[논문 리뷰] A Ninth Planet Would Produce a Distinctly Different Distant Kuiper Belt

Samantha Lawler, Cory Shankman외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 21.

Astro and Planetary Science인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 4 Gyr N-body 시뮬레이션을 사용하여, 200 AU 이상 거리에 있는 10 Earth 질량의 가상의 제9행성(제9행성)이 원거리 카이퍼 벨트에서 명백한 궤도적 특징을 유도할 수 있는지 테스트한다. 연구 결과, 제9행성이 산산이 흩어진 및 탈리플래닛된 외행성 소행성의 근행성과 기울기를 높이지만, 그로 인한 궤도 분포는 네 개의 거성만으로도 생성되는 분포와 관측적으로 구별되지 않으며, 유일하게 기울어진 고근행성 물체를 대상으로 하는 광역·심도 탐사가 이루어지지 않는 한 그러한 차이를 구분할 수 없다.

ABSTRACT

The orbital element distribution of trans-Neptunian objects (TNOs) with large pericenters has been suggested to be influenced by the presence of an undetected, large planet at 200 or more AU from the Sun. We perform 4 Gyr N-body simulations with the currently known Solar System planetary architecture, plus a 10 Earth mass planet with similar orbital parameters to those suggested by Batygin and Brown (2016) or Trujillo and Sheppard (2014), and a hundred thousand test particles in an initial planetesimal disk. We find that including a distant superearth-mass ninth planet produces a substantially different orbital distribution for the scattering and detached TNOs, raising the pericenters and inclinations of moderate semimajor axis (50 < a < 500 AU) objects. We test whether this signature is detectable via a simulator with the observational characteristics of four precisely characterized TNO surveys. We find that the qualitatively very distinct Solar System models that include a ninth planet are essentially observationally indistinguishable from an outer Solar System produced solely by the four giant planets. We also find that the mass of the Kuiper Belt's current scattering and detached populations is required be 3-10 times larger in the presence of an additional planet. Wide-field, deep surveys targeting inclined high-pericenter objects will be required to distinguish between these different scenarios.

연구 동기 및 목표

• 원거리에 위치한 제9행성이 궤도가 큰 외행성 소행성(TNO)의 궤도 분포에 감지 가능한 특징을 유도할 수 있는지 테스트하기.
• 현재의 관측 설계로 인해 TNO 궤도 요소를 바탕으로 제9행성이 존재하는지 여부를 식별할 수 있는지 평가하기.
• 제9행성이 존재할 경우 산산이 흩어진 및 탈리플래닛된 TNO 집단의 질량이 표준 모델 대비 얼마나 증가해야 하는지 결정하기.
• 현실적인 탐사 특성을 고려하여 제9행성의 천체역학적 영향이 어떻게 탐지 가능한지 평가하기.

제안 방법

• 기존의 네 개의 거성에 더해 200 AU 이상 거리에 10 Earth 질량의 제9행성을 포함한 태양계의 4 Gyr N-body 시뮬레이션 수행.
• 기원 시 산산이 흩어진 및 탈리플래닛된 TNO 집단을 시뮬레이션하기 위해 100,000개의 시험 입자로 구성된 원반 초기화.
• 제9행성이 있는 모델과 없는 모델에서 산산이 흩어진 및 탈리플래닛된 TNO의 궤도 요소 분포—특히 근행성과 기울기—를 비교.
• 실제 TNO 탐사 네 편을 정밀한 관측 특성으로 시뮬레이션하여 제9행성의 천체역학적 영향 탐지 가능성 테스트.
• 관측 제약 조건 하에서 제9행성이 존재하는지 여부에 따라 시뮬레이션된 외행성 태양계의 통계적 유사성 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 200 AU 이상 거리에 제9행성이 존재할 경우, 표준 네 거성 모델과 비교해 원거리 카이퍼 벨트의 궤도 분포가 정성적으로 다를까?
• RQ2 기존의 관측 제약 조건이 있는 TNO 탐사로는 제9행성이 존재하는지 여부를 TNO 궤도 요소를 바탕으로 식별할 수 있을까?
• RQ3 제9행성이 존재할 경우 산산이 흩어진 및 탈리플래닛된 TNO 집단의 질량은 얼마나 커져야 하는가? 이는 표준 모델과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 특히 기울어진 고근행성 물체를 대상으로 하는 관측 전략 중에서 제9행성의 천체역학적 영향을 탐지하는 데 가장 효과적인 것은 무엇인가?

주요 결과

• 제9행성의 존재는 중간 궤도장반(TNO)의 근행성과 기울기를 크게 높여, 궤도 분포를 변화시킨다(50 < a < 500 AU).
• 이러한 변화가 있음에도 불구하고, 현재의 탐사 특성 하에서는 제9행성이 존재하는 모델의 TNO 궤도 분포는 네 거성만으로 생성된 분포와 관측적으로 구별되지 않는다.
• 제9행성이 존재할 경우 산산이 흩어진 및 탈리플래닛된 TNO 집단의 질량은 관측된 집단과 일치시키기 위해 표준 모델 대비 3~10배 더 커져야 한다.
• 광역·심도 탐사가 기울어진 고근행성 TNO를 대상으로 하지 않는 한, 제9행성 모델과 표준 태양계 모델을 구별할 수 없다.
• 제9행성의 천체역학적 영향은 시뮬레이션에서는 물리적으로 존재하지만, 현재의 관측 데이터에서는 탐지 불가능하다. 이는 탐사 민감도와 선택 효과 때문이기 때문이다.