Advanced

Hunting for Planet Nine by its perturbations on the Main Asteroid Belt

Jonsson, Albin LU (2019) In Lund Observatory Examensarbeten ASTK02 20191
Lund Observatory
Abstract
In recent years, scientists have found unconfirmed evidence for a ninth planet in the solar system at a very wide orbit. The parameters for this planet are poorly constrained. Current estimates mostly come from the effect the planet has on trans-neptunian objects. Here we investigate an alternative scenario, that is whether this proposed planet can exert observable perturbation on Main Belt asteroids through a particular resonance, active when the precession period of the asteroid is close to the orbital period of Planet Nine. As the apsidal precession period of the Main Belt asteroid is mainly driven by Jupiter, we first derive the precession period under the disturbance of Jupiter. We find that for asteroids at ~3 AU, the resonant... (More)
In recent years, scientists have found unconfirmed evidence for a ninth planet in the solar system at a very wide orbit. The parameters for this planet are poorly constrained. Current estimates mostly come from the effect the planet has on trans-neptunian objects. Here we investigate an alternative scenario, that is whether this proposed planet can exert observable perturbation on Main Belt asteroids through a particular resonance, active when the precession period of the asteroid is close to the orbital period of Planet Nine. As the apsidal precession period of the Main Belt asteroid is mainly driven by Jupiter, we first derive the precession period under the disturbance of Jupiter. We find that for asteroids at ~3 AU, the resonant condition is fulfilled when Planet Nine has a semi-major axis of ~600 AU. With the asteroids' behaviour known we add a Planet Nine to the simulations at the semi-major axis of optimal resonance conditions with asteroids positioned around 3 AU and analyse the output orbital data. However, in simulations where we assign Planet Nine a mass of 1000 Earth masses, no resonances are observed. To increase the chance of capture into resonance we let Planet Nine migrate inward or outward, causing the resonance to sweep through the asteroids. The mass of the planet is also increased to the somewhat unreasonable values of a solar mass and a tenth of a solar mass. With these implausible parameters, we find that the resonance is possible and when in libration, the periapsis of the asteroid is locked to the position of Planet Nine. Further studies are needed to determine the possibility of resonance for a more reasonable planetary mass and how effectively the planet can capture asteroids into resonance. We note that the effect investigated here may be the only known mechanism able to constrain the instantaneous location of Planet Nine. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Sedan den mindre kontroversen där Pluto degraderades från planet till dvärgplanet så har samhället varit överens om solsystemets åtta planeter: Mercurius, Venus, Jorden, Mars, Jupiter, Saturnus, Uranus och Neptunus. Detta kan dock komma att ändras, då forskning föreslår existensen av en planet större än vår egen bortom alla kända planeter. I detta arbete undersöks en helt ny metod som kan hjälpa oss att hitta den svårfångade planeten en gång för alla. Den kan möjligen hittas, inte genom att titta lång ut i vårt solsystem, utan genom att undersöka våra små grannar i Stora Asteroidbältet.

Asteroider färdas i sina elliptiska banor runt solen men Jupiter och andra planeter "rycker" i dem, så att deras omloppsbanor ändras lite för varje... (More)
Sedan den mindre kontroversen där Pluto degraderades från planet till dvärgplanet så har samhället varit överens om solsystemets åtta planeter: Mercurius, Venus, Jorden, Mars, Jupiter, Saturnus, Uranus och Neptunus. Detta kan dock komma att ändras, då forskning föreslår existensen av en planet större än vår egen bortom alla kända planeter. I detta arbete undersöks en helt ny metod som kan hjälpa oss att hitta den svårfångade planeten en gång för alla. Den kan möjligen hittas, inte genom att titta lång ut i vårt solsystem, utan genom att undersöka våra små grannar i Stora Asteroidbältet.

Asteroider färdas i sina elliptiska banor runt solen men Jupiter och andra planeter "rycker" i dem, så att deras omloppsbanor ändras lite för varje omlopp. På så sätt roterar sakta den elliptiska banan runt Solen, i ett system som kan liknas vid en klocka. Det snabbare omloppet av asteroiden kan liknas vid minutvisaren, och för varje varv förskjuts ellipsens riktning ett litet steg liknande timvisaren. På så sätt är det lätt att förstå att asteroidens omloppsbana roterar mycket långsammare än asteroidens omlopp i denna bana. Huvudtanken bakom detta arbete är att denna rotation av en asteroids omloppsbana tar lika lång tid som en nionde planet tar för att genomförra ett omlopp. Den svaga tyngdkraft från den nionde planeten som når asteroiden kan då "låsa fast" vinkeln mellan asteroidens elliptiska bana och planetens position.

Med dagens teknologi är detta något som är möjligt att undersöka. Genom att simulera solsystemets dynamik under miljontals år undersöks de optimala förhållanden som ger upphov till att vinkeln mellan planeten och asteroiden "låses fast". Tidigare studier har undersökt hur denna planets "ryck" påverkar himlakroppar bortom Neptunus, men detta arbete skiljer sig från de tidigare på en viktig punkt. Till skillnad ifrån tidigare arbeten kan den metod som här undersöks härleda den aktuella positionen hos planeten.

Visar sig denna metod framgångsrik kan den spela en avgörande roll i att fastställa den nästan mytiska nionde planetens existens och omloppsbana. En sådan upptäck skulle vara den största framgång inom planetologin sedan 1846 då Neptunus upptäcktes. Upptäckten skulle inte enbart kunna ge oss kunskap om solsystemets förflutna, utan vara en fortsättning på en utav vetenskapens längst pågående sökande med en sekellång historia. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Jonsson, Albin LU
supervisor
organization
course
ASTK02 20191
year
type
M2 - Bachelor Degree
subject
keywords
Planet Nine, Main Asteroid Belt, Perturbations, evection resonance, libration
publication/series
Lund Observatory Examensarbeten
report number
2019-EXA156
language
English
id
8991590
date added to LUP
2019-08-08 13:06:50
date last changed
2019-08-08 13:06:50
@misc{8991590,
  abstract     = {In recent years, scientists have found unconfirmed evidence for a ninth planet in the solar system at a very wide orbit. The parameters for this planet are poorly constrained. Current estimates mostly come from the effect the planet has on trans-neptunian objects. Here we investigate an alternative scenario, that is whether this proposed planet can exert observable perturbation on Main Belt asteroids through a particular resonance, active when the precession period of the asteroid is close to the orbital period of Planet Nine. As the apsidal precession period of the Main Belt asteroid is mainly driven by Jupiter, we first derive the precession period under the disturbance of Jupiter. We find that for asteroids at ~3 AU, the resonant condition is fulfilled when Planet Nine has a semi-major axis of ~600 AU. With the asteroids' behaviour known we add a Planet Nine to the simulations at the semi-major axis of optimal resonance conditions with asteroids positioned around 3 AU and analyse the output orbital data. However, in simulations where we assign Planet Nine a mass of 1000 Earth masses, no resonances are observed. To increase the chance of capture into resonance we let Planet Nine migrate inward or outward, causing the resonance to sweep through the asteroids. The mass of the planet is also increased to the somewhat unreasonable values of a solar mass and a tenth of a solar mass. With these implausible parameters, we find that the resonance is possible and when in libration, the periapsis of the asteroid is locked to the position of Planet Nine. Further studies are needed to determine the possibility of resonance for a more reasonable planetary mass and how effectively the planet can capture asteroids into resonance. We note that the effect investigated here may be the only known mechanism able to constrain the instantaneous location of Planet Nine.},
  author       = {Jonsson, Albin},
  keyword      = {Planet Nine,Main Asteroid Belt,Perturbations,evection resonance,libration},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  series       = {Lund Observatory Examensarbeten},
  title        = {Hunting for Planet Nine by its perturbations on the Main Asteroid Belt},
  year         = {2019},
}