Hallo Zusammen,
Die Anstrengungen um den Planet Nine mit klassischer Astronomie und neuen Rechentechniken zu entdecken.Riesige Teleskope auf der Erde haben den Himmel seit Monaten gescannt.
Brown und Batygin haben den Himmel mit dem japanischen
Subaru-Teleskop auf
Mauna Kea beobachtet. Der
Minor-Planet-Jäger Chad Trujillo von der
Northern Arizona University und
Scott Sheppard von der
Carnegie Institution for Science, nutzen den Riesenspiegel des
Hyper Suprime-Cam (HSC) Observatorium (8,2 Meter) mit der 3-metrische Tonne und 870-Megapixel-Kamera. Mittlerweile graben sich andere Astronomen, sowohl Profi als auch Amateur, durch Archive von Bildern in der Hoffnung, diese Nadel in einem Heuhaufen zu finden.
Jeder von ihnen könnte Glück haben.
Aber die intelligenteste Art ist die Benutzung der Software, entweder um den Planeten zu liefern oder zu zeigen, dass es eine Illusion ist. Simulationen, die auf Supercomputern und in den Clouds laufen, modellieren Milliarden von Jahren der Himmelsmechanik, um den wahrscheinlichsten Weg von Planet Nine festzulegen. Ingenieure im
Jet Propulsion Laboratory(JPL), in Pasadena, analysierten die Telemetrie aus dem
Raumfahrzeug Cassini um nach Hinweise auf die aktuelle Position des vermeintlichen Planeten in seiner enormen Umlaufbahn zu finden. Und ehrgeizige Studenten bereiten sich auf die Bereitstellung von Maschinen-Lern-Software auf einem
Petaflop-Skala Cray XC40 Supercomputer vor. Ihre Strategie zielt darauf ab, mehrere Bilder schlau zu kombinieren, in denen
Planet Nine innerhalb des Rauschens verborgen ist, um ein Bild zu erhalten, in dem er unverkennbar bestimmt werden kann.
In ihrem Plan hatten
Trujillo und Sheppard gezeigt, dass alle 12 extremen TNOs, die bisher entdeckt wurden, Orbits haben, deren lange Achsen grob ausgerichtet sind, anstatt sich zufällig wie erwartet auszubreiten. Sie halten es für möglich, daß ein massiver äußerer
"Sonnensystem-Perturber",vielleicht ein unentdeckter Planet existieren kann. Sie haben auch einige andere mögliche Erklärungen erwogen.
Im Gegensatz zu
Brown, Trujillo und Sheppard, die sich alle auf die Beobachtung spezialisieren, hat sich der 31 jährige
Batygin einen erstklassigen Ruf in der Himmelsmechanik erworben. Nachdem die Nummern für die sechs am weitesten entfernten TNOs nach schnellen Berechnungen an der Tafel standen, erkannte
Batygin, dass der
"Perturber" ein riesiger Planet sein muss, auch auf einem sehr langgestreckten und geneigten Weg. Der wiederholte Gravitationseinfluß dieses Planeten würde die Umlaufbahnen der TNOs daran hindern, die Sonne in weit veränderte Ausrichtungen zu präzisieren.
Für ein Jahr haben er und Brown jeden anderen möglichen Mechanismus untersucht, während dessen wochenlange die Supercomputer-Simulationen des Sonnensystems mit einem neunten großen Planeten, der dem Mix hinzugefügt wurde, liefen. Was sie berechneten, war außerordentlich unwahrscheinlich. "Wenn wir aus dieser Distanz sechs Gegenstände zufällig auswählen, wie oft würden wir das erkennen?", sagte Batygin. "Die Antwort ist etwa 0,007 Prozent."
Im vergangenen Sommer schaute
Elizabeth Bailey, ein Caltech-Absolventin, in das jahrhundertealte Puzzle von dem, was die Sonnenachse um 6 Grad senkrecht zur unveränderlichen Ebene verursachte. Könnte es sein, dass sich die Sonnenachse überhaupt nicht verschoben hat, da der Stern in seiner protoplanetarischen Scheibe geboren wurde, dass stattdessen
Planet Nine, der in einem hohen Winkel die Sonne umkreist, allmählich alle anderen Planeten um 6 Grad nach oben gezogen hat?
Bailey berechnete, welche Massen und Umlaufbahnen von
Planet Nine diese Leistung erledigen könnten. Die Zahlen überlappen die Bereiche, die
Batygin und
Brown bevorzugten. Unabhängig davon veröffentlichte eine Gruppe französischer und brasilianischer Astronomen im Dezember ein ähnliches Ergebnis.
Eine der populärsten symplektischen Modellierungsplattformen heißt
Merkury (
nicht zu verwechseln mit dem Planeten), und es ist das Werkzeug der Wahl für einige der Planetenjagdteams, einschließlich
Brown und Batygin geworden.
Bei Yale erweiterte
Laughlin und seine Doktorandin
Sarah Millholland den
Mercury im vergangenen Herbst mit einem
Markov-Ketten-Monte-Carlo-Algorithmus, um schneller auf vielversprechenden Orbits zu kommen. Mit dem 1.000-
Core-Supercomputing-Cluster bei Yale konnten sie in einem Monat insgesamt 1019 Jahre Orbitalmechanik simulieren und nicht nur 11 extreme trans-neptunische Objekte verfolgen, sondern auch Unsicherheiten in ihren Beobachtungen.
"Wir haben Orbitalparameter, die mit den Werten von
Brown und Batygin einverstanden sind", sagt Laughlin. "Aber unsere Simulation gibt einen genaueren Platz in den Himmel, um zu suchen." Ihre im Februar veröffentlichte Zeitschrift sowie neuere Supercomputer-Simulationen, die im April von
Trujillo vorgestellt wurden, befindet sich
Planet Nine irgendwo in der
Konstellation Cetus (der Wal) oder
Eridanus (der Fluss), etwa 28 mal die aktuelle Distanz zu
Pluto. "Es ist immer noch ein riesiger Suchbereich", sagt
Trujillo.Mittlerweile hat
David Nesvorný am südwestlichen Forschungsinstitut in Colorado seine weitaus detaillierteren Modelle der Bildung des
Kuiper-Gürtels von den frühen Tagen des Sonnensystems modifiziert, um zu sehen, was passiert, wenn er in einem neunten Planeten steckt. Die Simulation ist auf einem
symplektischer Code gebaut und der als
Symba bekannt ist, beginnt mit einer Million virtuellen TNOs, wie sie in dem entstehenden Sonnensystem existiert haben könnten. Das System berechnet 4,5 Milliarden Jahre Evolution und vergleicht dann das Ergebnis mit dem, was die Astronomen heute sehen. Jeder Lauf dauert mehr als fünf Wochen, um auf 500 CPU Kerne des
Pleiades Supercomputers der NASA abzuschließen.
Mehr Einblicke zu
Planet Nines theoretischem Existenz kommen aus der
Cassini-Sonde, die den
Saturn seit 2004 umkreist. Von den kleineren Änderungen der Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs und der anderen Telemetrie berechnet das
Cassini-Team den Abstand von der Erde zum
Saturn auf 3 Meter. Diese Reichweitenmessungen konnten auch kleine Abweichungen in der
Saturn-Umlaufbahn aufgrund des Zuges von
Planet Nine zeigen, aber nur, wenn er nahe oder groß genug ist.
William Folkner, ein Hauptingenieur bei JPL, sagte, er und Kollegen untersuchten die Daten und sahen keine spürbare Verzerrung der
Saturn-Umlaufbahn. Also, wenn
Planet Nine existiert und 10 mal die Masse der Erde ist, muss es innerhalb von 25 Grad am weitesten Punkt in seiner hypothetischen Umlaufbahn sein, sagt er. Ein kleiner
Planet Nine begünstigt nun eine Masse, die achtmal so groß ist wie die Erde, hätte 40 Grad Spielraum, um sich zu verstecken.
Die Ergebnisse, positiv und negativ, helfen den Handvoll Beobachtern jetzt bei der Jagd für
Planet Nine mit Teleskopen. Zusätzlich zu den Gruppen, die am
Subaru Teleskop arbeiten, stellen
Sheppard und Trujillo Recherchen in der hohen Wüste von Chile an, falls der Planet leichter von der südlichen Hemisphäre zu sehen ist. Dort tragen sowohl die
570-Megapixel-Dunkel-Energie-Kamera (DECam) auf dem
4-Meter-Blanco-Teleskop und die
6,5-Meter-Magellan-Teleskope zur Jagd bei.
Mike Brown erwartet es nicht, das der
Planet Nine durch das Scannen des Himmels gefunden wird. Es wäre zwar möglich, aber er rechnet damit, das jemand den Planeten zuerst in den Archivdaten finden wird. Der Himmel wurde bereits sehr intensiv fotografiert. Nachdem
Uranus und
Neptun entdeckt worden waren, bemerkten die Astronomen, dass frühere Sterngucker schon oft diese beiden Welten aufgezeichnet hatten, aber sie hatten nicht erkannt, was sie waren. Jetzt sind mindestens vier Bemühungen im Gange,um einen neuen Planeten in alten Fotos zu finden.
David Gerdes von der
University of Michigan kämmt durch das Archiv der
DECam’s Survey Observations, um Bilder des Planeten zu finden. Nach der Aussage von
Brown führt ihr vorausgesagter Weg für den Planeten durch das Sichtfeld der Überprüfung der Dunklen Energie.
Eine Armee von Amateuren wirkt auch bei der Suche mit. Im Februar hat
Marc Kuchner von dem
NASA Goddard Space Flight Center dazu beigetragen, aufeinanderfolgende Infrarotbilder zu vergleichen, die vom
Wide-field Infrared Survey Explorer Space Telescope von der gleichen Stelle am Himmel gemacht wurden. Im Juli hatte das Projekt 40.000 Freiwillige rekrutiert, die über 125.000 Plätze am Himmel gründlich überprüft hatten. Eine
Southern-Sky-Version, die im März mit Daten aus dem australischen
SkyMapper-Teleskop gestartet wurde, arbeitete sich in nur drei Tagen durch 106.000 Suchregionen. So erwähnenswert wie diese bürgerwissenschaftlichen Projekte auch sind, ihre Chancen des Erfolgs sind niedrig, weil die kleinen Teleskope in der Regel nicht genug Licht sammeln können, um etwas zu sehen, das so dunkel und fern ist, wie es von
Planet Nine erwartet wird.
Michael Medford und
Danny Goldstein, Absolventen an der
University of California, Berkeley, denken, sie haben eine Lösung für dieses Problem. Auf der Suche nach Tausenden von Bildern, die den Suchbereich für
Planet Nine abdecken, von 2009 bis 2016 mit einem 1,2-Meter-Teleskop in den Bergen nördlich von San Diego, wird ihr System mehrere Bilder in einer genialen Weise kombinieren, die die Dunkelheit erhellen soll, um das Flimmern von Licht von
Planet Nine zu erkennen, um ihn von Hintergrundgeräuschen zu unterscheiden.
Weil sich der Planet in Bezug auf die Hintergrundsterne bewegt, kann man nicht einfach nur überlappende Bilder zusammenfügen. Stattdessen wählt ihre Software jede der vielen deutlichen plausiblen Umlaufbahnen für
Planet Nine aus, projiziert die Bewegung des Planeten auf den relevanten Flecken des Himmels und verschiebt dann aufeinanderfolgende Bilder, um dem Planeten entsprechende Pixel zu überlagern und zu erhellen. Eine Pipeline der Software, die von
Peter Nugent, ihrem Fakultätsberater, geschrieben wurde, führt die überlappenden und subtrahierten bekannte Objekte wie Sterne.
Die rechnerische Aufgabe ist enorm, weil die Umlaufbahn des Planeten noch so unsicher ist. Um eine 98-prozentige komplette Suche durchzuführen, müssen sie 10 Milliarden Bildvergleiche durchführen. Glücklicherweise wurde
Nugent Zeit auf dem
Cori Supercomputer zugewiesen, ein neues
Cray XC40 System, das vor kurzem als das fünftgrößte in der Welt eingestuft wurde.
So werden die Wissenschaftler alle Erkenntnisse an ein maschinelles Lernsystem übergeben, das trainiert wird, um Artefakte zu erkennen und abzulehnen: Satellitenwege, heiße Pixel, kosmische Strahlen und andere falsche Quellen.
Mit den bereits vorhandenen Daten erwarten die beiden Forscher dass das System, das parallel zu Hunderten von Cori's CPU-Knoten und 278 Hyperthreads pro Knoten läuft, um die Arbeit in nur wenigen Tagen zu beenden, wenn sie den Switch im August umdrehen.
"Wir sitzen auf dem Rand unserer Sitze", sagt Goldstein. "Und ob wir P9 finden oder nicht, diese Methode kann verwendet werden, um andere TNOs zu erkennen.
Data sources: Michele Bannister, Konstantin Batygin, Michael E. Brown, Sarah Millholland, Scott Sheppard. Illustration: IEEE Spectrum http://spectrum.ieee.org/aerospace/satellites/is-there-a-giant-planet-lurking-beyond-pluto Mit gespannten Grüßen
Gertrud
