Planet 9 kan skriva om solsystemets historia

I Forskning & Framsteg 9/2017 berättade jag om jakten på Planet 9, en hypotetisk planet med en massa motsvarande omkring tio jordklot som går i en bana mycket längre från solen än de åtta kända planeterna i vårt solsystem.

När jag nu studerar frågan närmare börjar det stå klart vilken omvälvande upptäckt det skulle vara om astronomerna en dag hittar Planet 9. Vi skulle behöva revidera vår bild av solsystemet.

Solen bildades troligen – liksom de flesta stjärnor – i en stjärnhop, som under de första årmiljonerna var inbäddad i, och hölls ihop av, ett moln av gas och stoft. Som vi ska få se kan existensen av Planet 9 ändra vår bild av solens födelsehop, som kanske var mycket mer långlivad än de flesta astronomer har trott. Det är till och med möjligt att Planet 9 först bildades kring en annan stjärna än vår sol och alltså är en exoplanet som fångats in av solen.

Men låt oss ta det från början.

Bland de mest avlägsna himlakroppar som har observerats i vårt solsystem finns en grupp som kallas sednoider. Namnet kommer från småplaneten Sedna, som upptäcktes 2004. Sednoidernas banor linjerar upp sig i rymden på ett sätt som tycks kräva att en massiv himlakropp håller dem på plats likt en vakthund. Det är denna massiva himlakropp som astronomer söker efter under namnet Planet 9.

Den centrala frågan är hur en så stor planet kan finnas i en så utsträckt bana och på ett så stort avstånd från solen. Det har framförts idéer om att planeten skulle ha bildats i stort sett på plats i sin nuvarande bana, men det tycks inte rimligt utifrån rådande modeller för planetbildning. Om den i stället har bildats närmare solen måste den på något sätt ha kopplats loss från den inre delen av solsystemet. Hur kan det ha gått till?

Modellerna för planetbildning tillåter knappast heller att sednoiderna har bildats i sådana banor som de har nu, så det krävs att det har funnits en transportmekanism som förflyttade dem dit där de nu finns. Kanske skulle samma mekanism då även förklara Planet 9.

En sådan förklaring finns. På kort tid, medan solen fortfarande fanns nära sina grannstjärnor i födelsehopen, hann jätteplaneterna Jupiter och Saturnus bildas och med sin gravitation slänga undan allt småkrafs från sin omgivning – däribland sednoiderna. Det kan hända att Planet 9 av en olyckshändelse hamnade bland det nämnda småkrafset. Stjärnhopen såg sedan till att med sin gravitation koppla loss både sednoiderna och Planet 9 från den inre delen av planetsystemet, när deras banor hade spritts tillräckligt långt ut från solen.

Men – tyvärr – detta kan inte fungera för Planet 9.

Detta förstod jag när jag studerade ett arbete av solsystemsforskaren Ramon Brasser med kolleger. De visade att varje sådan utkastad himlakropp löper en risk (eller chans!) på endast 1/2000 att bli losskopplad av stjärnhopen och därmed hamna i en bana av sednoidernas typ, och annars försvinner de mestadels ut ur solsystemet.

Om det här vore förklaringen måste det alltså ha funnits väldigt många planeter från början för att en av dem skulle bli kvar. Den här insikten var närmast chockartad för mig, och gjorde mig på nytt intresserad av ursprunget för Planet 9. Tanken att det fanns många hundra sådana planeter och inte bara en är alltför absurd för att beaktas.

För att hitta en annan förklaring vänder jag mig till senare epoker i solsystemets historia. Den så kallade Nice-modellen beskriver solsystemets utveckling fram tills att jätteplaneterna (Jupiter, Saturnus, Uranus och Neptunus – se grafik) intog sina nuvarande banor. I centrum står en period av kaos, när jättarna kom nära varandra och slängde varandra in i nya banor på ett sätt som kan påminna om amerikansk fribrottning.

I samband med detta migrerade de yttersta jättarna – framför allt Neptunus – ut genom ett vidsträckt hav av småkroppar, där många var ungefär av samma storlek som sednoiderna. Under sin färd spred Neptunus ut dessa mestadels ganska små himlakroppar, men bland dem kanske även Planet 9. Fram till nyligen har man trott att detta skedde en halv miljard år efter solsystemets tillkomst, men nu pekar det mesta mot en tid endast något tiotal miljoner år efter att solsystemet blev till.

Det är mycket möjligt att solen vid denna tid var kvar som medlem i den stjärnhop där den föddes. I detta händelseförlopp kan man rimligen förmoda att en eller annan hopstjärna vid en närpassage intill solen kan ha flyttat Planet 9 från en bana där den hade koppling till Neptunus och placerat den i en ny bana av sednoidernas typ, där den fortfarande befinner sig.

Skillnaden mot det första scenariot är att Neptunus är mycket lättare än Jupiter och Saturnus, och befinner sig längre från solen, och därför stör banorna för objekt som Planet 9 mycket långsammare. Därför blir tidsskalan mycket längre och chanserna till losskoppling större.

Om det var så det gick till har vi lärt oss en viktig sak om solsystemets historia, nämligen att solen föddes i en ganska stor stjärnhop och levde där uppskattningsvis i hundra miljoner år eller mer. Detta strider mot en allmän uppfattning bland mina kolleger, som ofta hävdar att solens födelsehop var extremt kortlivad.

Men hur rimlig vår förmodan är vet vi inte – det återstår att utreda.

En annan intressant möjlig förklaring till ursprunget för Planet 9 framfördes 2016 av lundaastronomerna Alexander Mustill och Melvyn Davies tillsammans med Sean Raymond, verksam I Bordeaux. Deras idé bygger på ett numera välbekant faktum: planeters banor kring andra stjärnor ser i allmänhet inte ut som de i vårt solsystem.

Studier av exoplaneter (planeter utanför solsystemet) visar att deras banor är till övervägande del mer elliptiska med betydligt större spann mellan minsta och största avstånd från moderstjärnan. Något avgörande måste ha hänt med de ursprungligen nästan cirkelrunda banorna. Man får intrycket av havererade planetsystem. Den nämnda Nice-modellen förklarar vårt planetsystems egenskaper, men studerar man den närmare så finner man att bygget av vårt solsystem var riskabelt. Mycket kunde ha gått fel på vägen, så att vårt stabila, regelbundna planetsystem i stället hade havererat.

Gänget kring Alexander Mustill antog att solen föddes i en långlivad stjärnhop ungefär som den jag har nämnt. Det bör där ha funnits gott om havererade planetsystem med planeter i avlånga banor, som förde dem till stora avstånd från moderstjärnorna. När solen passerade nära en sådan stjärna, kunde den främmande planeten fångas in i en liknande, avlång bana kring vår sol. Med deras ord skulle Planet 9 kunna vara en exoplanet i vårt solsystem.

Om det är på det viset kvarstår slutsatsen att solen föddes i en långlivad stjärnhop. Detta vore alltså en tämligen säker slutsats att dra den dag Planet 9 eventuellt blir upptäckt. Det säger oss att stabila och reguljära planetsystem som vårt faktiskt kan bildas kring stjärnor med ursprung i sådana hopar, vilket nog kan överraska en del exoplanetforskare. Det skulle också betyda att det vidsträckta kometmoln som omger vårt solsystem ut till ett avstånd på upp mot ett ljusår, Oorts moln som det heter, bildades i en stjärnhop. Det går också tvärt emot rådande uppfattning.