En la década de 1840, el matemático francés Urbain Le Verrier utiliza la mecánica newtoniana para analizar las perturbaciones en la órbita de Urano, y plantea la hipótesis de que eran causadas por el tirón gravitacional de un planeta aún por descubrir. Le Verrier predijo la posición de este nuevo planeta y envió sus cálculos al astrónomo alemán Johann Gottfried Galle. El 23 de septiembre de 1846, la noche siguiente a su recepción de la carta, Galle y su estudiante Heinrich d’Arrest descubrieron Neptuno, exactamente donde Le Verrier había predicho; ello era un gran logro para la mecánica de Newton. Pero aún quedaban algunas pequeñas discrepancias en las órbitas de estos dos nuevos gigantes gaseosos. Estas fueron tomadas como indicios para indicar la existencia de un nuevo planeta orbitando más allá de Neptuno.
Pero incluso antes del descubrimiento de Neptuno, algunos ya especulaban de que un planeta por sí solo no era suficiente para explicar la discrepancia original de Urano. El 17 de noviembre de 1834, un astrónomo aficionado británico, el reverendo Thomas John Hussey, informó de una conversación que había tenido con el astrónomo francés Alexis Bouvard. Hussey señaló en conversación con Bouvard sobre el movimiento inusual de Urano; este último señalaba que había mantenido correspondencia con Peter Andreas Hansen, director del Observatorio Seeberg (Suiza), sobre el tema; en opinión de Hansen un solo cuerpo no podía explicar adecuadamente el movimiento de Urano, y proponía que dos planetas existían más allá de Urano.
En 1848, Jacques Babinet propuso una observación con los cálculos de Le Verrier, alegando que la masa observada de Neptuno era más pequeña y su órbita más grande que la que Le Verrier había predicho inicialmente. Postuló así que otro planeta de aproximadamente doce veces la masa terrestre, al que llamó ‘Hyperion‘, debía existir más allá de Neptuno. Le Verrier rebatió la hipótesis de Babinet, diciendo: —No hay absolutamente nada en lo que se podría determinar la posición de otro planeta, salvo supuestos juegos en una imaginación en parte demasiado grande—.
En 1879, Camille Flammarion señaló que los cometas 1862 III y 1889 III tenían un afelio de 47 y 49 UA, respectivamente, lo que sugería que podría marcar el radio de la órbita de un planeta desconocido que los había arrastrado a una órbita elíptica. El astrónomo Georges Forbes llegó a similar conclusión, basándose en el hecho de que cuatro cometas conocidos poseían afelios alrededor de 100 UA y otros seis con afelios en torno a las 300 UA, postulando no uno, sino dos planetas, debían existir más allá de Neptuno. Estos elementos concordaban sugestivamente con las realizadas de forma independiente por otro astrónomo llamado David Peck Todd, lo que sugería que la afirmación podría ser válida. Sin embargo, los escépticos argumentaron que las órbitas de los cometas en cuestión eran aún demasiado inciertas como para producir resultados significativos.
En 1900 y 1901, el Observatorio de Harvard director William Henry Pickering dirigió dos búsquedas de planetas más allá de Neptuno. La primera fue iniciada por el astrónomo danés Hans Emil Lau quien, después de estudiar los datos sobre la órbita de Urano desde 1690 hasta 1895, llegó a la conclusión de que un planeta trans-neptuno por sí solo no podría explicar las discrepancias en su órbita, y postuló que dos planetas, en su opinión, eran los responsables. La segunda busqueda se inició cuando Gabriel Dallet sugirió que un solo planeta trans-Neptuno ubicado a 47 UA podría explicar el movimiento de Urano. Pickering acordó examinar las placas para cualquier planeta sospechoso. En ninguno de los casos se encontró ninguno.
Ya desde 1894 Percival Lowell un rico bostoniano, con la ayuda de William Pickering, había fundado el Observatorio Lowell en Flagstaff, Arizona. En 1906 Lowell estaba convencido de que podía resolver el enigma de la órbita de Urano y comenzó un amplio proyecto para buscar un planeta trans-Neptuno, que llamó Planeta X. (La ‘X’ en el nombre representa una incógnita y se pronuncia como la letra, sin comparación con el número romano para 10; en ese momento, el Planeta X habría sido el noveno planeta). Esperanza de Lowell en la búsqueda del Planeta X era re-establecer su credibilidad científica, que lo había eludido gracias a su creencia ampliamente ridiculizada de que características visibles en la superficie de Marte eran canales construidos por una civilización inteligente (idea que dio origen a obras de ciencia ficción como las aventuras de John Carter en Marte de Edgar Rice Burroughs, el mismo autor de Tarzan). Lowell primero centró su búsqueda en la eclíptica, el plano que abarca el zodiaco donde los otros planetas del Sistema Solar giran. Utilizando una cámara fotográfica de 5 pulgadas, examino manualmente más de 200 exposiciones de tres horas con una lupa, y no encontró planetas; en ese momento Plutón, por su elevada inclinación estaba muy por encima de la eclíptica para entrar en las fotos.
Por otra parte, en 1908, Pickering anunció que, mediante el análisis de las irregularidades en la órbita de Urano, había encontrado evidencia de un noveno planeta. Su planeta hipotético, que calificó de ‘Planeta O‘ (debido a la letra que sigue después de ‘N’, es decir, Neptuno), poseía un radio medio orbital de 51,9 UA y un periodo orbital de 373,5 años. Pero en las placas tomada en su observatorio en Arequipa, Perú, no encontró ninguna evidencia para el planeta predicho, y el astrónomo británico P. H. Cowell reveló que las irregularidades observadas en la órbita de Urano prácticamente desaparecían una vez que el desplazamiento del planeta de longitud se ha tenido en cuenta. Lowell, a pesar de su estrecha asociación con Pickering, desestimó ‘Planet O‘, diciendo: —Ese planeta está muy bien en denominarse ‘O’, una forma de decir ‘cero’, o que no es nada en absoluto—. Sin saberlo Pickering, en cuatro de las placas fotográficas tomadas en la búsqueda de ‘Planeta O‘ por los astrónomos del Observatorio de Monte Wilson en 1919 capturaron imágenes de Plutón, aunque esto fue sólo reconocido años más tarde. Pickering llegó a sugerir muchas otros posibles planetas trans-Neptuno hasta el año 1932, a los que llamó P, Q, R, S, T y U, ninguno se detecto nunca.
En 1909, Thomas Jefferson Jackson See, un astrónomo con una reputación de ser un egocéntrico, opinó que —sin duda hay uno, probablemente dos, y posiblemente tres planetas más allá de Neptuno—. Tentativamente nombró al primer planeta ‘Oceano‘, no dio nombre para los siguientes dos, y los colocó a distancias respectivas de 42, 56 y 72 UA del sol; pero no dio ninguna indicación en cuanto a la forma en que determino su existencia, y no hubo búsquedas conocidas para localizarlos.
En 1911, el astrónomo indio Venkatesh P. Ketakar sugiere nuevamente la existencia de dos planetas tras-Neptuno, que él nombró ‘Brahma‘ y ‘Vishnu‘, al volver a trabajar en los patrones observados por Pierre-Simon Laplace en los satélites planetarios de Júpiter y su extrapolación a los planetas exteriores. Las tres lunas internas galileanas de Júpiter: Io, Europa y Ganímedes, están enfrascadas en una complicada 1:2:4 resonancia, que se denomina Resonancia de Laplace, y que se caracteriza porque nunca se puede producir una triple conjunción. Ketakar sugerió que Urano, Neptuno y sus hipotéticos planetas trans-Neptuno estaban encerrados en resonancias laplacianas. Aunque no está claro cómo Ketakar llego a estas cifras, Sus cálculos predijeron una distancia media de ‘Brahma‘ de 38,95 UA y un periodo orbital de 242,28 años terrestres (3:4 resonancia con Neptuno), pero no hizo predicciones sobre la distancia media y periodo de ‘Vishnu‘. Cuando Plutón fue descubierto 19 años después, su distancia media de 39,48 UA y un período orbital de 248 años de la Tierra estaban cerca de predicción de Ketakar (Plutón en realidad tiene un 2:3 resonancia con Neptuno); pero su segundo planeta, ‘Vishnu‘, nunca fue localizado.
Para 1914, después de revisar sus pronosticadas posibles ubicaciones, Lowell realizó una segunda búsqueda entre 1914 hasta 1916. En 1915, publicó en su trabajo sobre un planeta trans-Neptuno, donde concluía que el Planeta X tendría una masa aproximadamente siete veces la masa terrestre, aproximadamente la mitad de la masa de Neptuno y se ubicaba a una distancia media del Sol de 43 UA. Asumió que el Planeta X sería un objeto baja densidad (como los otros gigantes gaseosos) y con un alto albedo. Como resultado tendría un disco con un diámetro de aproximadamente un segundo de arco y una magnitud aparente de entre 12 y 13 lo suficientemente brillante para ser vistos con los equipos existentes en la época.
Muerte súbita de Lowell en 1916 suspendió temporalmente la búsqueda del Planeta X. El no encontrar el planeta, según un amigo, —casi lo mató—. Constanza Lowell, la viuda de Percival Lowell, posteriormente envolvió el observatorio en una larga batalla legal para asegurar su porción del millón de dólares de la herencia de Lowell para sí misma, lo que significa que la búsqueda del Planeta X no pudo reanudarse durante varios años. En 1925, con fondos de George Lowell, hermano Percival, el observatorio cambió sus discos de vidrio por nuevos de trece pulgadas, lo que permitió para continuar la búsqueda. En 1929, el director del observatorio, Vesto Melvin Slipher, sumariamente entregó la tarea de localizar al planeta a Clyde Tombaugh, un chico de 22 años de edad, de una granja de Kansas que acababa de llegar en el Observatorio Lowell después de Slipher había quedado impresionado por una muestra de sus dibujos astronómicos.
Tombaugh tuvo la tarea era capturar sistemáticamente secciones del cielo nocturno en pares de imágenes. Cada imagen de cada un par se tomaba con dos semanas de diferencia. Se colocan entonces las dos imágenes en una máquina llamada de parpadeo, que crea rápidamente la ilusión del movimiento de cualquier cuerpo planetario. Para reducir las posibilidades de que un rápido movimiento (y por tanto más cerca) el objeto se confundiese con el nuevo planeta, Tombaugh fotografió cada región cercana de su punto de oposición, a 180 grados del Sol, donde el movimiento aparente retrógrado de objetos más allá de la órbita de la Tierra es más fuerte. También tomó una tercera imagen como un control para eliminar los resultados falsos causados por defectos en una placa individual. Tombaugh decidió fotografiar todo la franja del zodiaco, en lugar de centrarse en aquellas regiones sugeridas por Lowell.
A principios de 1930, la búsqueda de Tombaugh había llegado a la constelación de Géminis. El 18 de febrero de 1930, después de buscar durante casi un año y examinar cerca de 2 millones de estrellas, Tombaugh descubrió un objeto moviéndose en las placas fotográficas tomadas el 23 de enero y 29 de enero de ese año. Una fotografía de menor calidad tomada el 21 de enero confirmó del movimiento. Tras la confirmación, Tombaugh entró en el despacho Slipher y declaró: —Doctor Slipher, he encontrado su Planeta X—. El objeto estaba a solo seis grados de una de las dos ubicaciones para el Planeta X que Lowell había sugerido; por lo que parecía que por fin se había reivindicado. Después de que el observatorio obtuvo fotografías más confirmatorias, la noticia del descubrimiento fue telegrafiado al Observatorio del Harvard College el 13 de marzo de 1930. El nuevo objeto fue posteriormente pre-descubierto en las fotografías que se remontan al 19 de marzo de 1915. La decisión de nombrar el objeto Plutón estaba destinado en parte para honrar a Percival Lowell, según sus iniciales formaban la palabra las dos primeras letras. Después de descubrir Plutón, Tombaugh continuó buscando en la eclíptica otros objetos distantes. Encontró cientos de estrellas variables y asteroides, así como dos cometas, pero no más planetas.
Pero Plutón no era como se esperaba, para decepción del observatorio y sorpresa de muchos, Plutón no mostró un disco visible, sino que aparece como un punto, no es muy diferente de una estrella, con una magnitud 15, ello era seis veces menos brillante que lo que Lowell había predicho, lo que significaba que era muy pequeño o muy oscuro. Los astrónomos pensaron entonces para apoyar la ideas de Lowell que Plutón debía ser muy masivas para perturbar los planetas y que tendría un albedo de 0,07 (es decir, que refleja sólo el 7% de la luz que lo golpeaba), casi tan oscuro como el asfalto y similar a la de Mercurio, el planeta menos reflectante conocido; ello apoyaba el nombre asignado a Plutón, que era el dios del inframundo y la oscuridad. Bajo esta premisa se daba a Plutón un diámetro de unos 8.000 kilómetros, o aproximadamente el 60% de la Tierra.
Las observaciones también revelaron que la órbita de Plutón es muy elíptica, mucho más que para cualquier planeta. Ello hizo que algunos astrónomos expresaran su escepticismo por los resultados. Poco después de su descubrimiento en 1930, Armin O. Leuschner disputó el status de Plutón, sugiriendo que por su oscuridad, excentricidad orbital e inclinación, era de hecho más similar a un asteroide o un cometa. En 1931, Ernest W. Brown afirmó, usando una fórmula matemática, que las irregularidades observadas en la órbita de Urano no podía ser debido al efecto gravitacional de un planeta más distante, y por lo tanto la predicción de Lowell era ‘puramente accidental’.
A lo largo del siglo XX, las estimaciones de la masa de Plutón fueron revisadas, y siempre a la baja. En 1931, Nicholson y Mayall calcularon su masa, basado en su supuesto efecto sobre los gigantes de gas, para 1949, las mediciones del diámetro de Plutón llegaban a la conclusión de que era de la mitad de tamaño entre Mercurio y Marte, y que su masa era más probable de alrededor de 1/10 masas de la Tierra. En 1976, Dale Cruikshank, Pilcher Carl y David Morrison, de la Universidad de Hawai, analizaron el espectro de la superficie de Plutón y determinó que éste debía contener metano helado, lo cual es muy reflectante. Esto significó que Plutón, lejos de ser oscuro, era de hecho excepcionalmente brillante, por lo que probablemente no era más que la masa de la Tierra 1/100.
Tamaño de Plutón se determinó finalmente de forma concluyente en 1978, cuando el astrónomo estadounidense James W. Christy descubrió su luna Caronte. Esto le permitió, junto con Robert Sutton Harrington del Observatorio Naval de los EE.UU., para medir la masa del sistema Plutón-Caronte directamente al observar movimiento orbital de la luna alrededor de Plutón. Se determinó la masa de Plutón era de 1,31 × 1022 kg; aproximadamente un quinto centenario de la Tierra o una sexta parte la de la Luna, demasiado pequeño para explicar las discrepancias observadas en las órbitas de los planetas exteriores. La predicción de Lowell había sido solo una coincidencia; y si había un Planeta X, no era Plutón definitivamente.
Estimaciones de tamaño para Plutón
| Año | Masa | Autor | |
| 1931 | 1 Tierra | Nicholson & Mayall | |
| 1948 | 0,1 (1/10 Tierra) | Kuiper | |
| 1976 | 0,01 (1/100 Tierra) | Cruikshank, Pilcher, y Morrison | |
| 1978 | 0,002 (1/500 Tierra) | Christy & Harrington | |
Después de 1978, una serie de astrónomos iniciaron una nueva búsqueda del Planeta X de Lowell, convencidos ya de que Plutón no es un candidato viable, un décimo planeta invisible debía perturbar a los planetas exteriores. Entre las décadas de 1980 y 1990, Robert Harrington lideró una búsqueda para determinar la causa real de las aparentes irregularidades. Calculo que el Planeta X estaría aproximadamente tres veces la distancia de Neptuno al Sol, su órbita sería muy excéntrica, y fuertemente inclinada en la eclíptica, en un ángulo de 32 grados con respecto al plano orbital de los planetas conocidos. Esta hipótesis fue recibida con una recepción mixta. Por otra parte Brian Marsden, del Centro de Planetas Menores de la Universidad de Harvard era más escéptico y señala que estas discrepancias eran cien veces más pequeñas que las anotadas por Le Verrier, y fácilmente podría ser debido a un error de observación de la época.
Mientras que su misión no implicaba una búsqueda del Planeta X, el observatorio espacial IRAS llegó a los titulares brevemente en 1983 debido a un ‘objeto desconocido’ que al principio fue descrito como ‘posiblemente tan grande como el planeta gigante Júpiter y posiblemente tan cerca que sería parte de este Sistema Solar’. Un análisis más detallado reveló que varios de los objetos no identificados, nueve eran galaxias distantes y el décimo fue ‘cirrus interestelar’, y no se encontraron cuerpos dentro del Sistema Solar
En 1988, A. A. Jackson y R. M. Killen estudiaron la estabilidad de la resonancia con Neptuno Plutón mediante la colocación de prueba de un ‘Planeta X‘ con diferentes masas y a varias distancias de Plutón. Órbitas de Plutón y Neptuno están en una resonancia 3:2, lo que evita la colisión o incluso cualquier acercamiento, a pesar de su separación en el eje z. Se encontró que la masa del objeto hipotético tenía que superar 5 veces la masa terrestre para romper la resonancia, y el espacio de parámetros es bastante grande y una gran variedad de objetos podrían existir más allá de Plutón, sin alterar la resonancia.
Harrington murió en enero de 1993, sin haber encontrado el Planeta X. Seis meses antes, E. Myles Standish había utilizado los datos de la Voyager 2 de 1989 al sobrevolar Neptuno, había revisado la masa total del planeta a la baja en un 0,5%, una cantidad comparable a la masa de Marte, para volver a calcular su efecto gravitatorio sobre Urano. Cuando está recién determinada masa de Neptuno se utilizó en el Jet Propulsion Laboratory de Desarrollo Efemérides (JPL DE), las supuestas discordancias de la órbita de Urano desaparecieron, y con ellas la necesidad de un Planeta X para explicarlas también desapareció. No existen discrepancias en las trayectorias de las sondas espaciales como la Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1 y Voyager 2 que se puedan atribuir a la atracción gravitatoria de un gran objeto desconocido en el Sistema Solar exterior. Hoy en día, la mayoría de los astrónomos están de acuerdo en que el Planeta X, como Lowell lo definió, no existe.
Después del descubrimiento de Plutón y Caronte, no hubo más objetos trans-Neptuno (TNO) hasta que se encontró (15760) 1992 QB1 en 1992. Desde entonces, cientos de estos objetos han sido observados. La mayoría son ahora reconocidos como parte del cinturón de Kuiper, un enjambre de cuerpos congelados sobrantes de la formación del Sistema Solar que orbitan cerca del plano de la eclíptica más allá de Neptuno. Aunque ninguno fue tan grande como Plutón, algunos de estos distantes objetos transneptunianos como Sedna, fueron descritos inicialmente en los medios de comunicación como ‘nuevos planetas’.
En 2005, el astrónomo Mike Brown y su equipo anunciaron el descubrimiento de 2003 UB 313 (más tarde llamado Eris por la diosa griega de la discordia y la contienda), un objeto trans-Neptuniano cuyas primeras lecturas lo ponían apenas más grande que Plutón. Poco después la prensa describió al objeto como el ‘décimo planeta’. Eris nunca fue clasificado oficialmente como un planeta, y la definición de planeta de 2006 redefinió tanto a Eris como a Plutón no como planetas, sino como planetas enanos porque no han limpiado sus órbitas, ya que ambos forman parte de una población de objetos de tamaño similar.
Un número de astrónomos, especialmente Alan Stern, el director de la misión NASA, New Horizons (Nuevos Horizontes) que viaja a Plutón, sostienen que la definición de la IAU es errónea, y que Plutón y Eris, y todos los grandes objetos transneptunianos, como Makemake, Sedna, Quaoar y Varuna, deben ser considerados planetas en su propio derecho. Sin embargo, el descubrimiento de Eris no revivió la teoría del Planeta X, ya que era demasiado pequeño como para tener efectos significativos en las órbitas de los planetas exteriores.
Aunque la mayoría de los astrónomos aceptan que Planeta X de Lowell no existe, algunos de ellos han revivido la idea de que un gran planeta invisible que podría crear efectos gravitacionales observables en el Sistema Solar exterior. Estos objetos hipotéticos se refieren a menudo como ‘Planeta X’, aunque el concepto de estos objetos puede diferir considerablemente de la propuesta por Lowell. Así se tiene que el cinturón de Kuiper termina de repente, a una distancia de 48 unidades astronómicas (UA) del Sol (en comparación, Neptuno se encuentra 30 UA del Sol), y ha habido cierta especulación de que esta repentina bajada, conocido como el ‘acantilado Kuiper‘, puede atribuirse a la presencia de un objeto con una masa entre la de Marte y la Tierra situado más allá de 48 UA. Pero la presencia de un planeta como Marte en una órbita circular a 60 AU es incompatible con las observaciones de los TNO; ya que afectarían severamente la población de Plutinos. Pero los astrónomos no han excluido la posibilidad de un objeto con una mayor masa a la Tierra como planeta situado más allá de 100 UA con una excéntrica e inclinada órbita. Las simulaciones por ordenador de Patryk Lykawka de la Universidad de Kobe han sugerido que un cuerpo con una masa entre 0,3 y 0,7 la de la Tierra, expulsado hacia el exterior por Neptuno a principios de la formación del Sistema Solar y que en la actualidad tiene órbita alargada entre 101 y 200 UA desde el Sol, podría explicar el acantilado Kuiper y los peculiares objetos separados del cinturón de Kuiper tales como Sedna. Algunos astrónomos han apoyado con precaución estas afirmaciones, otros los han tachado de ‘artificial’. Algunos señalan argumentos de simple probabilidad; si la órbita de Sedna de 12000 años es tan excéntrica que es sólo visible durante una pequeña fracción de su periodo orbital alrededor del Sol, o sea que su descubrimiento fue un simple accidente, es probable que haya una población considerable de objetos más o menos del diámetro de Sedna que aún no se han observado. Mike Brown, descubridor de Sedna, señalaba en 2007 que Sedna es sólo tres cuartas partes del tamaño de Plutón. Si hay al menos sesenta objetos de las tres cuartas partes del tamaño de Plutón, entonces probablemente hay cuarenta objetos del tamaño de Plutón… Si hay cuarenta objetos del tamaño de Plutón, entonces hay probablemente diez que son el doble del tamaño de Plutón. Probablemente hay tres o cuatro que son tres veces más grande que Plutón, y el más grande de estos objetos… es probablemente del tamaño de Marte o de la Tierra.
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