Effekter av planet nio på trans-neptuniska objekt
Den hypotetiska Planet Nine skulle modifiera banorna för extrema trans-neptuniska objekt via en kombination av effekter. På mycket långa tidsskalor orsakar utbyten av rörelsemängd med planet nio perihelia av anti-inriktade objekt att stiga tills deras precession vänder om riktningen, bibehåller deras anti-inriktning, och senare faller, och återför dem till sina ursprungliga banor. På kortare tidsskalor ger medelrörelseresonanser med Planet Nine fasskydd, vilket stabiliserar deras banor genom att något ändra objektens halvstora axlar, hålla deras banor synkroniserade med Planet Nine och förhindra närmande. Lutningen av Planet Nines bana försvagar detta skydd, vilket resulterar i en kaotisk variation av halvstora axlar när objekt hoppar mellan resonanser. Objektens omloppspoler cirkulerar den för solsystemets Laplace-plan , som vid stora halvstora axlar är förvriden mot planet för planet nios omloppsbana, vilket gör att deras poler samlas mot ena sidan.
Apsidal antiinriktning
Anti-inriktningen och höjningen av perihelia av extrema trans-neptuniska objekt med halvstora axlar större än 250 AU produceras av de sekulära effekterna av Planet Nine. Sekulära effekter verkar på tidsskalor som är mycket längre än omloppsperioder, så störningarna som två objekt utövar på varandra är genomsnittet mellan alla möjliga konfigurationer. Effektivt blir interaktionerna som de mellan två trådar av varierande tjocklek, tjockare där föremålen spenderar mer tid, som utövar vridmoment på varandra, vilket orsakar utbyte av vinkelmoment men inte energi. Således kan sekulära effekter förändra banornas excentriciteter, lutningar och orienteringar men inte de halvstora axlarna.
Utbyten av vinkelmomentum med Planet Nine gör att perihelia av de anti-inriktade objekten stiger och faller medan deras longituder av perihelion librar , eller svänger inom ett begränsat värdeintervall. När vinkeln mellan ett antiinriktat objekts perihelion och Planet Nine (delta longitud för perihelion på diagrammet) klättrar över 180° utövar Planet Nine ett positivt medelvridmoment på objektets bana. Detta vridmoment ökar objektets rörelsemängd från planet nio, vilket gör att excentriciteten i dess omloppsbana minskar (se blå kurvor på diagrammet) och dess perihelion att stiga bort från Neptunus omloppsbana. Objektets precession saktar sedan ner och vänder så småningom när dess excentricitet minskar. Efter att deltalongituden för perihelionen sjunker under 180° börjar objektet känna ett negativt medelvridmoment och förlorar vinkelmomentum till planet nio vilket gör att dess excentricitet växer och perihelionen faller. När objektets excentricitet återigen är stor, precesserar den framåt och återställer objektet till sin ursprungliga bana efter flera hundra miljoner år.
Beteendet hos andra objekts banor varierar med deras initiala banor. Stabila banor finns för inriktade objekt med små excentriciteter. Även om objekt i dessa banor har höga perihelia och ännu inte har observerats, kan de ha fångats samtidigt som planet nio på grund av störningar från en passerande stjärna. Justerade objekt med lägre periheli är endast tillfälligt stabila, deras banor precesserar tills delar av banorna tangerar planet nio, vilket leder till täta nära möten. Efter att ha korsat denna region minskar perihelia av deras banor, vilket får dem att möta de andra planeterna, vilket leder till att de kastas ut.
Kurvorna som banorna följer varierar med objektets halvstora axel och om objektet är i resonans. Vid mindre halvstora axlar krymper de inriktade och antiinriktade områdena och försvinner så småningom under 150 AU, vilket lämnar typiska Kuiperbältsobjekt opåverkade av Planet Nine. Vid större semi-major axlar blir regionen med inriktade banor smalare och regionen med antiinriktade banor blir bredare. Dessa regioner skiftar också till lägre perihelia, där perihelia på 40 AU blir stabila för anti-inriktade objekt vid semi-major axlar större än 1000 AU. Anti-inriktningen av resonansobjekt, till exempel om Sedna är i en 3:2-resonans med Planet Nine som föreslagits av Malhotra, Volk och Wang, upprätthålls av en liknande utveckling inuti medelrörelseresonanserna. Objektets beteende är mer komplext om Planet Nine och eTNO:erna är i lutande banor. Objekt genomgår sedan en kaotisk utveckling av sina banor, men tillbringar mycket av sin tid i de orienterade eller anti-inriktade omloppsområdena med relativ stabilitet associerade med sekulära resonanser .
Evolution och långsiktig stabilitet av anti-inriktade banor
Den långsiktiga stabiliteten för anti-inriktade extrema trans-neptuniska objekt med banor som skär planet nio beror på att de fångas i medelrörelseresonanser. Objekt i medelrörelseresonanser med en massiv planet är fasskyddade, vilket hindrar dem från att närma sig planeten. När ett resonansobjekts omloppsbana glider ur fas , vilket gör att det närmar sig en massiv planet, ändrar planetens gravitation dess omloppsbana och ändrar dess halvstora axel i den riktning som vänder driften. Denna process upprepas när driften fortsätter i den andra riktningen, vilket gör att omloppsbanan ser ut att vagga fram och tillbaka, eller frigörs, kring ett stabilt centrum när den ses i en roterande referensram. I exemplet till höger, när en plutinos omloppsbana driver bakåt, tappar den rörelsemängd när den närmar sig närmare Neptunus, vilket gör att dess halvstora axel och period krymper, vilket vänder avdriften.
I en förenklad modell där alla objekt kretsar i samma plan och de jättelika planeterna representeras av ringar, kan objekt som fångats i starka resonanser med planet nio stanna kvar i dem under hela solsystemets livstid. Vid stora halvstora axlar, bortom en 3:1-resonans med Planet Nine, skulle de flesta av dessa objekt befinna sig i anti-inriktade banor. Vid mindre halvstora axlar kan longituderna av perihelia för ett ökande antal objekt cirkulera och passera genom alla värden som sträcker sig från 0° till 360°, utan att kastas ut, vilket minskar andelen objekt som är antiinriktade. 2015 GT 50 kan vara i någon av dessa cirkulerande banor.
Om denna modell modifieras med Planet Nine och eTNO:erna i lutande omloppsbanor växlar objekten mellan långa perioder i stabila resonanser och perioder av kaotisk diffusion av deras semi-major axlar. Avståndet för de närmaste inflygningarna varierar med banornas lutning och orientering, vilket i vissa fall försvagar fasskyddet och tillåter nära möten. De nära mötena kan sedan ändra eTNO:s omloppsbana, vilket ger stokastiska hopp i dess halvstora axel när den hoppar mellan resonanser, inklusive resonanser av högre ordning. Detta resulterar i en kaotisk spridning av ett objekts halvstora axel tills det fångas i en ny stabil resonans och de sekulära effekterna av Planet Nine flyttar dess omloppsbana till en mer stabil region. Den kaotiska diffusionen minskar intervallet av longituder av perihelion som antiinriktade objekt kan nå medan de förblir i stabila banor.
Neptunus gravitation kan också driva en kaotisk spridning av halvstora axlar när alla objekt är i samma plan. Avlägsna möten med Neptunus kan förändra banorna för eTNO:erna, vilket gör att deras halvstora axlar varierar avsevärt på miljonåriga tidsskalor. Dessa störningar kan göra att de halvstora axlarna hos de antiinriktade objekten diffunderar kaotiskt medan de ibland håller sig i resonanser med Planet Nine. Vid semi-major axlar större än Planet Nines, där objekten spenderar mer tid, kan antiinriktning bero på de sekulära effekterna utanför medelrörelseresonanser.
Fasskyddet för Planet Nines resonanser stabiliserar banorna för objekt som interagerar med Neptunus via dess resonanser, till exempel 2013 FT 28 , eller genom nära möten för objekt med låg perihel som 2007 TG 422 och 2013 RF 98 . Istället för att kastas ut efter en serie möten kan dessa objekt hoppa mellan resonanser med Planet Nine och utvecklas till banor som inte längre interagerar med Neptunus. En förskjutning i positionen för planet nio i simuleringar från den plats som gynnas av en analys av Cassini-data till en position nära aphelion har visat sig öka stabiliteten hos några av de observerade objekten, möjligen på grund av att faserna i deras banor förskjuts till en stabil räckvidd.
Klustring av orbitala poler (nodal inriktning)
Klustringen av omloppspolerna, som producerar en uppenbar klustring av longituden för de stigande noderna och argumenten för perihelion av de extrema TNO:erna, är resultatet av en förvrängning av Laplace-planet i solsystemet mot planet nios bana. Laplace-planet definierar mitten runt vilket polen för ett objekts bana precesserar med tiden. Vid större halvstora axlar gör planet nio vinkelmomentet att Laplaceplanet förvrids mot dess bana. Som ett resultat, när polerna i eTNO-banan precesserar runt Laplace-planets pol, tenderar de att stanna kvar på ena sidan av den ekliptiska polen. För objekt med liten lutning i förhållande till planet nio, som visade sig vara mer stabila i simuleringar, producerar denna off-center precession en frigöring av longituderna av stigande noder i förhållande till ekliptikan, vilket gör att de verkar klustrade. I simuleringar bryts precessionen i korta bågar av möten med planet nio och polernas positioner är samlade i ett elliptiskt område utanför centrum. I kombination med anti-inriktningen av perihelions longituder kan detta också producera klustring av argumenten för perihelion. Nodkorsningar kan också undvikas för ökad stabilitet.
Objekt i vinkelräta banor med stor halvstor axel
Planet nio kan leverera extrema trans-neptuniska objekt till banor som är ungefär vinkelräta mot solsystemets plan. Flera föremål med höga lutningar, större än 50°, och stora halvstora axlar, över 250 AU, har observerats. Deras banor med hög lutning kan genereras av en sekulär resonans av hög ordning med planet nio som involverar en linjär kombination av omloppsbanans argument och longituder för perihelion: Δϖ - 2ω. eTNO:er med låg lutning kan komma in i denna resonans efter att ha nått banor med låg excentricitet. Resonansen gör att deras excentriciteter och lutningar ökar, vilket ger dem i vinkelräta banor med låg perihel där de lättare kan observeras. Banorna utvecklas sedan till retrograda banor med lägre excentriciteter, varefter de passerar genom en andra fas av vinkelräta banor med hög excentricitet innan de återgår till banor med låg excentricitet och låg lutning. Till skillnad från Kozai-mekanismen får denna resonans objekt att nå sin maximala excentricitet när de befinner sig i nästan vinkelräta banor. I simuleringar utförda av Batygin och Brown var denna utveckling relativt vanlig, med 38 % av stabila objekt som genomgick den minst en gång. Saillenfest et al. observerade också detta beteende i sin studie av den sekulära dynamiken hos eTNO:er och noterade att det fick perihelia att falla under 30 AU för objekt med semi-major axlar större än 300 AU, och med Planet Nine i en lutande bana kunde det inträffa för objekt med halvstora axlar så små som 150 AU. I simuleringar är argumenten för perihelion av objekten med ungefär vinkelräta banor och som når låga perihelier samlade nära eller mitt emot Planet Nine's och deras longituder av stigande nod är klustrade runt 90° i endera riktningen från Planet Nine's. Detta är ungefär i överensstämmelse med observationer med skillnaderna som tillskrivs avlägsna möten med de kända jätteplaneterna. Nio höglutande objekt med halvstora axlar större än 250 AU och perihelia bortom Jupiters bana är för närvarande kända:
| Objekt | Bana | Kropp | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Perihelion (AU) Figur 9 |
Semimaj. (AU) Figur 9 |
Aktuellt avstånd från Sun (AU) |
inc (°) |
Eccen. |
Arg. peri ω (°) |
Mag. |
Diam. (km) |
|
| 2010 NV 1 | 9.4 | 323 | 14 | 141 | 0,97 | 133 | 22 | 20–45 |
| 2009 MS 9 | 11.1 | 348 | 12 | 68 | 0,97 | 129 | 21 | 30–60 |
| 2014 LM 28 | 16.8 | 268 | 17 | 85 | 0,94 | 38 | 22 | 46 |
| 2010 BK 118 | 6.3 | 484 | 11 | 144 | 0,99 | 179 | 21 | 20–50 |
| 2013 BL 76 | 8.5 | 1 213 | 11 | 99 | 0,99 | 166 | 21.6 | 15–40 |
| 2012 DR 30 | 14 | 1,404 | 17 | 78 | 0,99 | 195 | 19.6 | 185 |
| 2015 BP 519 | 35,3 | 449 | 53 | 54 | 0,92 | 348 | 21.5 | 550 |
| 2015 RM 306 | 11.5 | 255 | 12 | 176 | 0,96 | 44 | 23 | 15–35 |
| 2020 YR 3 | 16.5 | 536 | 18 | 169 | 0,97 | 155 | 22 | 35–80 |
Dynamiskt sammanhängande kroppar och störda binärer
Närvaron av en eller flera massiva störare som kretsar runt solen långt bortom Pluto kan leda till uppkomsten av dynamiskt koherenta mindre kroppar, dvs de med liknande banor inom en population av annars okorrelerade objekt, via binär dissociation. Faktum är att dynamiskt korrelerade mindre kroppar verkar vara allestädes närvarande bland dem i det yttre solsystemet. Ett välkänt exempel är i kollisionsfamiljen Haumea . Ett annat, om än mindre studerat fall är det med Chiangs kollisionsfamilj. Minst ett par extrema trans-neptuniska objekt, det som är gjort av (474640) 2004 VN 112 och 2013 RF 98 , uppvisar både liknande dynamik och fysikaliska egenskaper. Om det inte finns några massiva planeter bortom Pluto måste ETNO:s banor randomiseras och de statistiska fördelningarna av några av deras vinkelelement bör vara kompatibla med en enhetlig fördelning. Detta har intressanta konsekvenser för vad det bör och inte bör observeras när man utforskar relationerna mellan ETNO:s banor. Det finns nu gynnsamma bevis för de statistiskt signifikanta avvikelserna i fördelningen av ömsesidiga nodalavstånd för denna population. Sådana asymmetrier förväntas om massiva störningar (en eller flera) är närvarande.
Oort moln och kometer
Numeriska simuleringar av migrationen av jätteplaneterna visar att antalet objekt som fångas i Oorts moln minskar om planet nio var i sin förutspådda omloppsbana vid den tiden. Denna minskning av objekt som fångats i Oorts moln inträffade också i simuleringar med jätteplaneterna på deras nuvarande banor.
Lutningsfördelningen för kometer från Jupiterfamiljen (eller ekliptikan) skulle bli bredare under påverkan av planet nio. Kometer från Jupiterfamiljen härstammar främst från spridningsobjekten, trans-neptuniska objekt med halvstora axlar som varierar över tiden på grund av avlägsna möten med Neptunus. I en modell som inkluderar Planet Nine interagerar de spridande objekten som når stora halvstora axlar dynamiskt med Planet Nine, vilket ökar deras lutningar. Som ett resultat lämnas populationen av de spridande objekten, och populationen av kometer som härrör från den, med en bredare lutningsfördelning. Denna lutningsfördelning är bredare än vad som observeras, till skillnad från en Nice-modell med fem planeter utan en Planet Nine som nära kan matcha den observerade lutningsfördelningen.
I en modell som inkluderar Planet Nine härrör en del av populationen av Halley-typ kometer från molnet av objekt som Planet Nine kontrollerar dynamiskt. Detta Planet Nine moln består av objekt med halvstora axlar centrerade på planeten Nine som har fått sin perihelia upphöjd av gravitationsinflytandet från Planet Nine. De fortsatta dynamiska effekterna av Planet Nio driver svängningar av perihelia av dessa objekt, och levererar några av dem till planetkorsande omloppsbanor. Möten med de andra planeterna kan sedan förändra deras banor och placera dem i banor med låg perihelion där de observeras som kometer. Det första steget i denna process är långsamt och kräver mer än 100 miljoner år, jämfört med kometer från Oorts moln, som kan släppas ner i banor med låg perihelion under en period. Molnet Planet Nine bidrar med ungefär en tredjedel av den totala populationen av kometer, vilket liknar den utan Planet Nine på grund av ett minskat antal Oorts molnkometer.