На прошлой неделе довелось поучаствовать в составе мини-сборной Хабра вместе с примкнувшими к нам журналистами в корпоративном турнире «IV интеллектуальная битва» по спортивному «Что? Где? Когда?» — эту дистанцию в 24 вопроса мы довольно уверенно выиграли. Нашей команде дважды потребовалось отвечать устно (в микрофон), и оба раза это делал я, хотя, признаться, письменные ответы всегда давались мне легче устных, поскольку устные ответы ещё требуется обосновывать. И на этот раз, отвечая на простейший вопрос «какая планета Солнечной системы является самой холодной?» я верно ответил «Плутон», держа в уме, что в вопросе есть метка на 2004 год, а Плутон был исключён из числа планет только в 2006 году. Этот небольшой эпизод вернул меня к мыслям о том, как давно и безуспешно мы ищем «девятую планету», расположенную за орбитой Нептуна. Оказалось, что на Хабре эта тема почти не освещена, поэтому ниже я расскажу о том, как наука трактует странные наблюдения, косвенно свидетельствующие о существовании тяжёлого небесного тела за орбитой Нептуна.

Идеологом разжалования Плутона был знаменитый астрофизик Нил Деграсс Тайсон, также известный своей популяризаторской и антирелигиозной научной работой. В книге «Большое космическое путешествие», совместно написанной Тайсоном, Майклом Строссом и Ричардом Готтом, есть целая глава (кстати, девятая), в которой подробно изложено, почему Плутон не планета. К началу XX века было известно 8 планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран (открыт Уильямом Гершелем в 1781 году) и Нептун (открыт Урбеном Леверье в 1843 году на кончике пера). Поводом для поиска Нептуна и дальнейшего открытия многочисленных транснептуновых объектов (TNO) стали именно аномалии в конфигурации орбиты Урана, которые можно было бы объяснить «воздействием неизвестной крупной планеты». Уже в начале XX века аналогичные аномалии у орбиты Нептуна заинтересовали Персиваля Лоуэлла (1855 - 1916), прославленного американского бизнесмена и учёного-любителя, в большей степени интересовавшегося потенциальной обитаемостью Марса. Лоуэлл владел высокотехнологичной обсерваторией близ Флагстаффа (штат Аризона). Именно в этой обсерватории работал Весто Слайфер (1875 – 1969), в 1928 году пригласивший в штат Клайда Томбо (1906 - 1997). Именно Клайд Томбо в 1930 году открыл Плутон, выискивая на фоне неподвижных звёзд движущийся объект.

Предыстория девятой планеты

История с открытием Плутона романтическая, «ламповая» как бы сказали сейчас. Полувоображаемая планета Лоуэлла обнаружилась через 14 лет после его смерти. Название «Плутон» придумала одиннадцатилетняя Венеция Берни (1918-2009), и скорее по совпадению, чем специально, в нём затесались «PL» — инициалы Персиваля Лоуэлла. Крошечный ледяной мир, казалось, наконец уравновесил всю систему, хотя, к началу XXI века она сама себя исчерпала. Плутон не походил ни на ядро несостоявшегося газового гиганта, ни тем более на планеты земной группы – и вот, с улучшением качества телескопов в 2002 году был открыт транснептуновый объект 50000, названный Квавар, в 2003 году – объект 90377 Седна, 5 января 2005 года – объект 136199 Эрида, позже в 2005 году – Макемаке. Налицо была аналогия с ситуацией начала XIX века, когда в 1801 году новую карликовую планету открыл Джузеппе Пьяцци (1746 – 1826). Орбита этой планеты (Цереры) пролегала между Марсом и Юпитером, а при поиске Цереры Пьяцци полагался на вычисления, ранее выполненные Карлом Фридрихом Гауссом. Но ещё при жизни Пьяцци были открыты Паллада (1802) Юнона (1804) и Веста (1807), похожие на Цереру по размеру, форме и конфигурации орбит. Стало понятно, что Церера не планета, а крупнейший представитель нового класса объектов, образующих широкий пояс и впоследствии названных астероидами.

Аналогично в 2006 году Плутон сочли первым известным представителем транснептуновых объектов (TNO), а всю популяцию этих мелких льдистых тел стали изучать в совокупности как «внешний пояс астероидов». Предположение о существовании такой области на задворках Солнечной системы было высказано ещё в 1992 году, когда и появилось наименование «Пояс Койпера».

Но проблема с «девятой планетой» никуда не исчезла, а только актуализировалась. Ещё полбеды, что ни один из транснептуновых объектов не мог серьёзно повлиять на орбиту Нептуна, так как все они гораздо меньше ледяного гиганта. Но этих объектов стало известно настолько много, что их стали изучать как рой – и моделирование показало, что у целых групп TNO орбиты вытянуты так, словно их подтягивает массивное тело, расположенное в 20-30 астрономических единицах от Солнца.          

Такую странную конфигурацию орбит (равно как и форму орбиты Нептуна) можно было бы объяснить наличием крупной планеты, возможно, ледяного гиганта, за орбитой Нептуна. Но накопившиеся данные об экзопланетных системах, а также данные, полученные от «Вояджеров», говорят, что на задворках планетной системы такой гигант вряд ли может образоваться: не хватит ни остаточного водорода, ни основы для каменного ядра. Теоретически Солнце могло в глубокой древности подхватить краешком эклиптики планету-сироту. Но, несмотря на возрастающую точность астрономических приборов, такая планета также не наблюдается.      

Cогласно новому исследованию, препринт которого вышел в сентябре 2019 года, виновницей орбитальных аномалий в поясе Койпера может быть не гигантская планета, а миниатюрная чёрная дыра. Речь идёт об объекте, относящемся к гипотетическому классу первичных чёрных дыр (PBH). Первичные чёрные дыры могли возникать в первые доли секунды после Большого Взрыва, ещё до начала инфляционного этапа – когда пространство было ещё не вполне изотропным, а «комковатым», и в некоторых его точках могли формироваться крошечные горизонты событий. Сами первичные чёрные дыры никуда бы не двигались, лёжа в своих гравитационных воронках, но на этапе инфляционного расширения их разнесло бы по всей Вселенной само пространство. Правда, существование первичных чёрных дыр пока не подтверждено.

Если вблизи Солнечной системы находится такая чёрная дыра, то её отделяют от Солнца десятки астрономических единиц, и по размеру она сравнима с апельсином или теннисным мячом. По массе такая дыра должна быть в несколько раз больше Земли.

Идея поискать ПЧД в ближайших окрестностях, по-видимому, впервые возникла в рамках изучения гравитационных аномалий, обнаруженных при эксперименте OGLE (оптический эксперимент по гравитационному линзированию). Это астрономический польско-американский проект, в рамках которого через телескоп отыскиваются события гравитационного микролинзирования. Гравитационное микролинзирование случается, когда массивный объект (например, чёрная дыра) пересекает траекторию обзора, проходя между телескопом и фоновым объектом – например звездой. Если и телескоп, и оба этих объекта окажутся строго на одной линии, то передний объект (в данном случае – чёрная дыра) сработает как линза, исказив и усилив свет от звезды.

За пять лет работы OGLE было зафиксировано шесть странных событий. Они могли выдать присутствие объектов, масса которых до двадцати раз превышает земную. Согласно статье с анализом наблюдений OGLE, на расстоянии около 8 килопарсек (26 000 световых лет) от нас в направлении балджа галактики Млечный Путь может находится целая популяция объектов, провоцирующих микролинзирование, и это может быть как рой блуждающих планет, так и популяция первичных чёрных дыр. Статья вышла в 2019 году, и на тот момент доминировала версия, что на задворках Солнечной системы действительно следует искать случайно захваченную залётную планету, которая когда-то была блуждающей.  

Однако знаменитый американский астроном российского происхождения Константин Батыгин, с 2016 года активно продвигавший идею поиска девятой планеты и не вовлечённый в вышеупомянутый анализ данных OGLE, счёл, что первичная чёрная дыра определённо способна заменить блуждающую планету в имеющихся моделях, но пока невозможно сказать, какая из трактовок более вероятна.

Соответственно, вполне жизнеспособна идея, что в ближних окрестностях Солнечной системы может существовать популяция первичных чёрных дыр, и один из таких объектов мог быть захвачен нашей системой подобно блуждающей планете. Естественно, такой объект был бы невидим при оптических наблюдениях.

Хокинговское излучение

В 1970-е годы Стивен Хокинг впервые предположил, что чёрные дыры на самом деле не такие уж чёрные. На горизонте событий происходят сложные взаимодействия, обусловленные гравитацией и квантовыми факторами, поэтому, по мысли Хокинга, чёрные дыры могут давать слабое свечение, при этом понемногу развоплощаясь.

Излучение Хокинга действительно очень слабое – чёрная дыра размером с Солнце должна испускать примерно один фотон в год. Обнаружить его каким-либо детектором решительно невозможно.

Однако, если поблизости от нас есть сравнительно доступная чёрная дыра, то её можно было бы подсветить искусственно. В 2021 году французские учёные из Парижа и Лиона предположили, что хокинговское излучение гипотетической чёрной дыры было бы проще обнаружить, если отправить зонд для её облёта (или группу зондов). Кроме того, считают они, чёрную дыру можно было бы задеть направленными в её сторону гравитационными волнами.

Корабли и льдины

Более удобный способ выявить чёрную дыру – бросить в неё что-нибудь, в таком случае тело, которое пересечёт горизонт событий, выбросит вспышку света. Существует проект «Breakthrough Starshot», в рамках которого планируется снарядить флот легковесных космических аппаратов, летящих под солнечными парусами. Такой флот мог бы достичь границ Солнечной системы за несколько лет. Траектории этих кораблей можно было бы распределить так, чтобы они расходились широким веером. В результате один из таких зондов мог бы быть либо захвачен чёрной дырой, либо испытать её воздействие и указать, где она находится. Зонду не обязательно падать в чёрную дыру – проходя поблизости от неё, он испытал бы сильное релятивистское замедление времени, что было бы легко зафиксировать, если установить на зондах высокоточные часы.

Предлагается и принципиально иной вектор поиска первичной чёрной дыры, описанный в 2020 году Амиром Сираджем и Ави Лёбом. Можно не посылать на край света флот космических корабликов, а искать аномалии в распределении ледяных тел в поясе Койпера или облаке Оорта.

Первичная чёрная дыра не могла бы поглотить крупный объект из этих поясов, но могла бы разрушать приближающиеся к ней транснептуновые тела, отрывая от них кусочки. В таком случае в её окрестностях можно было бы зафиксировать разрушение одного из таких тел, либо найти обломки, которые удерживаются в виде небольшого единого конгломерата силами вторичной аккреции.

Такой поиск предполагает, что огромное множество транснептуновых объектов потребуется рассмотреть по отдельности. Для этой цели может быть использован телескоп LSST (Legacy Survey of Space and Time), который с 2014 года возводится на горе Серро-Пачон в Чили. Телескоп оснащён 3200-мегапиксельной камерой и предназначен для подробного картирования южного полушария неба в течение 10 лет. Предполагается, что этот телескоп позволит уточнить состав 40 000 мелких объектов в Солнечной системе и, возможно, приблизит нас к локализации первичной чёрной дыры.    

Заключение

Я решил подготовить этот материал, поскольку описанные в нём поиски и версии касаются полностью гипотетических объектов (первичной чёрной дыры или неизвестной девятой планеты). В самом деле, если у нас появится возможность непосредственно изучать маленькую и не представляющую опасности чёрную дыру, это значительно поспособствует развитию важнейшей из недостающих теорий – квантовой гравитации. Но описанные здесь поиски затрагивают и значительно более философскую проблему, так как миниатюрная неуловимая чёрная дыра (при этом абсолютно реальная) удивительно похожа на пресловутый чайник Рассела. Описанная область задач демонстрирует, что наука не удовлетворяется объяснением, которое можно было бы сформулировать следующим образом: «у нас на окраине Солнечной системы что-то не так с гравитацией. Возмущения могла бы вызывать гигантская планета, но почему-то её не видно. Поэтому логично предположить, что всему виной чёрная дыра размером с апельсин. Обнаружить её практически невозможно, поэтому просто поверьте, что она там есть». Но на наших глазах развиваются целые последовательности гипотез и идей, призванных не только подтвердить или опровергнуть наличие таинственного источника гравитации, но и концептуализировать его природу.

Думаю, Бертран Рассел мог бы нами гордиться.