Ostatnie pożegnanie z planetą „X”

Czyli o tym jak problem astronomiczny zamienił się w problem psychologiczny.

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

Wyżej zacytowana konkluzja została sformułowana w końcówce XX wieku, a do tego czasu przez dziesięciolecia trwały poszukiwania dziesiątej planety. W niniejszej notce opisuję  powody prowadzenia takich poszukiwań.

Zamieszanie zaczęło się w związku z odkryciem, iż Pluton, wówczas ostatni planetarny składnik Układu Słonecznego, posiada  wielokrotnie mniejszą masę niż zakładano, ergo nie może on być odpowiedzialny za wielkość perturbacji zarejestrowanych dla trajektorii planet Urana i Neptuna w ich wokółsłonecznym obiegu. Mało masywny Pluton wywiera zbyt słabe oddziaływanie grawitacyjne, aby mogło tłumaczyć wspomniane perturbacje, a zatem musiałby  być za nie odpowiedzialny jakiś inny obiekt, który posiada zdecydowanie większą masę. Należy tu wyjaśnić, iż Pluton został zidentyfikowany (tj. odkryty) dopiero w 1930 r., a poprzednio to właśnie ta planeta spełniała rolę poszukiwanej „planety X”, która powoduje zakłócenia orbit Neptuna i Urana.

Pluton stopniowo tracił status planety X, w miarę jak coraz bardziej dokładne pomiary korygowały wielkość jego masy. Każda kolejna precyzacja powodowała jej zmniejszenie.  Przed „odkryciem” Plutona, dla planety X przypisywano 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 już trzy lata później 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 jedynie dwie tysięczne masy Ziemi. Oznaczało to, ni mniej ni więcej, że taka jej wielkość jest około 3000 razy za mała, aby wpływać na  obliczony wówczas rozmiar zakłóceń w trajektoriach orbit wokółsłonecznych Neptuna oraz Urana. Nic  więc dziwnego, że narzucającą się przyczyną, niejako kołem ratunkowym mogącym wyjaśnić owe zakłócenia, było przyjęcie tezy, że wywołuje je jakiś nieznany, masywny obiekt. Skala tych zakłóceń jednoznacznie przesądzała, że obiektem takim musi być planeta, której masa kilkakrotnie przewyższa ziemską.

Koncepcja Planety X była propagowana i uzasadniana głównie przez Roberta Suttona Harringtona, astronoma , zmarłego w styczniu 1993 r. oraz P. Kennetha Seidelmanna,  dwóch pracowników  Obserwatorium Marynarki Wojennej. który w 1987 r. przyjęli założenie, iż coś musi zakłócać obserwacje obiektów w zewnętrznych obszarach Układu Słonecznego. Uzasadnienie było takie, iż nie jesteśmy w stanie poprawnie przewidywać pozycji Urana i Neptuna, jeżeli bierzemy pod uwagę oddziaływanie tylko znanych już planet, skoro obie zbaczają po kilku latach z nawet najdokładniej obliczonych orbit.

Tak więc jeszcze w końcowych latach ubiegłego stulecia, czyli stosunkowo niedawno, sprawa istnienia planety X nie posiadała definitywnego rozstrzygnięcia. Należy wszakże  uwzględnić okoliczność, iż astronomia należy do tych dziedzin nauki, gdzie koncepcje i wnioski podlegają nader szybkiej dezaktualizacji.

Oczywiście znaleźli się również astrofizycy, którzy odnieśli się krytycznie do wzmiankowanego sposobu wyjaśniania zakłóceń w orbitach zewnętrznych planet Układu Słonecznego. Nie bez racji uważali, że wyliczenia trajektorii tych planet są zbyt mało dokładne i dlatego w tej konkretnej sprawie preferowali postępowanie zgodnie z maksymą,  znaną jako „brzytwa Ockhama”, czyli nie chcieli mnożyć bytów (planetarnych) ponad potrzebę. Swój sceptycyzm uzasadniali następującymi okolicznościami.

Otóż gdy znamy wszystkie istotne parametry orbity konkretnej planety, dopiero wówczas możemy wyznaczyć dla niej tzw. efemerydę, czyli zbiór pozycji planety w dowolnym momencie czasowym (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 oraz jej parametry przestrzenno-czasowe w każdym momencie. Natomiast w przypadku, gdy czas takich obiegów liczy dziesiątki lub setki lat astronomowie, opierając się na parametrach rozpoznanych już pozycji tylko z fragmentu takiej orbity, ekstrapolują jej dalszy przebieg (kształt).  Powstaje w ten sposób matematyczny model przyszłej trajektorii, wg której planeta powinna w nadchodzących miesiącach obiegać Słońce. Ale aby taka trasa dla planety mogła być poprawnie wymodelowana, rozpoznane muszą być parametry wcześniejszych pozycji z co najmniej połowy jej orbity.

Dla przebiegu orbit planetarnych, które zostały ustalone jedynie w przybliżeniu, analizowane są odchylenia pozycji obserwowanej od pozycji przewidzianej w modelu. W astronomii  takie różnice określa się terminem residua. Gdy zostanie już policzony rozmiar odchyleń, wówczas można zacząć poszukiwanie ich przyczyny. Jeden warunek musi być bezwzględnie spełniony, czyli że musimy dysponować odwzorowaniem fragmentu trajektorii orbity danej planety, która pokazuje rzeczywiste parametry jej pozycji. Dopiero wtedy takie odwzorowanie stanowić będzie poprawny punkt odniesienia dla wyliczania prawidłowej wielkości odchyleń.

Uran powinien był mieć poprawnie określoną orbitę, skoro  od swego odkrycia w 1791 r. zdążył obiec Słońce (do końca XX stulecia) już dwu i pół krotnie, a uwzględniając pierwsze zapiski z 1690 r. identyfikujące ten obiekt, to nawet jeszcze o jeden raz więcej. (czas obiegu wokółsłonecznego planety Uran  wynosi 84 lata ziemskie).
Problem w tym, że te wczesne obserwacje nie zgadzały się z wyliczonymi  dla tej planety efemerydami. Jak okazało  się  później, z wykreślonej teoretycznie orbity ściągała Urana,  nie odkryta przed 1846 r. planeta Neptun. Ale przecież w połowie ostatniej dekady XX wieku orbita Neptuna była już w 90 procentach swej długości rozpoznana (czas pasażu wokółsłonecznego dla Neptuna wynosi ca 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 tak „wyrysowanej” trasy. I to był dobry powód, aby założyć, że istnieje jeszcze jeden masywny obiekt gdzieś za orbitami Urana i Neptuna, mniej więcej w odległości 10 miliardów km od Słońca. Pluton został w tej układance pominięty, gdyż od chwili swego odkrycia zdołał pokonać ledwie czwartą część orbity.
(pełny czas obiegu wokół Słońca wynosi dla Plutona prawie 250 lat).

Na dodatek orbity dwóch naturalnych satelitów Neptuna zdecydowanie różniły się od orbit znanych księżyców obiegających planety 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 orbicie wyjątkowo ekscentrycznej, w 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 oraz  Pluton (którego promień jest mniejszy niż promień Trytona) to były księżyce Neptuna, ale pobliski pasaż hipotetycznej planety X po jej ekscentrycznie wydłużonej orbicie (zaproponowanej teoretycznie) dwóm pierwszym zdeformował trajektorie obiegu, zaś Plutona wyrzucił całkowicie ze strefy oddziaływania grawitacyjnego Neptuna. Taką interpretację przedstawili w 1978 r. Robert S. Harrington i Thomas C. van Flandern,  zatrudnieni we wspomnianym  Obserwatorium Marynarki Wojennej.

Oponenci i krytycy koncepcji Planety X przedstawili  swoje argumenty, kiedy w 1989 r. sonda kosmiczna Voyager 2 przeleciała obok Neptuna,  a nadesłane przez nią dane o parametrach lotu wprowadziły kilka istotnych korekt do dotychczas przyjętych wielkości. Po pierwsze okazało się, że Neptun jest trochę mniej masywny niż zakładano, po drugie jest objętościowo większy (ma lżejszy ciężar własny), co oznacza, że ma bardziej rozległą atmosferę (groźna okoliczność dla sondy, która mogłaby w niej spłonąć), po trzecie jego księżyc Tryton ma trochę inne nachylenie orbity względem równika tej planety. Wszystkie trzy wymienione okoliczności umożliwiły wyznaczenie prawidłowej masy Neptuna i, tym samym, poprawne wyznaczenie 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, i w konsekwencji skorygować przebieg jej orbity. Dokonane korekty spowodowały, że zniknęły dotychczas wykazywane różnice. Powód był w istocie banalny, gdyż  wynikły one ze zbyt mało dokładnych pomiarów trajektorii przeprowadzonych w XIX stuleciu dla tych odległych orbit planetarnych.

Reasumując, koncepcja dotycząca istnienia   planety X miała wyjaśnić grawitacyjne efekty związane z ruchem Urana.
Ale przyczyna omówionych niezgodności 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, a residua już nie wykazywały różnic.  W 1993 r. matematyk astronomiczny z Jet Propulsion Laboratory w kalifornijskiej Pasadenie (JPL Caltech) Erland Myles Standish Jr, pracujący dla NASA w latach 90-tych XX wieku, opublikował oficjalnie wyniki nowych obliczeń. K. Seidelmann uznał, że nowe wyniki zamykają definitywnie temat planety X, natomiast  Robert S. Harrington, który poznał je krótko przed swoją śmiercią (w 1993 r.), pozostał wierny swojej obsesji. Jakkolwiek pogodził się z tym, że wartości residuów zmniejszyły się do rozmiarów dopuszczalnych odchyleń, to uważał że poszukiwania należy kontynuować. Ale Brian G. Marsden, który miał wpływ, m.in., na wysokość środków przyznawanych na finansowanie rozmaitych programów badawczych,  zadecydował o skreśleniu tej kwestii z zadań do rozwiązania. Wydawać się więc mogło, że problem Planety X powinien umrzeć wraz ze śmiercią swego głównego pomysłodawcy, który w 1993 r. zmarł na raka w wieku 50 lat. Ale temat  opowieści o plancie X nie został bynajmniej wyczerpany.

W końcu sierpnia 1992 r.  jednemu z astronomów Davidowi C. Jewittowi z kalifornijskiego UCLA 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 mniejszy wielokrotnie od małego wszak Plutona, ale także kilkakrotnie mniejszy od asteroidy Ceres, największego rezydenta Pasa Planetoid. Ale to okazało się dopiero znacznie później, natomiast początkowe szacunki odnośnie jego rozmiaru były bardzo niepewne, ale nawet maksymalne nie przekraczały masy Ziemi.
(rzeczywisty rozmiar tej asteroidy wynosi ok. 108 x 167 km, a obiekt otrzymał nazwę Albion, jako że David C. Jewitt jest z pochodzenia Anglikiem, a odkrywca  zostaje z reguły jego “ojcem chrzestnym“).
Rzecz jasna, od tej pory odkryto w tym rejonie wiele 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 nominacją oraz degradacją Plutona do kategorii planet. Clyde William Tombaugh, technik-fotograf pracujący w Lowell Observatory, w dniu 18 lutego 1930 r., w rezultacie analizy i porównania wykonywanych wcześniej zdjęć przeszukiwanego obszaru nieba znalazł i ustalił pozycję pewnego obiektu. Wówczas jeszcze nie było przesądzone, jakiego rodzaju jest odkryty obiekt. Dane nie wskazywały jednoznacznie, aby jego wielkość mogła być przyczyną ówczesnej wielkości zakłóceń w  trajektorii orbit Urana i Neptuna. Ale akurat zbliżała się, przypadająca w dniu 13 marca tegoż roku, 75-ta  rocznica urodzin Percivala Lawrence’a Lowella, milionera, przedsiębiorcy i zdeklarowanego amatora astronomii. Był on fundatorem  jednego z najstarszych obserwatoriów astronomicznych w USA (1894 rok), zlokalizowanego w Flagstaff w Arizonie, oczywiście wyposażając je w stosowne teleskopy. Percival Lowell, zmarły w 1913 r. pasjonat astronomii, motywowany i owładnięty ideą odnalezienia planety „X”,  ufundował w tym celu obserwatorium. Ogłoszenie informacji o odkryciu nowej planety poza orbitą Neptuna stanowiło szczególny rodzaj uhonorowania dla pamięci tego człowieka, bez wątpienia bardzo zasłużonego dla propagowania astronomii, czyli uznane zostało jako adekwatny prezent w rocznicę jego urodzin. Ponadto nazwa Pluton zawierała w sobie pierwsze litery imienia i nazwiska Percivala Lowella, zatem także wybór takiej nazwy był jak najbardziej à propos dla nowego odkrycia. Tak więc najpierw była niezasłużona nominacja Plutona do kategorii planet, a następnie owa decyzja, jako nieuzasadniona ze względów merytorycznych, została decyzją Międzynarodowej Unii Astronomicznej z 2006 r.  skorygowana, a w jej wyniku Pluton utracił swój dotychczasowy status. (od tej pory jest zaliczony do kategorii planetek, czyli planet karłowatych).

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

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

Odkrycie nowej planety stanowi wielki powód do dumy i chwały, staje się ukoronowaniem długich lat żmudnej i nudnej harówy, , jaką wykonują tysiące wyrobników w instytutach naukowych. Pokusa, aby zaryzykować z ogłoszeniem odkrycia jest bardzo duża, i nie chodzi nawet o rozbuchane ego, ale przecież, gdy ktoś taki będzie zbyt długo poddawał weryfikowaniu nawet niepewne odkrycie, wówczas ktoś inny może go w tym wyścigu uprzedzić i odebrać palmę pierwszeństwa.  A daleko nie wszyscy pod pojawiającą się presją 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 takiego 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).

A dalej jak w klasycznej telenoweli. Temat umarł, ale nadal żyje, a dokładniej transformuje.  Zatem Planeta  „X” krąży i starszy  dalej w obszarze pop kultury generowanej elektronicznie,  obok narracji o  starożytnych kosmitach i temu podobnych imaginacjach, mających na celu profilowanie  masowej wyobraźni.