[論文レビュー] A Ninth Planet Would Produce a Distinctly Different Distant Kuiper Belt

Samantha Lawler, Cory Shankman+4 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2016

Astro and Planetary Science被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、4 GyrのN体シミュレーションを用いて、仮説上の第九惑星（200 AU以上、10地球質量）が遠方カイパーベルトにおける明確な軌道的特徴をもたらすかどうかを検証する。その結果、第九惑星が散乱および分離型冥王星外小惑星の近日点距離と軌道傾きを上昇させるが、その結果として得られる分布は、4つの巨大惑星のみが存在する場合と観測的に区別できない、という結論に至る。ただし、傾きが大きく近日点距離の高い天体を標的にした広域で深い調査が行われる場合を除く。

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.

研究の動機と目的

• 遠方の第九惑星が、近日点距離が大きなトランスネプチュニアン小惑星（TNO）の軌道分布に検出可能な特徴をもたらすかどうかを検証すること。
• 既存の観測調査が、TNOの軌道要素に基づいて、第九惑星を有する太陽系とない太陽系を区別できるかどうかを評価すること。
• 第九惑星が存在する場合における、散乱および分離型TNO集団の必要質量を、標準モデルと比較して特定すること。
• 現実的な調査特性を用いて、第九惑星の力学的影響がどの程度検出可能かを評価すること。

提案手法

• 既知の4つの巨大惑星に加え、200 AU以上、10地球質量の第九惑星を含む太陽系の4 GyrのN体シミュレーションを実施する。
• 原始的な散乱および分離型TNO集団を模倣するため、10万個のテスト粒子を惑星形成円盤に初期化する。
• 第九惑星が存在するか否かのモデルにおける、散乱および分離型TNOの軌道要素（特に近日点距離と軌道傾き）の分布を比較する。
• 実際のTNO調査4件を、正確な観測特性を再現してシミュレートし、第九惑星の力学的影響の検出可能性を検証する。
• 観測制約下での、第九惑星あり・なしのシミュレートされた外太陽系の統計的類似性を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 200 AU以上離れた位置に第九惑星が存在する場合、標準的な4惑星モデルと比較して、遠方カイパーベルトにおける軌道分布が質的に異なるものになるだろうか？
• RQ2 既知の観測制限を有する現在のTNO調査は、TNOの軌道要素に基づいて、第九惑星を有する太陽系とない太陽系を区別できるだろうか？
• RQ3 第九惑星が存在する場合、散乱および分離型TNO集団の必要質量はどの程度で、標準モデルと比べてどの程度の差になるだろうか？
• RQ4 具体的に、傾きが大きく近日点距離の高い天体を標的にするという観測戦略は、第九惑星の力学的影響を検出する上で最も効果的だろうか？

主な発見

• 第九惑星の存在により、中程度の半長径を持つTNO（50 < a < 500 AU）の近日点距離と軌道傾きが顕著に上昇し、その軌道分布が変化する。
• これらの変化が見られるにもかかわらず、現在の調査特性下では、第九惑星モデルにおけるTNOのシミュレートされた軌道分布は、4つの巨大惑星のみが存在するモデルと観測的に区別できない。
• 第九惑星が存在する場合、観測された集団と一致させるためには、散乱および分離型TNO集団の質量が標準モデルの3～10倍程度必要となる。
• 広域かつ深さのある調査によって、傾きが大きく近日点距離の高いTNOを標的にすることが、第九惑星モデルと標準的太陽系モデルを区別するためには不可欠である。
• 第九惑星の力学的影響は、シミュレーション上では物理的に存在するが、現在の観測データの感度および選択バイアスのため、検出可能でない。