플래닛 나인 가설

이 추정 행성은 멀리 떨어진 카이퍼대에 있는 천체들의 궤도에서 유사성을 설명한다.

1820년 파리 천문대의 책임자인 알렉시스 부바르드는 거대한 발견이 될 수도 있는 것을 만들었다. 그가 옛 항성 목록에서 130년 전의 위치를 추적했던 천왕성은 그가 예상했던 것처럼 태양 주위를 잘 돌지 않았다. 그것은 예상대로 타원 궤도를 따라 이동했지만, 때때로 오래된 관측은 그것이 예측된 위치보다 약간 앞섰고 때로는 약간 뒤떨어져 있음을 시사했다. 부바르는 천왕성 너머에 무언가가 있다는 것을 깨달았을 수도 있지만, 대신에 그는 오래된 항성 목록이 단순히 잘못되었다고 확신했다. 20년 이상의 세심한 관찰을 통해 천왕성은 여전히 예상 궤도에서 벗어난다는 것을 알 수 있었다. 1840년에 이르러서는 천왕성의 궤도를 더 멀리 있는 행성이 교란시키고 있다는 사실이 널리 받아들여졌다. 이후 5년 안에 프랑스 수학자 우르뱅 레비어는 부바르의 데이터를 이용해 궤도 역학을 계산했다. 1846년 천문학자 요한 갈레는 해왕성을 발견했다.

 

예측, 불일치, 새로운 이론, 그리고 성공적인 확인에 대한 이야기는 고전적이고, 레버리어는 그것으로 유명해졌다. 그의 동상은 오늘날에도 여전히 파리의 오베르투아르 거리를 응시하고 있다. 거의 즉시 사람들은 훨씬 더 많은 행성들을 예측하려고 했다. 지난 173년 동안, 수십 명의 과학자들이 그 노력에 동기를 부여하기 위해 일종의 주장된 궤도 불일치를 사용했다. 그들의 예측은 언제나 틀렸다. 그들 중 가장 유명한 것은 20세기 초에 사업가, 수학자, 천문학자 퍼시벌 로웰로부터 왔는데, 그는 이 행성을 천왕성과 해왕성 행성 X의 궤도를 어지럽히고 있다고 생각했다. 1930년 로웰 천문대에서 명왕성이 발견되었을 때 행성 X로 생각되었다. 천문학자들은 이제 명왕성이 예측된 행성 X의 0.03%만큼 무겁다는 것을 알고 있다. 1989년 보이저 2호가 해왕성을 지나간 후, 새로운 계산에 따르면 거대 행성들이 있어야 할 곳에 있었다. 결국 행성 X는 없다. 하지만, 그 가상의 행성이 사진에서 사라지고 있을 때, 천문학자들은 바깥쪽 태양계가 비어 있는 것과는 거리가 멀다는 것을 알아차리기 시작했다. 수천 개의 아주 작은 얼음 천체들이 알려진 행성들 바로 너머에서 태양 주위를 돈다. 현재 카이퍼 벨트로 알려진 이 지역의 대부분의 천체들은 약간 찌그러진 궤도를 가지고 있다. 그것들은 복잡한 공명, 광대한 불안정한 영역, 그리고 격렬한 중력 산란을 일으키는 행성의 중력에 의해 계속해서 밀리고 당긴다. 분석적인 천체 역학과 강력한 컴퓨터 시뮬레이션의 조합은 카이퍼 대 전체에 걸쳐 행성의 영향을 추적하고 수천 개의 알려진 물체를 태양계의 나머지 부분의 맥락에 배치했다.

세드나의 발견

지구에서 1만 년이 걸리는 매우 긴 궤도를 가지고 있다. 극단적인 이심률은 이례적이지만 전례가 없는 것은 아니다. 적은 수의 카이퍼대 천체들이 해왕성에 너무 가까이 접근하여 태양계 바깥쪽으로 깊숙이 던져졌다. 만약 방출되지 않는다면, 그들은 되돌아오고 아마도 미래에 해왕성을 다시 상대해야 할 것이다. 그러나 세드나의 궤도에서 놀라운 점은 해왕성에 결코 가까이 가지 않는다는 것이다. 태양에 가장 가까이 접근할 때 세드나는 해왕성의 두 배 반 거리에 있다. 그것의 이상한 궤도는 해왕성의 잘못일 수 없다; 다른 것이 원인임에 틀림없다. 세드나의 발견 당시 채드윅 트루히요, 데이비드 라비노위츠, 그리고 나는 세드나의 궤도가 태양계 역사 초기에 지나가는 별에 의해 수정되었을 가능성이 있다고 제안했다. 수천 개의 별들이 근접해 있기 때문에 세드나는 해왕성의 궤도에서 멀어지기에 충분한 자극을 받을 수 있었다. 성단이 흩어졌을 때 세드나는 먼 과거의 화석 기록으로 남겨졌을 것이다. 그러나 2012년 브라질 천문학자 로드니 고메스는 세드나와 그와 비슷한 다른 사람들이 대신 멀리 있는 거대한 행성의 자연적인 결과일 수 있다고 지적했다. 2015년 트루히요와 스콧 셰퍼드(카네기 과학 연구소)는 이처럼 먼 물체의 또 다른 특이한 특성을 지적했다. 그들은 극도로 긴 궤도를 가진 물체들이 태양에 가장 가까운 지점에 있을 때, 태양계의 평면 아래에서 그 위로 우선적으로 이동한다는 것에 주목했다. 그들은 먼 행성이 어떻게든 책임이 있을 수 있지만, 어떤 단순한 섭동도 그러한 행동을 일으킬 수 없다고 추측했다.

 

태양계의 북극 방향에서 보면, 태양계 바깥쪽에 있는 거의 모든 안정적인 물체들은 한 방향으로 강하게 모여 있는 궤도를 가지고 있다. 이 궤도들은 또한 같은 방향으로 기울어져 있는데, 이는 선들의 두께에서 분명하다. 노란 타원은 플래닛 나인의 현재 궤도에 대한 우리의 가장 좋은 추정치이다. 이심률이 큰 궤도를 도는 거대한 물체는 먼 궤도의 무리들이 그 방향에 거의 반비례하도록 강요할 것이다.

 

이 퍼즐의 조각들은 2016년에 들어맞았는데, 콘스탄틴 바티긴과 저는 정확하게 봤을 때 가장 길쭉한 모든 물체들이 같은 방향을 가리키고 같은 방향으로 기울어져 있다는 것을 깨달았다. 궤도 요소의 관점에서, 그것들은 근일점의 경도와 극 위치에 군집되어 있다. 그러한 군집은 지속되어서는 안 된다. 궤도를 제자리에 고정시키는 것이 아무것도 없다면, 차동 세차는 불과 1억 년 안에 그들의 경도와 극 위치를 무작위화할 것이다.
바티긴과 나는 더 나아가 거대하고, 멀리 있고, 기이하고, 기울어진 행성이 정확히 그 결과를 만들어낼 것이라는 것을 깨달았다. 그것은 또한 혼란스러운 클러스터링을 설명한다. 마침내, 우리는 멀리 있는 거대한 행성의 섭동에 의해 야기될 수 있는 효과를 먼 카이퍼 벨트에서 발견했다. 플래닛 나인 가설이 탄생했다.

이 가설이 처음 발표된 이후 3년 동안, 우리는 플래닛 나인이 태양계 바깥쪽에 어떤 영향을 미칠지에 대해 훨씬 더 자세히 이해하게 되었다. 태양계 관측치를 수치 시뮬레이션과 정교한 비교를 통해 우리는 지구 질량의 약 6배, 황도에 대해 20도 미만으로 약간 기울어져 있고, 태양에서 지구보다 약 400배 떨어진 적당한 이심률의 궤도에 있는 추정 행성 9가 가장 잘 일치한다는 것을 발견했다. 놀랍게도, 궤도 군집의 관측을 설명할 수 있는 대안적인 가설은 나오지 않았다. 만약 관측이 신뢰할 수 있다면, 플래닛 나인은 아마도 진짜일 것이다. 하지만 그들은 그런가? 천문학자들은 항상 관측 편향에 관심이 있다. 예를 들어, 관찰자가 하늘의 한 방향만을 바라본다면, 그곳에서 발견되는 모든 멀리 있는 물체들은 그 방향으로 기울어져 있는 것처럼 보일 것이다. 그 효과를 수정하는 것은 수행된 설문 조사의 점수에 있어 어려운 것으로 입증되었다. 하지만 우리는 마침내 답을 얻었다. 최근 발표된 카이퍼 벨트 물체의 모든 이전 발견에 대한 우리의 메타 분석은 먼 카이퍼 벨트의 극단적 군집이 편향과 우연의 결과라는 것을 발견할 확률이 0.2%에 불과하다.
비록 통계적 분석이 설득력이 있지만, 그 행성은 아직 발견되지 않았다. 그 극단적인 거리에서, 플래닛 나인은 희미할 것이지만, 우리의 가장 큰 망원경으로는 너무 어둡지 않을 것이다. 우리와 몇몇 다른 그룹들은 그것을 추적하기 위해 우리의 예측을 사용하고 있다. 우리는 레버리어와 갈레가 하룻밤 동안 행성을 발견한 기록에 필적하지는 못했지만, 몇 년 안에 천문학자가 밤하늘에서 희미하고 느리게 움직이는 빛의 점을 발견하고 우리 태양계에서 또 다른 새로운 행성의 발견을 성공적으로 발표할 것이라고 확신한다.