プラネット・ナイン

プラネット・ナインとは

プラネット・ナイン（Planet Nine）は、太陽系の最外縁部に存在が提唱されている、巨大な天体（おそらく天王星型惑星）の仮称です。この仮説は、エッジワース・カイパーベルトの外側を周回する一群の太陽系外縁天体の軌道に関する研究から、2014年に提唱されました。カリフォルニア工科大学のコンスタンティン・バティギンとマイケル・E・ブラウンは、2016年1月20日に、これらの天体の軌道特性からプラネット・ナインの存在を示す間接的な証拠を発表しました。

概要

プラネット・ナインは、質量が地球の約10倍、直径は地球の2～4倍程度と推定されています。太陽からの距離は非常に遠く、10,000～20,000年という長い周期で太陽を公転すると考えられています。この天体の軌道は非常に楕円形であり、近日点（太陽に最も近い点）は約200天文単位（au）、遠日点（太陽から最も遠い点）は約1,200auにも達するとされています。

プラネット・ナインの起源については、いくつかの仮説があります。一つは、ニースモデルと呼ばれる太陽系形成モデルにおいて、木星や土星によって外側に弾き出された、仮説上の第5番目の巨大惑星である可能性です。また、別の恒星系で形成された惑星が、太陽系に捕獲されたという説や、自由浮遊惑星が捕獲されたとする説、遠方で形成された後に太陽系の近くを通過した恒星の影響で現在の軌道に入ったとする説もあります。

名称

プラネット・ナインは仮称であり、光学観測などで実在が確認されるまで、正式な名称は与えられません。もし発見された場合、国際天文学連合（IAU）が正式な名称を認定することになります。通常は発見者が提案した名前が優先され、ギリシャ神話やローマ神話にちなんだ名前が用いられると考えられます。

当初、バティギンとブラウンの研究論文では、この天体を「摂動を与えるもの（perturber）」と呼んでいました。その後、報道向けの発表で初めて「プラネット・ナイン」という仮称が使われました。ブラウンは、仲間内では「Phattie」という愛称で呼んでいることも明かしています。また、2018年には、惑星科学者のアラン・スターンが、この名称に反対し「プラネットX」という名前を使うことを提案しました。

特徴

軌道要素

プラネット・ナインは、軌道離心率の大きな楕円軌道を、1万年から2万年の周期で公転していると推定されています。軌道長半径は約700auと、海王星の約20倍にもなりますが、近日点では海王星の約7倍の約200auまで近づくとされています。軌道傾斜角は30±20°程度と考えられています。遠日点では約1,200auまで遠ざかるとされ、その方向はオリオン座やおうし座付近、近日点の方向はへび座、へびつかい座、てんびん座付近になると考えられています。

大きさと組成

プラネット・ナインは、地球の約10倍の質量と、2倍から4倍程度の大きさを持つと推定されています。この天体は、天王星や海王星のような、岩石と氷の混合物で構成された巨大な氷惑星である可能性が高いと考えられています。プラネット・ナインが原始ブラックホールであるという説も提唱されていますが、これは可能性の一つに過ぎません。

起源

プラネット・ナインの起源については、前述のように複数の仮説が存在します。

巨大惑星による弾き出し: プラネット・ナインは、太陽系が形成された初期に、木星や土星などの巨大惑星との重力的な相互作用によって、現在の遠方の軌道に弾き出されたとする説です。
他恒星系からの捕獲: 別の恒星系で形成された惑星が、太陽系に接近した際に重力によって捕獲されたとする説です。また、自由浮遊惑星が捕獲された可能性も考えられています。
遠方での形成と軌道変化: 太陽系が形成された際に、非常に遠方で形成された後、太陽系の近くを通過した恒星の影響で、現在の大きな軌道離心率を持つ軌道に引っ張られたとする説です。

プラネット・ナイン仮説の経緯

プラネット・ナインの存在を示唆する証拠は、21世紀に入ってから徐々に積み重ねられてきました。1846年の海王星発見以降、海王星よりも遠方に未知の天体が存在する可能性は理論的に指摘されてきましたが、その存在が具体的に議論されるようになったのは、2000年代に入ってからです。

遠方惑星に関する仮説

1880年には、ジョージ・フォーブスが海王星以遠の惑星の存在を仮定し、これは現在のプラネット・ナインの理論に類似していると考えられています。パーシヴァル・ローウェルは、天王星の軌道のずれを説明するために、未知の惑星「Planet X」の探索を始めました。その後、2004年に発見されたセドナなどの特異な軌道を持つ天体が、未知の重い天体の存在を推測させるきっかけとなりました。

プラネット・ナイン仮説の登場

2014年に、スコット・シェパードとチャドウィック・トルヒージョは、セドナなどの遠方天体の軌道に類似性があることを指摘し、未知の惑星がこれらの天体の軌道に影響を与えている可能性を示唆しました。その後、バティギンとブラウンの研究によって、プラネット・ナインの存在を支持する強力な証拠が提示されることとなりました。

プラネット・ナインの存在を支持する証拠

プラネット・ナインの重力的な影響は、以下の太陽系の5つの特異な点を説明できる可能性があります。

1. 極端に遠い太陽系外縁天体（eTNOs）の軌道のクラスタリング
2. 海王星の影響から分離したセドナのような天体の大きな近日点距離
3. 既知の惑星の軌道に対して垂直な軌道を持つeTNOsの大きな軌道傾斜角
4. 軌道長半径が100au未満で大きな軌道傾斜角を持つ太陽系外縁天体
5. 太陽の自転軸が惑星の軌道面に対して6°傾いていること

これらの現象は、プラネット・ナインの存在を仮定することで、統一的に説明できるとされています。しかし、プラネット・ナインの重力は、短周期彗星の軌道傾斜角を観測されているよりも広くしてしまうという指摘もあります。

観測：近日点距離が大きい天体の軌道の偏り

プラネット・ナインの存在を示唆する最も重要な証拠の一つは、遠方の太陽系外縁天体の軌道要素に見られる偏りです。これらの天体の近日点引数（太陽に最も近づく点の方角）が、特定の方向に偏っていることが観測されています。この偏りは、ランダムな分布では説明できず、未知の重い天体の影響を受けている可能性が高いとされています。

バティギンとブラウンは、この偏りを説明するために、プラネット・ナインの存在を提唱しました。彼らの計算によれば、プラネット・ナインは軌道長半径が大きく、軌道離心率も大きい楕円軌道を描いているとされています。

シミュレーション：軌道の偏りの再現

プラネット・ナインの影響を含めたシミュレーションによって、遠方太陽系外縁天体の軌道の偏りを再現できることが分かっています。バティギンとブラウンのシミュレーションでは、プラネット・ナインのような天体が存在することで、天体が特定の軌道に集まる傾向が見られました。特に、セドナのように大きな近日点距離を持つ天体や、黄道面に対して垂直な軌道を持つ天体の存在を説明することができました。

シミュレーションの結果、プラネット・ナインの質量は地球の10倍程度、軌道長半径は約700au、軌道離心率は約0.6、軌道傾斜角は黄道面に対して約30°である場合に、観測される天体の軌道の分布を最もよく説明できることが分かりました。

力学：太陽系外縁天体の軌道に与える影響

プラネット・ナインは、遠方太陽系外縁天体の軌道に、複雑な力学的影響を与えるとされています。この影響は、長期間にわたって天体の軌道にトルクを与えたり、平均運動共鳴を引き起こしたりすることで現れます。また、プラネット・ナインは、外縁天体の軌道面を変化させ、それらが特定の方向に集まるようにする働きも持つと考えられます。

大きな軌道長半径を持った垂直軌道にある天体

プラネット・ナインは、太陽系の黄道面に対してほぼ垂直な軌道を持つ天体を、形成する可能性も指摘されています。いくつかの観測で、軌道傾斜角が非常に大きい太陽系外縁天体が発見されており、これらの天体の軌道は、プラネット・ナインとの永年共鳴によって形成された可能性があります。

高軌道傾斜角天体の軌道

軌道長半径が100au未満で、軌道傾斜角が大きい太陽系外縁天体は、プラネット・ナインと他の巨大惑星の両方の影響を受けていると考えられます。これらの天体は、プラネット・ナインとの相互作用によって高傾斜角の軌道になった後、巨大惑星との遭遇によって軌道長半径を小さくしている可能性があります。

オールトの雲と彗星

プラネット・ナインは、彗星の源となる領域やその軌道傾斜角の分布にも影響を与える可能性があります。プラネット・ナインの重力は、オールトの雲に移行する微惑星の数を減らし、代わりにプラネット・ナイン雲と呼ばれる、力学的に支配された天体群を形成すると考えられています。この雲にある天体が、太陽系内部に進入することで、ハレー彗星型の彗星の起源となる可能性もあります。

太陽の自転軸傾斜

太陽の自転軸は、惑星の軌道面に対して約6°傾いていますが、この傾きはプラネット・ナインの重力的な影響によって説明できる可能性があります。プラネット・ナインは、惑星の軌道面にトルクを与えることで、太陽の自転軸を歳差運動させ、現在の傾きを作り出した可能性があるとされています。

仮説への反応

プラネット・ナインの仮説は、多くの天文学者や科学者に支持されています。しかし、懐疑的な意見も存在し、さらなる観測データが必要だと主張されています。バティギン自身も「プラネット・ナインがカメラに捉えられるまでは、これは実在するものとはみなされない」と述べています。

対立仮説

プラネット・ナインのような天体を想定しなくても、遠方太陽系外縁天体の軌道の特徴を説明できるとする対立仮説も存在します。

一時的あるいは偶然の偏り: 遠方太陽系外縁天体の軌道の偏りは、発見されている天体数が少ないことと、観測バイアスによる見かけ上のものに過ぎないとする説です。
重い円盤中での傾斜角不安定: 遠方の重い円盤の中での傾斜角不安定によって、天体の近日点引数の偏りが生じるとする説です。
重い円盤による羊飼い効果: やや大きな軌道離心率を持った太陽系外縁天体の重い円盤が、近日点黄経の偏りを引き起こしたとする説です。
低軌道離心率の惑星: プラネット・ナインよりも軌道離心率と傾斜角が低い未知の天体が存在し、遠方の太陽系外縁天体の軌道に影響を与えているとする説です。
古在メカニズムによる整列: 古在メカニズムによって、太陽系外縁天体の軌道が整列したとする説です。

これらの対立仮説も、観測データとの比較によって、その妥当性が検証されています。

検出の試み

プラネット・ナインは、太陽から非常に遠い位置にあるため、反射光が非常に弱く、検出が困難です。しかし、熱放射やその他の手法を用いて、その検出が試みられています。

既存データの捜索

過去の観測データ（カタリナ・スカイサーベイ、パンスターズ、WISEなど）を用いて、プラネット・ナインの捜索が行われています。これらのデータに、プラネット・ナインが写っていないか、丁寧に分析が行われています。

進行中の観測

すばる望遠鏡などの大型望遠鏡を用いた、プラネット・ナインの本格的な観測が行われています。すばる望遠鏡は、暗い天体を観測するのに十分な口径と、捜索範囲を短縮する広い視野の両方を備えています。

熱放射

プラネット・ナインは、微かながら熱放射をしていると考えられています。この熱放射を、ALMAなどのサブミリ波望遠鏡で検出する試みも行われています。

市民科学

市民科学プロジェクト「バックヤード・ワールド」では、過去のWISEの観測データを用いて、プラネット・ナインの捜索が行われています。このプロジェクトでは、一般の人々が、天体のアニメーションの中から移動天体を見つけることで、プラネット・ナインを発見する可能性があります。

位置を予測する試み

カッシーニ探査機による土星軌道の測定データや、冥王星の軌道解析、ほぼ放物線軌道にある彗星の軌道の解析などを通して、プラネット・ナインの位置を予測する試みも行われています。これらの研究は、プラネット・ナインの存在範囲を狭めるのに役立っています。

また、太陽系外縁天体の軌道長半径と公転周期の比率を解析することで、プラネット・ナインの軌道長半径を推定する試みもされています。

まとめ

プラネット・ナインは、太陽系の外縁に存在する可能性が高い、未知の惑星です。その存在は、遠方の太陽系外縁天体の軌道に見られる偏りから推測されており、多くの天文学者や科学者の注目を集めています。観測による直接的な証拠はまだ得られていませんが、理論的な研究やシミュレーション、既存の観測データの分析から、その存在の可能性は高まっています。今後の観測によって、プラネット・ナインの謎が解き明かされることが期待されます。

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