Plüton’un yörüngesi şaşırtıcı derecede kararsız

1930’da gökbilimci Clyde Tombaugh, Arizona Flagstaff’taki Lowell Gözlemevinde çalışırken efsanevi “Dokuzuncu Gezegen”i (veya “Gezegen X”) keşfetti. Bu cismin varlığı daha önce Uranüs ve Neptün’ün yörüngesindeki bozulmalara dayanarak tahmin edilmişti. Dünyanın dört bir yanından 1000’den fazla öneri ve Gözlemevi personeli arasında bir tartışma aldıktan sonra, bu yeni keşfedilen nesneye Oxford’dan (Venetia Burney) genç bir kız öğrenci tarafından önerilen Pluto adı verildi.

O zamandan beri, Plüton hatırı sayılır bir çalışmanın, bir isim tartışmasının konusu oldu ve ilk kez 14 Temmuz 2015’te Yeni Ufuklar misyonu tarafından ziyaret edildi. Başından beri açık olan bir şey, Plüton’un son derece eksantrik ve eğimli olan yörüngesinin doğasıdır. Yeni araştırmaya göre, Plüton’un yörüngesi daha uzun zaman ölçeklerinde nispeten kararlıdır, ancak kaotik karışıklığa ve daha kısa zaman ölçeklerinde değişikliklere tabidir.

Araştırma, Arizona Üniversitesi Ay ve Gezegen Laboratuvarı’nda (LPL) Louise Foucar Marshall Bilim Araştırma Profesörü Dr. Renu Malhotra; ve Chiba Institute of Technology’nin Gezegensel Keşif Araştırma Merkezi’nde (PERC) ve Japonya Ulusal Astronomik Gözlemevi’nde (NAOJ) Hesaplamalı Astrofizik Merkezi’nde doçent olan Takashi Ito. Bulgularını açıklayan makale, yakın zamanda dergide yayınlandı. Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı.

Onu parçalamak için, Plüton’un yörüngesi, ekvatoruna yakın Güneş’in etrafında neredeyse dairesel yörüngeleri takip eden ve dışa doğru yansıtılan (diğer adıyla ekliptik) gezegenlerin yörüngesinden kökten farklıdır. Buna karşılık, Plüton’un Güneş etrafındaki tek bir yörüngeyi tamamlaması ve Güneş Sistemi’nin ekliptik düzlemine 17° eğimli oldukça eliptik bir yörüngeyi takip etmesi 248 yıl sürer. Yörüngesinin eksantrik doğası aynı zamanda Plüton’un her periyodda Güneş’e Neptün’den daha yakın yörüngede 20 yıl geçirdiği anlamına gelir.

Plüton’un yörüngesinin doğası, kalıcı bir gizem ve astronomların keşfedildikten çok kısa bir süre sonra farkına vardıkları bir şey. O zamandan beri, yörüngesinin geçmişini ve geleceğini simüle etmek için çok sayıda çaba sarf edildi ve bu da Plüton’u Neptün ile çarpışmaktan koruyan şaşırtıcı bir özelliği ortaya çıkardı. Dr. Malhotra’nın Universe Today’e e-posta yoluyla söylediği gibi, bu “ortalama hareket rezonansı” olarak bilinen yörüngesel rezonans durumudur:

“Bu koşul, Plüton’un Neptün ile aynı güneş merkezli uzaklıkta olduğu zaman, boylamının Neptün’den yaklaşık 90 derece uzakta olmasını sağlar. Daha sonra Plüton’un yörüngesinin bir başka tuhaf özelliği keşfedildi: Plüton, düzlemin çok üzerinde bir yerde günberi noktasına geliyor. Bu, ‘vZLK salınımı’ olarak bilinen farklı bir yörünge rezonansı türüdür.”

Bu kısaltma, bu fenomeni “üç cisim probleminin” bir parçası olarak inceleyen von Zeipel, Lidov ve Kozai’ye atıfta bulunur. Bu problem, üç büyük nesnenin (çünkü parçacıkları içerecek şekilde genişletilmiştir) başlangıç ​​konumlarını ve hızlarını almaktan ve sonraki hareketlerini Newton’un Üç Hareket Yasasına ve onun Evrensel Yerçekimi Teorisine göre çözmekten ibarettir – bunun için genel bir çözüm yoktur. Dr. Malhotra’nın eklediği gibi:

1980’lerin sonlarında, daha güçlü bilgisayarların mevcudiyeti ile sayısal simülasyonlar, Plüton’un yörüngesinin teknik olarak kaotik olduğu, yani başlangıç ​​koşullarındaki küçük sapmaların yörünge çözümlerinin on milyonlarca üzerinde üssel sapmaya yol açtığı üçüncü bir tuhaf özelliği ortaya çıkardı. Ancak bu kaos sınırlıdır. Sayısal simülasyonlarda, Plüton’un yörüngesinin yukarıda bahsedilen iki özel özelliğinin gigayıllık zaman dilimlerinde devam ettiği ve kaos göstergelerine rağmen yörüngesini oldukça istikrarlı hale getirdiği bulunmuştur.”

Çalışmaları için Malhotra ve Ito, Plüton’un Güneş Sistemi’nin geleceğine beş milyar yıla kadar olan yörüngesinin sayısal simülasyonlarını gerçekleştirdi.

Özellikle, Plüton’un ve diğer Plüton büyüklüğündeki nesnelerin (aka. Plutinos) tuhaf yörüngeleri hakkında çözülmemiş soruları ele almayı umuyorlardı. Bu sorular, “gezegen göçü teorisi” gibi son birkaç on yılda yürütülen araştırmalarla ele alındı, ancak yalnızca bir noktaya kadar. Özellikle, Plüton’un ve diğer Plüton büyüklüğündeki nesnelerin (aka. Plutinos) tuhaf yörüngeleri hakkında çözülmemiş soruları ele almayı umuyorlardı. Son birkaç on yılda, gökbilimciler bu soruları yeni teorilerle (“gezegen göçü teorisi” gibi) ele almaya çalıştılar, ancak sınırlı bir başarı ile karşılandılar.

Bu hipotezde, Plüton, Güneş Sistemi’nin erken tarihi sırasında göç etmiş olan Neptün tarafından mevcut ortalama hareket rezonansına çekildi. Bu teorinin önemli bir öngörüsü, diğer Neptün-ötesi Nesnelerin (TNO’lar) aynı rezonans koşulunu paylaşacağıdır, o zamandan beri çok sayıda Plutinos’un keşfiyle doğrulanmıştır. Bu keşif aynı zamanda gezegen göçü teorisinin daha yaygın olarak kabul edilmesine yol açmıştır. Ama Dr. Malhotra’nın açıkladığı gibi:

“Plüton’un yörünge eğimi, vZLK salınımı ile yakından bağlantılıdır. Bu nedenle, Plüton’un vZLK salınımının koşullarını daha iyi anlayabilirsek, belki de eğiminin gizemini çözebiliriz. Diğer dev gezegenlerin bireysel rolünü araştırarak başladık. (Jüpiter, Satürn ve Uranüs) Plüton’un yörüngesinde.”

Bunu yapmak için, Dr. Malhotra ve Ito, Plüton’un sekiz farklı dev gezegen pertürbasyonu kombinasyonunu içeren 5 milyar yıla kadar yörünge evrimini simüle ettikleri bilgisayar simülasyonları yürüttüler. Bu N-gövde simülasyonları, aşağıdakilerle etkileşimleri içeriyordu:

• Neptün (—NP)
• Uranüs ve Neptün (–UNP)
• Satürn ve Neptün (-S-NP)
• Jüpiter ve Neptün (J–NP)
• Satürn, Uranüs ve Neptün (-SUNP)
• Jüpiter, Uranüs ve Neptün (J-UNP)
• Jüpiter, Satürn ve Neptün (JS-NP)
• Jüpiter, Satürn, Uranüs ve Neptün (JSUNP)

Dr. Malhotra, “Pluto’nun vZLK salınımını kurtarmak için içteki üç dev gezegenin hiçbir alt kümesini bulamadık; üçü de – Jüpiter, Satürn ve Uranüs – gerekliydi” dedi. “Ama bu gezegenler hakkında [are] Plüton’un vZLK salınımı için gerekli mi?” Dr. Malhotra ekledi. “Jüpiter, Satürn ve Uranüs’ün Plüton üzerindeki çekim kuvvetlerini temsil etmek için gereken 21 parametre var. Bu, keşfedilecek oldukça büyük bir parametre alanıdır.”

Bu hesaplamaları basitleştirmek için Dr. Malhotra ve Ito, bazı basitleştirmeler getirerek bunları tek bir parametreye indirdi. Bu, her bir gezegeni tek tip yoğunluklu dairesel bir halka, gezegeninkine eşit bir toplam kütle ve gezegenin Güneş’ten ortalama mesafesine (diğer bir deyişle yarı ana eksen) eşit bir halka yarıçapı ile temsil etmeyi içeriyordu. Dr. Malhotra’nın belirttiği gibi, bu, Jüpiter, Satürn ve Uranüs’ün (J2) etkisini temsil eden tek bir parametre verdi ve bu, bir “yuvarlak Güneş”in etkisine eşdeğerdi.

“[W]J2 parametresinde Pluto’nun vZLK salınımının mümkün olduğu dar bir aralığı tanımlayan dev gezegenlerin kütlelerinin ve yörüngelerinin tesadüfi bir düzenlemesini keşfettik, bir tür ‘Goldilock bölgesi’. gezegen göçü dönemi [the] Güneş Sistemi’nin tarihi, Trans-Neptün nesnelerinin koşulları, Plüton da dahil olmak üzere birçoğunu vZLK salınım durumuna yükseltecek şekilde değişti. Plüton’un eğiliminin bu dinamik evrim sırasında ortaya çıkmış olması muhtemeldir.”

Bu sonuçların, dış Güneş Sistemi ve yörünge dinamikleri hakkında gelecekteki çalışmalar için önemli etkileri olması muhtemeldir. Daha fazla çalışma ile Dr. Malhotra, gökbilimcilerin dev gezegenlerin göç tarihi ve sonunda mevcut yörüngelerine nasıl yerleştikleri hakkında daha fazla şey öğreneceklerine inanıyor. Ayrıca, Plüton’un yörüngesinin ve yüksek yörünge eğimli diğer cisimlerin kökenlerini açıklayacak yeni bir dinamik mekanizmanın keşfedilmesine de yol açabilir.

Bu, özellikle Güneş Sistemi dinamiği çalışmalarına adanmış gökbilimciler için faydalı olacaktır. Dr. Malhorta’nın belirttiği gibi, bu alandaki araştırmacılar, Plüton’un yörüngesel evrimine ışık tutabilecek kanıtların, aynı yörünge mekaniğinin kararsızlıkları ve kaotik doğası tarafından silinmiş olabileceğinden şüphelenmeye başlıyorlardı. Dr. Malhotra’nın özetlediği gibi:

“Çalışmamızın günümüz güneş sistemi dinamikleri ile tarihsel güneş sistemi dinamikleri arasında bağlantı kurmak için yeni bir umut uyandırdığını düşünüyorum. Güneş sistemindeki küçük gezegenlerin yörüngesel eğilimlerinin kökeni – TNO’lar dahil – çözülmemiş büyük bir sorun; belki de çalışmalarımız buna daha fazla dikkat çekecektir.

“Çalışmamızın altını çizdiği bir diğer nokta, karmaşık bir problem için basit(r) yaklaşımların değeridir: yani, 21 parametreyi tek bir parametreye sıkıştırmak, çok ilginç ama anlaşılması zor olanı etkileyen temel dinamik mekanizmalara ulaşmanın kapısını açtı. Pluto ve Plutinos’un yörünge dinamikleri.”