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Planet Neun – näher als gedacht?

Von / 1. März 2019 / 43 Kommentare
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Ob er so aussieht? Künstlerische Darstellung von Planet 9. Bild: Flickr, Kevin Gill/Elizabeth Gill, CC BY 2.0.

Ich unterbreche meine Urknall-Serie kurz aus aktuellem Anlass: die Planet-9-Jäger Konstantin Batygin und Michael Brown haben eine Arbeit veröffentlicht, die neue Analysen zur Natur des von ihnen gesuchten Planeten enthält und seine Existenz weiter bestärkt.

 

Die Dunkle Macht im Hintergrund

Die beiden Autoren hatten 2015 aus einer Häufung der Ausrichtung von Umlaufbahnen einiger extrem ferner Kuipergürtel-Asteroiden (KBO, Kuiper Belt Objects) in einem bestimmten Sektor geschlossen, dass es weit draußen im Sonnensystem bei ca. 700 AE Entfernung von der Sonne noch einen Planeten von ca. 10 Erdmassen geben müsse, der die Gleichrichtung der Orbits verursacht. 10 Erdmassen sind etwas mehr als die Hälfte der Neptunmasse (17 Erdmassen). Bei dieser Masse wäre das Objekt gerade an der Grenze zwischen einer Supererde und einem Mini-Neptun, also entweder einem Objekt mit fester Oberfläche oder einem deutlich größeren Gasplaneten, je nachdem, wie er zusammengesetzt wäre.

Mittlerweile wurden weitere Kuipergürtelobjekte mit auffälligen Bahnen gefunden, die eine zufällige Häufung der Bahnausrichtungen unwahrscheinlich machen und die  verlässlichere Analysen erlauben. Die Autoren führten tausende Simulationen durch und konnten die Eigenschaften von Planet 9 und seiner Bahn besser als zuvor bestimmen. Die neue Arbeit fasst die gesamte “Theorie 2.0” auf satten 92 Seiten zusammen (die Autoren nennen sie vorsichtiger Hypothese). Ich möchte hier die wesentlichen Grafiken zeigen und erläutern, wie die Autoren auf die neuen Parameter des gesuchten Planeten geschlossen haben.

 

Worum es geht

Zunächst ein Bild, das die Elemente einer Planetenbahn vorstellt, also die charakteristischen Größen, die eine solche Bahn genau bestimmen. Man muss sich die nicht alle merken, aber die Exzentrizität e, die Inklination i und die Länge des Perihels ϖ (eine variante Schreibweise des griechischen Buchstaben Pi) sollte man im Hinterkopf behalten.

Die Exzentrizität gibt an, wie abgeflacht die Bahnellipse ist: der Wert kann für Ellipsen von 0 (kreisförmig) bis unter 1 (parabelförmig) reichen; Ellipsenbahnen haben also 0 ≤ e < 1. Die Inklination i besagt, wie stark die Planetenbahn gegen die Erdbahn geneigt ist (0°-180°; >90° bedeutet ein Umlauf gegen die Richtung der Erde um die Sonne) und die Länge des Perihels ϖ ist die Summe aus der Länge des aufsteigenden Knotens Ω und dem Argument des Perihels ω (Winkel zwischen Knotenlinie und Linie des Perihels), wie im Bild rechts zu sehen.

Elemente einer Planetenbahn. Oben links die Bahnellipse mit großer Halbachse a, kleiner Halbachse b, Periheldistanz q (von der gelben Sonne aus gemessen) und Exzentrizität e, die bei Kreisbahnen 0 und bei Parabeln 1 ist (a·e ist dann der Abstand der Sonne vom Zentrum der Ellipse). Rechts die Orientierung der Bahn im Raum: in grün die Ebene der Erdbahn (Ekliptik), welche die Planetenbahn entlang der roten Linie schneidet. Der Schnittpunkt, wo der Planet die Ekliptik nach oben (Norden) durchstößt, heißt aufsteigender Knoten (gegenüber liegt dann der absteigende Knoten) die rote Linie Knotenlinie (die eigentlich durch beide Knoten geht). Die Neigung der Planetenbahn zur Ekliptik heißt Inklination i. Der schwarze Pfeil nach links gibt eine Referenzrichtung der Winkelzählung an (dies ist die Richtung zum Frühlingspunkt, wo die Sonne von der Erde aus gesehen zu Frühlingsanfang steht). Der Winkel Ω (groß Omega) gibt die Länge des aufsteigenden Knotens an. Der Winkel ω (klein Omega) von der Knotenlinie zum sonnennächsten Punkt der Bahn (Perihel) heißt Argument des Perihels. Die Summe aus Ω und ω heißt Länge des Perihels ϖ (Pi). Und die ist bei bestimmten Kuiper-Gürtel-Objekten ähnlich orientiert. Bild: [1], arXiv, gemeinfrei.

Batygin und Brown fanden die Bahnen von Kuipergürtel-Objekten mit großen Halbachsen (mittleren Sonnenentfernungen) von 250 AE, Periheldistanzen > 30 AE (sonnennächste Punkte auf Höhe der Neptunbahn) in Inklinationen von i < 30° auffällig stark in einer bestimmten Richtung orientiert. Ihre Perihellängen wiesen fast alle in einen 120°-Sektor am Himmel, wie im Bild unten zu sehen; bei den Ausnahmen KG163 und FT28 war die Ausrichtung exakt entgegengesetzt, nur GT50 weicht im Bild stark ab, wobei die grün dargestellten Bahnen dem Neptun nahe kommen und von dem Planeten stark gestört werden. Nur die violetten Bahnen sind über Zeiträume von Milliarden Jahren stabil und diese Bahnen fallen ausnahmslos in den 120°-Sektor.

Orbits aller KBOs mit großen Halbachsen a > 250 AE, Periheldistanzen q >30 AE und Inklinationen i < 30°. Die violetten Bahnen mit q > 40 AE sind stabil über die Lebensdauer des Sonnensystems. Grüne Bahnen kommen Neptun (30 AE) nahe und sind nicht langfristig stabil. Graue Bahnen liegen dazwischen (metastabil). Wie man sieht, häufen sich die Perihellängen vor allem der violetten Bahnen in einem ca. 120°-Sektor. Links oben in Polarkoordinaten, wohin die senkrecht auf den Bahnen stehenden Drehimpuls-Pfeile der Bahnen am Himmel weisen (Orientierung der Bahnebenen). Sie gruppieren sich um eine Richtung, die mit dem Zeichen ⊗ markiert ist und etwa abseits des Pols der Ekliptik liegt. Bild: [1], arXiv, gemeinfrei.

Betrachtet man, wohin die Bahnebenen räumlich ausgerichtet sind, indem man die zur Bahnebene senkrecht stehenden Pfeile des sogenannten Drehimpulses der Bahn aufzeichnet, so gruppieren sich diese um eine Richtung, die etwas verkippt ist gegen den Drehimpulspfeil der Erdbahn, den Pol der Ekliptik – die großen Planeten weichen nur wenig von dieser Hauptrichtung des Sonnensystems ab. Bei den violetten Objekten (die Färbung ist identisch zu denen der Umlaufbahnen) ist die Abweichung von diesem Punkt stets ähnlich groß (ca. 15°, grauer Kreis), so als ob sie wie Kreisel um ihn herum taumeln (präzedieren).

 

Was das Problem ist

Man könnte nun sagen, na und, Zufall oder schlechte Auswahl (im Bereich des Milchstraßenbandes ist es schwerer, die lichtschwachen KBOs im Sterngewimmel aufzustöbern, was einen Richtungs-Bias verursacht), aber Brown hat berechnet, dass die Chance für eine zufällige Ausrichtung oder voreingenommene Auswahl kleiner als 0,2% ist.

Man könnte einwenden, gut, hat vielleicht ein vorbeifliegender Stern die Bahnen in einer Richtung in die Länge gezogen, aber diese Ausrichtung ist langfristig nicht stabil – die inneren Planeten, vor allem Jupiter, verursachen eine Wanderung der Perihelia – entfernungsabhängig! – in der Größenordnung von bis zu 1° in einer Million Jahren – in wenigen 100 Millionen Jahren (im Vergleich zum Alter des Sonnensystems ist das nichts) wären die Bahnen völlig über den Vollkreis zerstreut.

Außerdem ist unklar, wie Objekte überhaupt auf Bahnen mit Perihelia von teils über 40 AE gelangt sind. Neptun kann sie zwar auf große Halbachsen-Werte streuen, aber sie müssten immer wieder zur Neptunbahn zurückfallen. Etwas muss sie im sonnenfernsten Punkt beschleunigt haben, nur so kann das Perihel angehoben worden sein. Benachbarte Sterne sind dafür zu weit entfernt. Darüber hinaus gibt es Objekte (hier nicht dargestellt), die Inklinationen von 50° bis über 90° aufweisen – letztere umkreisen die Sonne retrograd, gegen den Umlaufsinn der Planetenbahnen. Aus solchen Bahnen können diese Objekte nicht entstanden sein.

 

Eine Supererde kommt zur Hilfe

Was jedoch die Bahnen stabilisieren kann, ist ein  weiterer, noch unentdeckter massiver Planet jenseits dieser Bahnen, dessen Länge des Perihels dem vorgenannten Häufungssektor gegenüber steht:

Analytische Betrachtung der “Apsiden-Dynamik” (Aphel und Perihel werden unter dem Begriff Apsiden zusammengefasst) von KBO-Bahnen unter dem Einfluss eines Planeten 9 mit 5 Erdmassen, 500 AE großer Halbachse, Exzentrizität 0,25 und Inklination 20°. Die vier Bilder betrachten verschieden große Halbachsen der KBO-Bahnen (200, 300, 400 und 500 AE). Auf der y-Achse ist jeweils die Exzentrizität e der Bahn, auf der x-Achse die Differenz Δϖ der Perihellänge zu derjenigen von Planet 9 dargestellt, wie sie sich über lange Zeiträume (viele Sonnenumläufe) allmählich entwickeln würden. Für 200 AE rollt Δϖ kontinierlich nach rechts über alle Winkel (apsidal rotation oder Periheldrehung) und die Exzentrizität ist vorwiegend klein. Bei mehr als 250 AE werden die Längen der Perihelia um die gelben Bereiche um Δϖ≈180° eingeschlossen, also dem Perihel des Planeten 9 gegenüber liegend, und schwanken dort (apsidal libration). Die Exzentrizitäten sind nun hoch – genau so, wie es für die zuvor vorgestellten KBOs der Fall ist. Bild: [1], arXiv, gemeinfrei.

Wie im Bildtext erklärt kann ein Planet von 5 Erdmassen in 500 AE Entfernung von der Sonne mit mäßiger Exzentrizität und Inklination seiner Bahn die Perihellängen der Bahnen von Objekten jenseits von 250 AE in einen Sektor einschließen, der seinem Perihel genau gegenüber liegt (Differenz der Perihellängen Δϖ≈180°). Dieses Ergebnis kann man schon analytisch, also durch Berechnung von Formeln, ermitteln, was die Autoren in ihrer Arbeit vorrechnen (was ich den Lesern hier jedoch ersparen möchte).

Eine ähnliche Analyse ergibt, dass die Drehimpulsachsen jenseits von a=250 AE um den des Planeten 9 kreisen, so wie das im vorletzten Bild oben links zu erkennen war.

 

Wie super ist Planet 9?

Um diese Erkenntnisse zu verifizieren und die bestmöglichen Parameter für Planet 9 zu finden, führten die Autoren zahlreiche Simulationen mit verschiedenen Planet-9-Bahnen und -Massen durch, wobei jedesmal die Bahnen tausender KBOs in verschiedenen Sonnenabständen betrachtet wurden. Hier ein paar Beispiele:

Streuung der Perihellänge in Simulationen für verschiedene Planet-9-Parametersätze (siehe Beschriftungen rechts). Linke Spalte: Simulationen mit allen inneren Planeten Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun und Planet 9 (JSUNP9), rechte Spalte: nur Neptun und Planet 9 J2NP9). Auf den y-Achsen die Distanz Δϖ der Länge des Perihels zu der von Planet 9, auf der x-Achse die große Halbachse der KBO-Bahnen. Jenseits einer “kritischen” großen Halbachse ac werden die Perihellängen von KBOs mit Perihelia zwischen 30 und 100 AE (blaue Punkte) in einem schmalen Bereich um Δϖ=180° festgehalten. ac hängt empfindlich von der Masse von Planet 9 ab. Die realen KBOs sind, farbkodiert wie in den vorherigen Bildern, als Kreise eingezeichnet. Über den Diagrammen ist noch die apsidal confinement fraction fw (etwa: Apsiden-Einschlussrate) angegeben, das ist derjenige Anteil der simulierten blauen KBOs, der rechts von ac in den gestrichelten Kasten von 180° Breite in Δϖ fällt. Bild: [1], arXiv, gemeinfrei.

Wie analytisch vorhergesagt und bei den realen Objekten zu beobachten, werden die KBOs mit großen Periheldistanzen (blaue Punkte; rote Punkte sind unbeobachtbar ferne Objekte, orangefarbene solche mit mehr als 40° Inklination und einer Periheldistanz innerhalb der Neptunbahn) jenseits einer gewissen Entfernung ac in einem Sektor der Perihellänge um 180° gegenüber dem simulierten Planeten 9 eingeschlossen. Die Apsiden-Einschlussrate fw gibt dabei an, welcher Anteil der Objekte sich in ±90° Abstand um Δϖ=180° schart, dargestellt durch den gestrichelten Kasten. Dieser Sektor wird schmaler mit zunehmender Masse von Planet 9 (erste Reihe: 5 Erdmassen, 2. Reihe: 10, 3. Reihe: 20). Die realen KBOs sind, wie bei den Bildern zuvor eingefärbt, als violette, graue und grüne Kreise den Daten überlagert. Aus den Daten der wenigen realen Objekte ist hier noch nicht klar erkennbar, welche Masse Planet 9 haben sollte.

Die folgenden Diagramme sind da hilfreicher. Sie zeigen in den linken Bildern die Perihellängendifferenz als Außenwinkelkoordinate und die Exzentrizität der Bahn als Radius. Die blauen KBOs werden wieder in einem Längensektor gegenüber von Planet 9 zusammen gedrängt, welcher selbst rechts der Bildmitte im Zentrum der Konturlinien sitzen würde.

Linke Spalte: Polardiagramme mit der Perihellängendifferenz zu Planet 9 auf dem umlaufenden Winkel und der Bahnexzentrizität auf dem Radius; Exzentrizität 1 befindet sich am Außenrand, 0 in der Bildmitte. Oben ein Planet 9 mit 5 Erdmassen, Mitte mit 10, unten mit 20. Rechte Spalte: Polardiagramme mit der Knotenlängendifferenz zu Planet 9 auf dem umlaufenden Winkel und der Inklination auf dem Radius; die simulierten Objekte gruppieren sich um einen Schwerpunkt (gelber Punkt), der von den Autoren forced equilibrium, erzwungenes Gleichgewicht, genannt wird. Sein Abstand vom Mittelpunkt ist über den Diagrammen als forced equilibrium action angegeben. Die Werte streuen entsprechend des gelben durchgezogenen Kreises. Die überlagerten realen Objekte haben ihren Gleichgewichtspunkt im gelben Zielkreis mit einer gestrichelten Linie für die Streuung. Die Daten der realen KBOs passen am besten zu den Diagrammen in der ersten Zeile mit 5 Erdmassen. Bild: [1], arXiv, gemeinfrei.

In den Bildern rechts ist als umlaufender Winkel die Orientierung der Knotenlinie relativ zu der von Planet 9 dargestellt und als Radius die Inklination – letztlich eine ähnliche Darstellung wie oben bei den Umlaufbahnen die Richtungen der Drehimpulspfeile. In der Mitte des Koordinatenkreuzes liegt die Ebene der Planetenbahnen; der Schwerpunkt der simulierten Bahnen der blauen KBOs liegt im gelben Punkt, forced equilibrium genannt, die Streuung entspricht dem gelben durchgezogenen Kreis. Die realen Objekte sind hier mit ihrem eigenen forced equilibrium Punkt dargestellt, der wie ein Zielkreis markiert ist. Ihre Streuung ist ein gestrichelter Kreis.

Wie man sieht, passen die überlagerten realen Objekte sehr gut zu einem Planeten 9 von 5 Erdmassen, etwas schlechter zu einem von 10, und gar nicht gut zu einem von 20. Der gesuchte Planet ist also offenbar eher eine leichtgewichtige Supererde als ein Mini-Neptun. Und er ist dann auch näher als die massiveren Kandidaten.

 

Das ganze Gedöns

Dies waren einzelne Parametersätze zur Demonstration, wie geeignete Parameter von Planet 9 die Beobachtungen reproduzieren können. In den letzten Bildern wird noch einmal eine Gesamtübersicht über alle Simulationen gegeben. Jeder Punkt ist eine Simulation mit einem Satz von Parametern. Auf der x-Achse sind die simulierten Exzentrizitäten von Planet 9 dargestellt, die Farben geben von dunkelblau bis hellgrün zunehmende Inklinationen von 10° bis 35° wieder.

In den jeweils oberen beiden kleinen Diagrammen sind links die Apsiden-Einschlussraten bzw. die Winkel der forced-equilibrium-Punkte auf der y-Achse dargestellt. Nur die weißen Bereiche sind verträglich mit den Daten.

Im jeweils unteren großen Diagramm sind die Simulationen als Kreise dargestellt. Der Durchmesser der Kreise entspricht der Streuung der forced-equilibrium-Werte (entsprechend dem Durchmesser der gelben Kreise im vorigen Bild), auf der y-Achse die Abweichung des forced-equilibrium-Punkts vom Zentrum des Koordinatensystems (Abstand gelber Punkt vom Mittelpunkt im vorigen Bild). Der zulässige Bereich ist in der Mitte orangefarben hervorgehoben. Nur solche Simulationen sind farbig mit dem Inklinationswinkel dargestellt, die in den ersten beiden Bildern in den zulässigen Bereich fallen.

Die am besten passenden Simulationen sind in allen Bildern mit grauen Kästen umrahmt.

Gesamtübersicht über die Simulationen. Oben links jeweils die Apsiden-Einschlussrate, oben rechts der Winkel des forced-equilibrium-Punkts und unten der forced-equilibrium-Abstand (vgl. voriges Bild) auf der y-Achse. Auf der x-Achse die Exzentrizität von Planet 9. Jeder Kreis ist eine Simulation. Die Farbe gibt den Inklinationswinkel an (im großen Bild nur für Simulationen, die in den kleineren Bildern verträglich mit den Daten sind, helle Bereiche). Die 2 besten Simulationen sind jeweils mit grauen Kästen umrahmt. Oben: 5 Erdmassen, Mitte: 10 Erdmassen, unten: 20 Erdmassen. Bild: [1], arXiv, gemeinfrei.

Es stellt sich vor: Planet 9

Die besten Simulationsergebnisse werden für einen Planeten mit 5 bis höchstens 10 Erdmassen, einer Inklination von 15°-25°, einem mittleren Sonnenabstand von 400-800 AE und einer Exzentrizität von 0,2 bis 0,5 erzielt, wobei die kleineren Werte die besseren Ergebnisse liefern. Damit wäre Planet 9 eine echte Supererde mit 2,5-3,5 Erddurchmessern und kein Mini-Neptun. Er wäre bis zu halb so massiv wie ursprünglich angenommen und entsprechend kleiner. Das wäre jedoch kein Nachteil für seine Auffindbarkeit, ganz im Gegenteil: je weniger Masse er hätte, desto näher müsste er der Sonne und der Erde sein (höchstens 625 AE im Aphel, statt bis zu 1160 AE bei 10 Erdmassen). Das macht ihn sowohl aufgrund der kleineren Entfernung zu uns heller, als auch wegen der in größerer Sonnennähe helleren Beleuchtung, und insgesamt macht dies den kleinen Verlust an reflektierender Fläche weit mehr als wett.

Im letzten Bild ist die mögliche Himmelsregion  und die erwartete Helligkeit des mutmaßlichen Planeten angegeben.

Auffindbarkeit von Planet 9. Oben die mutmaßliche Lage der Bahn am Himmel im Vergleich zur Ekliptik und dem Milchstraßenband, wo ein Objekt schwierig auffindbar ist. Unten die Helligkeit über die Längenkoordinate am Himmel (Rektaszension). Alles unter der gestrichelten Linie scheidet wegen der Himmelsdurchmusterung Pan-STARSS aus, sonst wäre Planet 9 schon gefunden. Er kann sich nur in den zwei Lücken oder oberhalb der Linie im gelben Bereich befinden. Die niedrigere Masse spricht für eine größere Helligkeit (unterer Bereich der gelben Zone). Bild: [1], arXiv, gemeinfrei.

Wahrscheinlich krebst er demnach bei 90° (6h) Rektaszension im Drei-Sternbild-Eck von Orion, den Zwillingen und dem Stier herum. Die Kunst ist, den kleinen, langsam wandernden Punkt aus der dort befindlichen Milchstraße heraus zu fischen. Batygin rechnet mit Bezug auf eine Veröffentlichung Dritter mit einer schneeweißen Atmosphäre aus Wasserstoff und Helium, die frei von Kondensaten ist. Dann wäre er bis zu 21,2m-22,2m hell, was ziemlich viel wäre (zwar gerade nicht mehr für Gaia erreichbar, aber eigentlich für jedes größere erdgebundene Teleskop).

Dann sollte er sich auch aufspüren lassen. Falls Batygin und Brown recht behalten sollten.

 

Referenzen

[1] Konstantin Batygin, Fred C. Adams, Michael E. Brown,  and Juliette C. Becker, “The Planet Nine Hypothesis“, Elsevier Physics Reports, 10. Februar 2019; arXiv:1902.10103.

[2] Konstantin Batygin, “The Search for Planet Nine – version 2.x“, Find Planet Nine Blog, 26. Februar 2019.

[3] Konstantin Batygin Tweets auf Twitter, @kbatygin, 27. Februar 2019.

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Kommentare (43)

  1. #1 Sven
    1. März 2019

    “angular momentum” bedeutet doch auch in der Astronomie “Drehimpuls” und nicht “Drehmoment”, oder?

  2. #2 Alderamin
    1. März 2019

    @Sven

    Stimmt auch wieder. Danke. Ist korrigiert.

  3. #3 Captain E.
    1. März 2019

    Diese ganze Rechnerei beruht aber doch letztlich auf den Annahmen, dass dort draußen noch 0-1 planetengroße Himmelskörper kreisen, oder? Die Zahl Null ist dabei noch nicht endgültig ausgeschlossen, aber immerhin recht unwahrscheinlich geworden. Wie sähe das aber aus, wenn es noch 2 oder 3 Planeten gäbe? Oder wurde das auch bereits als unwahrscheinlich erkannt?

  4. #4 Alderamin
    1. März 2019

    @Captain E.

    Diese ganze Rechnerei beruht aber doch letztlich auf den Annahmen, dass dort draußen noch 0-1 planetengroße Himmelskörper kreisen, oder?

    Nein, in den Simulationen wurden keine weiteren Planeten angenommen, sonst würden sie so nicht stimmen. Jedenfalls nicht im Falle von großen Planeten.

    Wie sähe das aber aus, wenn es noch 2 oder 3 Planeten gäbe? Oder wurde das auch bereits als unwahrscheinlich erkannt?

    Grundsätzlich ist noch Platz im äußeren Sonnensystem, siehe diese Grafik. In der schraffierten Fläche könnte man vielleicht 2 Objekte unterbringen, aber wenn eines davon so groß wie der mutmaßliche Planet 9 ist, dann wird es vermutlich eng.

    Wenn man sich den Abstand zu Neptun anschaut, macht es nicht unbedingt Sinn, da noch einen weiteren Planeten in dem kleinen Dreieck zu vermuten.

    Objekte müssen nach außen hin auch immer größer werden, um ihren Orbit zu dominieren (sonst wären es Zwergplaneten). Schon an 2014 MU69 aka Ultima Thule sieht man, dass dort draußen nicht mehr viel miteinander kollidiert, ein Planet müsste also von weiter innen dorthin katapultiert worden sein. Dass das mehr als einmal passiert sein soll und die beiden sich nicht ins Gehege kommen sollen, halte ich aus dem Bauch heraus für ziemlich unwahrscheinlich.

    Einen Haufen Plutos und Erisse könnte es sicher noch geben, aber die wären, wie gesagt, keine Planeten. Am rechten Rand des Dreiecks wären sogar drei Erdmassen noch ein Zwergplanet.

  5. #5 Spritkopf
    1. März 2019

    @Captain E., Alderamin

    Wie sähe das aber aus, wenn es noch 2 oder 3 Planeten gäbe?

    Eine ähnliche Frage habe ich mir auch schon gestellt, vor allem im Zusammenhang, wie Planet Neun dorthin gekommen ist. Batygin schreibt in seinem Tweet-Thread:

    Assuming P9 is really there, how did it get to its strange orbit? There are 3 scenarios that have been discussed in the literature: in-situ formation, scattering out, and capture. At this point, it’s still speculative, but the middle option seems most plausible.

    “Scattering out” übersetze ich mit “im inneren Sonnensystem entstanden und durch gravitative Störungen hinausgeworfen”. Nur müsste man in dem Fall fragen, warum Planet Neun nur seine mäßige Exzentrität von 0,25 hat (haben soll), oder anders gesagt, wie sein Perihel so weit angehoben werden konnte. Doch eigentlich nur durch andere gravitative Einflüsse im Aphel, oder nicht? Heißt, es müssten sich dort noch weitere massereiche Objekte aufhalten.

  6. #6 Spritkopf
    1. März 2019

    Wobei… vielleicht sollten wir ihn überhaupt erstmal finden und uns dann fragen, wie er dahin gekommen ist. 😉

  7. #7 δx/δy
    1. März 2019

    Ich würde Planet 9 den Namen
    Pluuto
    geben
    Plüto geht ja leider nicht, weil die Amis kein ü kennen.

  8. #8 Captain E.
    1. März 2019

    @δx/δy :

    Ich würde Planet 9 den Namen
    Pluuto
    geben
    Plüto geht ja leider nicht, weil die Amis kein ü kennen.

    Na, ich weiß ja nicht. Wäre dann nicht die Verwechslungsgefahr mit dem Asteroiden/Zwergplaneten Pluto zu groß?

  9. #9 Captain E.
    1. März 2019

    @Alderamin:

    Nein, in den Simulationen wurden keine weiteren Planeten angenommen, sonst würden sie so nicht stimmen. Jedenfalls nicht im Falle von großen Planeten.

    […]

    Nun ja, unter diesen beiden Annahmen hat man die Berechnungen aber halt schon angestellt. Wir kennen zurzeit 8 Himmelskörper, die uns groß genug erscheinen, um “Planet” genannt zu werden. Der Rest sind Monde, Kometen und Asteroiden, wobei letztere so ab 800 km Durchmesser auch als “Zwergplanet” eigenstuft werden. So weit, so gut. Überlegungen kann man jetzt zu folgenden Annahmen anstellen:

    1. Es gibt 0 weitere Planeten im äußeren Sonnensystem.

    2. Es gibt 1 weiteren Planeten im äußeren Sonnensystem.

    3. Es gibt 2 weitere Planeten im äußeren Sonnensystem.

    4. Es gibt 3 weitere Planeten im äußeren Sonnensystem.

    …

    Annahme 1.) wird mittlerweile als eher unwahrscheinlich angesehen und höchstens noch dadurch gestützt, dass man bislang noch nicht defintiv hat nachweisen können. Annahme 2.) könnte zutreffen und die Bahnen der KBOs erklären. Träfen indes die Annahmen 3.), 4.), 5.), … zu, müssten sich diese Planeten auch untereinander beeinflussen. Hat man also Berechnungen angestellt, welche hinreichend stabilen Konstellationen existieren könnten, bei denen die beobachteten Bahnen der KBOs trotzdem hätten entstehen können?

  10. #10 Alderamin
    1. März 2019

    @Captain E.

    Hat man also Berechnungen angestellt, welche hinreichend stabilen Konstellationen existieren könnten, bei denen die beobachteten Bahnen der KBOs trotzdem hätten entstehen können?

    2014 oder davor war, glaube ich, mal die Rede von bis zu 2 Planeten, die die Bahn von Sedna und 2012 VP113 zu erklären, aber seit Batygin und Brown mit der P9-Sache an die Öffentlichkeit kamen, war nur noch von einem Planeten die Rede. Wie oben im Artikel zu lesen wurden die Simulationen in der aktuellen Arbeit einmal für Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun und P9 durchgeführt und einmal nur für Neptun und P9. Weitere Planeten wurden nicht simuliert.

    Neulich gab’s eine Arbeit nach der (wenn ich mich recht erinnere) auch ein Asteroidenring oder so was die Bahnen erklären könne (muss ich nochmal suchen, habe ihn nicht gelesen) und ich habe früher schon mal davon berichtet, dass eine Gruppe versuchte, die Bahnen der extremen KBOs mit dem nahen Vorbeiflug eines Sterns in der Entstehungsphase des Sonnensystems zu erklären (plus einem kleinen Planeten – ohne blieben die Bahnen nicht ausgerichet). Von anderen Modellen habe ich nichts gehört.

    Brown meinte in einem Podcast, bisher habe keine andere Theorie die Bahnen zufriedenstellend erklärt und es habe auch noch niemand einen Fehler in seinem Modell gefunden.

  11. #11 bote19
    1. März 2019

    Irgendetwas muss den Planeten 9 so weit hinausgeschossen haben. Vielleicht war es das gleiche Ereignis, das die Rotationsachse des Planeten Uranus um 98 Grad geneigt hat.
    Ein superspannender Artikel. So macht Astronomie Spaß !

  12. #12 Alderamin
    1. März 2019

    @bote19

    Vielleicht war es das gleiche Ereignis, das die Rotationsachse des Planeten Uranus um 98 Grad geneigt hat.

    Ganz sicher nicht. Das Objekt, das Uranus gekippt hat, wird das nicht überlebt haben, dazu ist eine Kollision nötig.

    Wahrscheinlich haben die großen Gasplaneten bei ihrer Wanderung P9 nach außen befördert (dazu brauchten sie sich nicht einmal besonders nahe zu kommen, das erledigen Resonanzen der Umlaufzeiten). Neptun und Uranus sind auch nicht mehr da, wo sie mal entstanden sind. Jupiter und Saturn haben ihnen Energie zugeführt und das hat ihre Bahnen angehoben. Uranus und Neptun könnten dasselbe mit P9 getan haben. Oder wenigstens Schützenhilfe geleistet haben beim Zirkularisieren der Bahn, wenn Jupiter das Katapult war.

  13. #13 Alderamin
    1. März 2019

    @spritkopf

    Nur müsste man in dem Fall fragen, warum Planet Neun nur seine mäßige Exzentrität von 0,25 hat (haben soll), oder anders gesagt, wie sein Perihel so weit angehoben werden konnte. Doch eigentlich nur durch andere gravitative Einflüsse im Aphel, oder nicht?

    Uranus und Neptun sind nach dem Nizza-Modell von innen nach außen geschoben worden und haben annähernd kreisförmige Bahnen. Müsste dann bei P9 ähnlich gelaufen sein, denke ich.

    Bahnresonanzen dürften eine Rolle gespielt haben, nehme ich an. Bei einer 2:1-Resonanz beispielsweise, bei der Neptun bei jedem zweiten Umlauf P9 in dessen Aphel an derselben Stelle der Bahn begegnete, würde P9 dort immer ein wenig mitgezogen und beschleunigt. Wenn P9 im Perihel wäre, wäre Neptun auch wieder auf der Aphel-Linie und somit maximal entfernt von P9, d.h. die Beschleunigung wirkte nur im Aphel. Das würde das Perihel anheben.

  14. #14 Spritkopf
    2. März 2019

    Das Nizza-Modell kannte ich noch nicht. Sehr komplex, das Ganze.

    Aber trotzdem – kann es wirklich sein, dass ein Planet, dessen Orbit sich mehrere Hundert AU von der Sonne entfernt befindet, selbst von einem schweren Gasriesen wie dem Neptun beeinflusst wird, wenn der irgendwo im Bereich von 20 – 30 AU herumkrebst (unter der Annahme, dass Neptuns Orbit früher näher zur Sonne lag)?

  15. #15 Michael Schöfer
    2. März 2019

    Muss es unbedingt ein Planet sein, den man dort vermutet? Wäre nicht auch dunkle Materie denkbar, die ebenfalls Gravitation erzeugt? Wenn ich ein Buch von Lisa Randall richtig verstanden habe, interagiert zumindest ein Teil der dunklen Materie mit sich selbst und könnte durchaus verklumpen (zu Planeten?). Dann ist dort etwas, das gravitativen Einfluss auf Objekte im Kuipergürtel ausübt, aber für uns unsichtbar bleibt.

  16. #16 Alderamin
    2. März 2019

    @Spritkopf

    Tja… ich hab’ nochmal in die Arbeit [1] geschaut (die ich zugegebenermaßen nicht komplett gelesen hatte), und auf Seite 66 wird erklärt, dass vorbeifliegende Sterne die Bahn zirkularisiert haben könnten. Die Wahrscheinlichkeit dafür sei einige wenige bis 15%, gemäß verschiedener Arbeiten Dritter. Eine weitere, einfachere (30%) Möglichkeit sei eine ursprünglich ausgedehntere protoplanetare Scheibe, mit der der Planet interagiert haben könnte. Dagegen spräche allerdings das Nizza-Modell, dem gemäß die Scheibe bei 30 AE enden musste, sonst wäre Neptun weiter nach außen gewandert.

    Von der Zirkularisierung des Orbits durch Interaktionen mit den inneren Planeten schreiben die Autoren nichts. 🙁

  17. #17 Alderamin
    2. März 2019

    @Michael Schöfer

    Nein, nach der Vorstellung der Astronomen zur Dunklen Materie ist diese ziemlich gleichmäßig in der Milchstraße verteilt, nur zum Zentrum hin dichter, und weit über die sichtbare Scheibe hinaus. So etwas Kompaktes, das in der Größenordnung des Sonnensystems einzelne Objekte stören könnte, kann die Dunkle Materie gar nicht bilden, weil sie nicht aneinander haften und dichte Strukturen bilden kann. Sie ist eher eine Art dünnes Gas, das die ganze Milchstraße durchdringt.

  18. #18 Michael Schöfer
    2. März 2019

    @Alderamin #17
    Zugegeben, ich kenne mich da nicht aus, aber Lisa Randall gilt ja als eine führende theoretische Physikerin. In ihrem Buch “Dunkle Materie und Dinosaurier: Die erstaunlichen Zusammenhänge des Universums” schreibt sie, dass ein Teil der dunklen Materie mit sich selbst interagieren kann und sich zudem in der Scheibe der Milchstraße verdichtet hat. Messungen von Satelliten hätten das bestätigt. Das englische Original ist aus dem Jahr 2015, also noch nicht so alt. Es kann aber natürlich sein, dass es inzwischen neue Erkenntnisse gibt, die ihrer Aussage widersprechen.

  19. #19 Alderamin
    2. März 2019

    @Michael Schöfer

    Dass die DM mit sich selbst interagieren kann, ist hypothetisch, man weiß ja noch gar nicht, worum es sich handelt. Man kann lediglich anhand der Geschwindigkeiten von Sternen in Galaxien und anhand von Lichtablenkung um sie herum (Gravitationslinsen) darauf schließen, wie sie sich großräumig verteilt. Es gibt ein Modell nach Navarro, Frenk und White, das ich hier im Blog öfters zitiert habe und das in fast jeder Arbeit, die sich mit der Masse von Galaxien befasst, zitiert wird. Demnach ist die DM weiträumig in Form eines kugelförmigen oder abgeflachten Halos um eine Galaxie verteilt und zum Zentrum hin dichter.

    Aber selbst wenn die DM zur Scheibe hin dichter wäre, so ist auch diese riesengroß gegen das winzige Sonnensystem, und kann somit nicht wie eine Punktmasse wirken. Sie würde von allen Seiten gleichmäßig auf das Sonnensystem wirken und die Kräfte in jeder Richtung würden sich aufheben.

    Was Planet 9 macht, gleicht eher dem Umlauf zweier Sterne um ein gemeinsames Zentrum: die Bahnen sind zwei überschneidende Ellipsen mit entgegengesetzter Ausrichtung, die den gemeinsamen Schwerpunkt einschließen, und auf der sich die Sterne synchron so bewegen, dass eine Linie zwischen ihnen immer durch den Schwerpunkt verläuft. Zumindest die Ausrichtung der Bahnen wäre bei den KBOs gemäß der Planet-9-Theorie ähnlich beeinflusst (der Umlauf kann aber nicht synchron sein, die Sonne dominiert hier).

  20. #20 bote19
    2. März 2019

    Alderamin
    ….Planetenbahnen…..
    vor 30 Jahren hatte ich mir ein eigenes Simulationsprogramm für Planetenbahnen geschrieben. Der Einfachheithalber nur für Sonne, Erde und einen dritten Himmelkörper. Dabei habe ich nur die Masse, die Geschwindigkeit und die Flugrichtung des dritten Himmelkörpers mit einbezogen.
    Und bei dieser Simulation wurde mir klar, dass es keinen Zusammenstoß braucht, um die Erde aus der Bahn zu werfen. Eine Annäherung eines massereichen Körpers reicht aus. Die Drehachse hatte ich damals nicht berücksichtigt.
    Du meinst also, dass es schwerer ist, die Lage der Drehachse zu verändern als die Änderung der Planetenbahn?

  21. #21 Alderamin
    2. März 2019

    @bote 19

    Und bei dieser Simulation wurde mir klar, dass es keinen Zusammenstoß braucht, um die Erde aus der Bahn zu werfen.

    Das ist richtig, aber für Rotationsachsen gilt das nicht, bekanntlich werden Geschosse drallstabilisiert, die ändern zwar bei Seitenwind die Richtung, aber nicht die Orientierung.

    Die Achse von Uranus wurde nach neuesten Erkenntnissen durch den Streifschuss eines Körper von ca. 2 Erdmassen gekippt (dass es sich dabei um P9 handeln soll, halte ich trotzdem für ziemlich ausgeschlossen; im frühen Sonnensystem flogen wahrscheinlich viele überzählige große Objekte herum, die entweder aus dem Sonnensystem katapultiert wurden oder mit anderen Planeten zusammenstießen – so ist der Erdmond enstanden, Plutos System von Monden, möglicherweise die rückläufige Drehung der Venus und der große Eisenkern von Merkur).

  22. #22 flow
    Frage
    3. März 2019

    Wie weit müsste der Neptun von der Sonne entfernt sein damit
    seine Gase gefrieren und eine feste Oberfläche entsteht ?

  23. #23 Alderamin
    3. März 2019

    @flow

    Gute Frage. Neben dem Sonnenlicht spielt auch die innere Wärme des Planeten eine Rolle. Jupiter erhält mehr Wärme aus seiner immer noch ablaufenden Kompression als er vom Sonnenlicht erhält, und bei Neptun ist ebenfalls die innere Wärmequelle bedeutsamer als das Sonnenlicht.

    Daher würde seine Atmosphäre auch nicht weiter von der Sonne entfernt gefrieren – noch nicht, denn irgendwann ist er so weit abgekühlt, dass dies dann doch passieren wird. In ca. 5 Milliarden Jahren gibt es aber noch die volle Dröhnung vom Roten Riesen Sonne – erst wenn dieser langsam als Weißer Zwerg auskühlt, kann auch Neptun endgültig erkalten. Gib’ ihm noch 10 Milliarden Jahre.

  24. #24 bote19
    4. März 2019

    Alderamin
    …volle Dröhnung….
    ist die Solarkonstante konstant oder geht es schon in Richtung Roter Riese?

  25. #25 Alderamin
    4. März 2019

    @bote19

    Die Solarkonstante steigt allmählich, aber langsam. Vor 4 Milliarden Jahren war die Sonne 10% schwächer als heute. In 500 Millionen Jahren wird es hier zu ungemütlich für höheres Leben und in 1 Milliarde Jahren kochen die Ozeane weg. Bis zum Roten Riesen dauert es dann immer noch 4 Milliarden Jahre oder so (bin hier gerade unterwegs, die genauen Zahlen müsste ich erst nachlesen).

  26. #26 bote19
    4. März 2019

    Alderamin
    kosmologisch wollte ich es nicht betrachten. Mir ging es um aktuelle Messungen durch Satelliten. Es ist mir auch klar, dass die Strahlungsleistung bei den verschiedenen Wellenlängen verschieden ist. Ich wollte nur wissen, ob wir uns Sorgen machen müssen. Beim Ozonloch war man ja auch recht lange zu sorglos.

  27. #27 Alderamin
    4. März 2019

    @bote19

    Mit der Sonne haben wir nur in astronomischen Zeiträumen ein Problem, mit Satelliten messen wir nur kleine Schwankungen im Promillebereich und derzeit (seit den1960ern) nimmt die Aktivität ab.

    Aber natürlich haben wir ein Problem mit der Erwärmung. Die gute Nachricht ist, wir könnten daran (im Gegensatz zur Sonnenaktivität) etwas ändern. Die schlechte: wir tun’s nicht.

  28. #28 Spritkopf
    5. März 2019

    @Alderamin

    So, ich habe jetzt mal die ganze Arbeit von Brown und Batygin gelesen, weil mich insbesondere die Simulation als solche interessiert. Eine kleine Präzisierung habe ich zu deinem Artikel:

    Um diese Erkenntnisse zu verifizieren und die bestmöglichen Parameter für Planet 9 zu finden, führten die Autoren zahlreiche Simulationen mit verschiedenen Planet-9-Bahnen und -Massen durch, wobei jedesmal die Bahnen tausender KBOs in verschiedenen Sonnenabständen betrachtet wurden.

    Genauer gesagt haben sie einen Kuiper Belt mit 1000 Objekten simuliert (S. 39), die sie im Initialzustand mit großen Halbachsen zwischen 100 und 800 AU versehen und bei Perihels zwischen 30 und 100 AU plaziert haben. Inklinationen der KBOs um 0° mit einer Standardabweichung von 15°.

    Bemerkenswert, dass sie für die Simulation Mercury6 benutzen, ein in Fortran geschriebenes Uraltprogramm. Das scheint tatsächlich in der Astronomie eine Art Standard für N-Body-Simulationen zu sein. Habs auch eben mit MinGW-Fortran kompiliert und lasse es gerade laufen, aber anscheinend mache ich noch irgendeinen Fehler, da das Programm selbst bei sehr kurzen Berechnungsintervallen nicht zum Ende kommt. Oder es liegt daran, dass es nicht unter Unix, sondern unter Windows läuft.

    Dafür habe ich ein anderes Programm zur N-Body-Simulation entdeckt: PhysX3D. Das ist so krass schnell, dass eine Sonnensystem-Simulation mit 8 Planeten und 11 Zwergplaneten auf meinem Intel Core-i3 mit rund 450.000 Integrationsschritten pro Sekunde läuft. Leider gibt es bei dem Programm anscheinend keine Parameterausgabe für die einzelnen Himmelskörper, so dass man das, was diese machen, nur in der OpenGL-Animation sieht, aber nicht in Zahlen.

  29. #29 Alderamin
    5. März 2019

    @Spritkopf

    Wie cool ist das denn? Dann rechne mal nach, vielleicht findest Du einen Fehler in der Arbeit – oder Planet Neun! 😉

  30. #30 Spritkopf
    5. März 2019

    @Alderamin
    Einen Simulationslauf mit PhysX3D will ich auf jeden Fall mal machen, aber dafür muss ich mir erst ein kleines Progrämmchen zusammenzimmern, welches mir die KBOs und deren Startparameter im benötigten Format generiert. PhysX3D will nämlich die Startparameter jedes Objektes als 3D-Position und 3D-Geschwindigkeitsvektor haben.

    oder Planet Neun!

    Was schriebst du noch als zu erwartende Helligkeit für Planet Neun? 22mag? Da ist mein neues Teleskop ja geradezu ideal geeignet. Quasi. *hust*

  31. #31 Alderamin
    5. März 2019

    @Spritkopf

    Ähem, im Rechner, nicht am Himmel…

  33. #33 Spritkopf
    6. März 2019

    @Alderamin
    Stimmt. Wenn Planet Neun existiert und er das einzige größere Objekt so weit draußen ist, dann kann es fast nichts anderes als ein vorbeiziehender Stern gewesen sein, der seinen Perihel angehoben hat. Die Oort’sche Wolke sollte ja zu dünn besiedelt sein, als dass irgendwelche Inhomogenitäten in ihr genügend gravitativen Einfluss für eine Perihelanhebung hätten ausüben können, oder?

  34. #34 Karl Mistelberger
    9. März 2019

    > #28 Spritkopf, 5. März 2019
    > Bemerkenswert, dass sie für die Simulation Mercury6 benutzen, ein in Fortran geschriebenes Uraltprogramm.

    Uralt ist MCNP vom LANL, Mercury ist verglichen damit ziemlich neu.

    > Das scheint tatsächlich in der Astronomie eine Art Standard für N-Body-Simulationen zu sein.

    google.com/search?q=n-body+integrators findet ungefähr 6.980.000 Ergebnisse.

    Einen Standard an sich gibt es nicht. Allerdings gibt es für jedes Problem ein optimales Werkzeug; und ein optimales Betriebssystem.

    In der TOP500-Liste taucht nur eines auf, z.B. der derzeit schnellste Rechner der europäischen Union:

    https://de.wikipedia.org/wiki/SuperMUC#SuperMUC_NG

    Wenn jemand nur spielen will ist Windows ideal: Microsoft verspricht hier die “Enhanced User Eperience”.

  35. #35 Spritkopf
    9. März 2019

    @Karl Mistelberger

    Einen Standard an sich gibt es nicht.

    Das hatte ich geschrieben, weil ich den Namen Mercury6 schon in diversen Papers (und nicht nur solchen von Batygin, Brown) gelesen hatte. Mein genaues Zitat lautete nebenbei “scheint eine Art Standard zu sein”.

    In der TOP500-Liste taucht nur eines auf, z.B. der derzeit schnellste Rechner der europäischen Union:

    Was das jetzt mit Software für N-Body-Simulationen zu tun hat, verstehe ich nicht so recht.

    Wenn jemand nur spielen will ist Windows ideal: Microsoft verspricht hier die “Enhanced User Eperience”.

    Zum Schluss eine Runde OS-Bashing. Naja.

  36. #36 Spritkopf
    9. März 2019

    Ich sehe gerade, Florian hat schonmal einen ganzen Artikel über Mercury geschrieben.

  37. #37 Karl Mistelberger
    9. März 2019

    > Was das jetzt mit Software für N-Body-Simulationen zu tun hat, verstehe ich nicht so recht.

    N-Body-Simulationen fühlen sich auf dem SuperMUC NG besonders wohl: https://media.ccc.de/v/35c3-9703-supermuc-ng

    > Zum Schluss eine Runde OS-Bashing.

    Fortran und Windows auf einem Rechner sind kein so erfolgreiches Team. Das ist meine Berufserfahrung. Schon für den mäßig ambitionierten Dilettanten lohnt sich ein Dual Boot System mit Linux, am besten Red Hat Fedora oder openSUSE Tumbleweed und einem eigenen SSD-Laufwerk.

  38. #38 Spritkopf
    14. März 2019

    Bei Spiegel Online gibts derzeit einen Artikel über Planet Neun, allerdings nur für Abonnenten. Aus dem Teaser kann man so gut wie gar nichts schließen (bin kein Abonnent), aber ich vermute, er basiert ebenfalls auf dem Papier von Brown und Batygin.

  39. #39 Alderamin
    14. März 2019

    @Spritkopf

    Vermutlich. Ich würde Spiegel+ gerne öfters mal lesen, die interessanten Stories sind ja nur noch für Geld zu bekommen. Aber ein 30-Euro-Monatsabo ist mir dann doch zu viel, einzelne Artikel würde ich kaufen.

  40. #40 Spritkopf
    14. März 2019

    Eine Alternativhypothese zu Planet Neun wird übrigens in diesem Papier vertreten: Eine moderat exzentrische Trümmerscheibe von kleinen TNOs mit insgesamt 10 Erdmassen würde ein hinreichend stabiles und langsam präzedierendes System ergeben, welches auch die Bahnen der bisher gefundenen TNOs gut erklären könnte.

  41. #41 Karl Mistelberger
    15. März 2019

    > #39 Alderamin, 14. März 2019
    > Vermutlich. Ich würde Spiegel+ gerne öfters mal lesen, die interessanten Stories sind ja nur noch für Geld zu bekommen. Aber ein 30-Euro-Monatsabo ist mir dann doch zu viel, einzelne Artikel würde ich kaufen.

    Vor regelmäßiger Spiegel-Lektüre sei gewarnt. Die unerwünschten Wirkungen scheinen weitaus heftiger zu sein als bisher angenommen:

    https://www.mistelberger.net/charlemagne/locust.jpg

    Gratis geht es hier:

    https://www.spektrum.de/news/gibt-es-planet-neun-am-rande-unseres-sonnensystems/1627882

  42. #42 Spritkopf
    13. September 2019

    Derek Muller von Veritasium hat eine Folge zu Planet Neun gemacht und dabei nicht nur den erwähnten Konstantin Batygin interviewt, sondern auch einen seiner Gegenpole, David Jewitt von der UCLA.

  43. #43 Alderamin
    14. September 2019

    @Spritkopf

    Schönes Interview, danke.