, aby założyć, że istnieje jeszcze jeden masywny obiekt gdzieś za orbitami Urana i Neptuna, czyli jakieś 10 miliardów km od Słońca. Pluton został w tej układance pominięty, gdyż od chwili swego odkrycia zdołał pokonać ledwie czwartą część orbity (dla Plutona czas obiegu wokół Słońca wynosi niemal 250 lat).

Na dodatek orbity dwóch naturalnych satelitów Neptuna zdecydowanie różniły się od orbit znanych księżyców przy innych  planetach Układu Słonecznego. Otóż większy z nich Tryton, mający wielkość ponad trzech czwartych ziemskiego Księżyca (wg długości promienia), obiega Neptuna ruchem wstecznym do obrotu tej planety. A drugi, nazwany Nereida, osiem razy mniejszy od poprzednika, co prawda obiega Neptuna w kierunku zgodnym z kierunkiem obrotów macierzystej planety, ale po wyjątkowo ekscentrycznej orbicie, przy której odległości minimalna i maksymalna od Neptuna mają się jak 1 do 6. Ponadto naszkicowany kształt orbity Plutona, wykazujący jej relatywnie duże wydłużenie, stanowił również przesłankę do założenia, iż Tryton, Nereida i Pluton (którego promień jest mniejszy niż promień Trytona) to były księżyce Neptuna, ale pobliski pasaż planety X po jej zaproponowanej teoretycznie ekscentrycznie wydłużonej orbicie tym dwóm księżycom zdeformował trajektorie obiegu, zaś Plutona wyrzucił całkowicie ze strefy oddziaływania grawitacyjnego Neptuna. Taką wersję wraz z przytoczonym uzasadnieniem przedstawił w 1978 r. wspomniany wcześniej Robert S. Harrington wspólnie z Thomasem C. van Flandernem, czyli astronomowie z Obserwatorium Marynarki Wojennej.

Oponenci i krytycy istnienia Planety X przedstawili nie gorsze argumenty. Do najważniejszych z nich należy matematyk astronomiczny z Jet Propulsion Laboratory (Caltech) w kalifornijskiej Pasadenie, Erland Myles Standish Jr (rocznik urodzenia 1939), pracujący w latach 90-tych XX wieku dla NASA. 
W 1989 r. sonda kosmiczna Voyager 2 przeleciała obok Neptuna, a nadsyłane dane o parametrach lotu wprowadziły kilka istotnych korekt do dotychczas przyjętych wielkości. Okazało się, że Neptun jest trochę mniej masywny niż zakładano, a zatem jest objętościowo większy (ma lżejszy ciężar własny), 
co oznacza, że ma bardziej rozległą atmosferę (groźna okoliczność dla sondy, która mogłaby w niej spłonąć), ponadto jego księżyc Tryton ma trochę inne nachylenie orbity względem równika tej planety (niż to zakładano dotychczas). Wszystkie trzy wymienione okoliczności umożliwiły wyznaczenie prawidłowej masy Neptuna i skorygowanie neptunowej efemerydy. Po wyznaczeniu nowej wartości dla masy (korekta in minus tylko o 0,5%, ale to był odpowiednik, mniej więcej, masy planety Mars) można było w następnej kolejności dokonać korekty odnośnie wielkości masy planety Uran, a w konsekwencji skorygować przebieg jej orbity. Poprawki  spowodowały iż zniknęły dotychczas wykazywane różnice. Powód był w istocie banalny, bo wynikały one ze zbyt mało dokładnych pomiarów w XIX stuleciu przeprowadzonych dla trajektorii odległych orbit planetarnych.

Reasumując, pojawienie się planety X miało wyjaśnić grawitacyjne niezgodności związane z ruchem Urana. Ale ich przyczyna nie znajdowała się w oddziaływaniu innego masywnego obiektu, ale w niedokładnym oszacowaniu masy Neptuna. Po przelocie Voyagera 2 i korekcie dokonanej na podstawie uzyskanych danych odnośnie masy tej planety, orbity „wróciły" na wyznaczone miejsce, zaś residua już nie wykazywały różnic.  E.M. Standish Jr opublikował w 1993 r. oficjalnie wyniki nowych obliczeń.

P. K. Seidelmann uznał wówczas, że zamyka to definitywnie sprawę planety X,  natomiast  Robert S. Harrington, który poznał je krótko przed swoją śmiercią, pozostał wierny swojej obsesji. I chociaż pogodził się z tym, że wartości residuów zmniejszyły się do rozmiarów dopuszczalnych odchyleń, ale nadal uważał, że poszukiwania nadal należy kontynuować. Sprawę definitywnie  zamknął  Brian G. Marsden, który miał wpływ, m.in., na wysokość środków przyznawanych na finansowanie rozmaitych programów badawczych,  zadecydował o skreśleniu tego tematu z zadań do rozwiązania.

Mogło by wydawać się, że problem Planety X umrze wraz ze śmiercią swego głównego pomysłodawcy, który w 1993 r. zmarł na raka w wieku 50 lat. Ale historia ta miała jeszcze ciąg dalszy.

W końcu sierpnia 1992 r. jednemu z astronomów Davidowi C. Jewittowi z kalifornijskiego UCLA  prowadzącemu jeden z programów wraz z panią Jane X. Luu (nazwisko wietnamskie), naukowcem z hawajskiego obserwatorium zbudowanego na szczycie wygasłego wulkanu Manua Kea, udało się znaleźć pewien obiekt obiegający Słońce poza orbitą Neptuna. Nie była to jednak planeta X, a tylko bryła zamarzniętego pyłu, kurzu i lodu, której średnicę szacowano maksymalnie na kilkaset kilometrów. Okazało się więc, że jest to obiekt nie tylko wielokrotnie mniejszy od małego wszak Plutona, ale także kilkakrotnie mniejszy od Ceres, największego rezydenta Pasa Planetoid.

Ale to okazało się znacznie później, natomiast początkowe szacunki odnośnie rozmiaru owej bryły były bardzo niepewne, choć nawet maksymalne nie przekraczały rozmiaru Ziemi (rzeczywisty rozmiar tej asteroidy wynosi ok. 108 x 167 km, a obiekt otrzymał nazwę Albion, gdyż David C. Jewitt jest Anglikiem, a "ojcem chrzestnym" nowego obiektu zostaje z reguły jego odkrywca). Rzecz jasna, od tej pory odkryto w tym rejonie wiecej podobnych obiektów. Wszystkie okazały się lokatorami Pasa Kuipera, głównego rezerwuaru ciał kometarnych w Układzie Słonecznym. Obliczenia charakterystyki orbity elementów składowych  owego Pasa wskazują, że wiele z nich  wykazuje znaczne podobieństwo do orbity Plutona.

Przy okazji warto wyjaśnić przypadek związany z degradacją Plutona z kategorii planet. Otóż Clyde William Tombaugh, technik-fotograf pracujący w Lowell Observatory, w dniu 18 lutego 1930 r., w wyniku analizy i porównania wykonywanych wcześniej zdjęć przeszukiwanego obszaru nieba, znalazł i ustalił pozycję pewnego obiektu. Wówczas jeszcze nie było przesądzone, jakiego rodzaju jest to obiekt. Dane nie wskazywały jednoznacznie, aby jego wielkość mogła być przyczyną znanych zakłóceń w modelu trajektorii orbit Urana i Neptuna. Ale akurat zbliżała się, przypadająca w dniu 13 marca, 75 rocznica urodzin Percivala Lawrence'a Lowella, milionera, przedsiębiorcy i amatora astronomii, który ufundował jedno z najstarszych obserwatoriów astronomicznych w USA zlokalizowane w Flagstaff w Arizonie, oczywiście wyposażając je w nowoczesne teleskopy. Percival Lowell, zmarły w 1913 r.  pasjonat astronomii, ufundował to obserwatorium motywowany i owładnięty ideą odnalezienia planety X. Ogłoszenie informacji o odkryciu planety poza orbitą Neptuna stanowiło rodzaj uhonorowania pamięci tego człowieka, bardzo zasłużonego dla propagowania astronomii, czyli potraktowane  zostało jako adekwatny prezent w rocznicę jego urodzin. Ponadto nazwa Pluton zawierała w sobie pierwsze litery imienia i nazwiska Percivala Lowella, a zatem również  wybór takiej nazwy był jak najbardziej à propos. A zatem najpierw był niezasłużony awans Plutona do rangi planet, a następnie owa pochopna decyzja, nieuzasadniona ze względów merytorycznych, została  w 2006 r. skorygowana przez Międzynarodową Unię Astronomiczną,  choć na dokonanie tej korekty trzeba było poczekać 76 lat.

Clyde W. Tombaugh, który w międzyczasie ukończył studia z zakresu astronomii i pracował zawodowo w tej dziedzinie wiedzy (zmarł w 1997 r.), z czasem stał się zdecydowanym przeciwnikiem hipotezy o istnieniu planety X. Uważał, iż istnieją wystarczające  dowody aby  to wykluczyć. Między innymi powiedział na ten temat, że sfotografował podczas swojej pracy 2/3 całej sfery niebieskiej, ale oprócz Plutona  nie znaleziono (w sensie innej planety) niczego innego. Obiekt słabszy od Plutona nie mógłby być planetą, a obiekt wielkości Neptuna zostałby znaleziony nawet wtedy, gdyby znajdował się siedem razy dalej od Słońca niż Neptun.

Poza orbitę Neptuna dotarły poza  Voyagerem 2  także inne sondy kosmiczne, np. Voyager 1, Pioneer 10 czy Pioneer 11. Żadna z nich nie doświadczyła oddziaływania grawitacyjnego jakiejś nieznanej planety.

Dotykamy przy tym zagadnieniu innej dziedziny, a mianowicie psychologii. Łatwo sobie wyobrazić, iż odkrycie nowej planety stanowi wielki powód do dumy i chwały, stając się ukoronowaniem długich lat żmudnej i nudnej harówy, podobnej do tej, którą wykonują tysiące wyrobników w instytutach naukowych. Pokusa, aby zaryzykować z ogłoszeniem odkrycia jest bardzo duża, i nie chodzi nawet o rozbuchane ego, ale wszak, gdy będzie się nadmiernie długo poddawało weryfikowaniu niezbyt pewne odkrycie, to ktoś inny może uprzedzić, czyli odebrać palmę pierwszeństwa. A przy takim ciśnieniu daleko nie wszyscy są w stanie kontrolować myślenie życzeniowe.

Najlepszym podsumowaniem tej historii jest porównanie dokonane przez Erlanda M. Standisha Jr, bodaj najzacieklejszego z krytyków „projektu planety X.” Przedstawił sytuację w taki oto sposób, że nie można wpuścić słonia (planety X) do składu porcelany (układ planetarny) i oczekiwać, że spacer słonia nie wywoła niczego więcej, jak tylko lekki podmuch powietrza. Wystarczy policzyć co taka planeta uczyniłaby z Neptunem i Uranem. Ona by zniszczyła te planety (np. wyrzuciła poza granice Układu Słonecznego).

Ciąg dalszy jak w typowej telenoweli. Temat umarł, ale żyje. Zatem Planeta X krąży sobie w najlepsze, choć już tylko  w obszarze pop kultury. Bo skoro temat posiada polor „naukowości”, zatem jakby jest mniejszy obciach przy jego odgrzewaniu, niż w przypadku historyjek o jakimś Yeti czy kręgach w zbożu.