92页论文、20年数据,加州理工团队能否发现太阳系第9颗行星?

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92页论文、20年数据,加州理工团队能否发现太阳系第9颗行星?
麻省理工科技评论 2019-03-28

2019-03-28

自从 2006 年国际天文联合会投票将冥王星降级为矮行星后,天文学家们寻找太阳系第九大行星的继任者的热情仍然不减。最近的几年,不断有证据表明,在太阳系的最外延极有可能存在着真正的第九行星,通过对周围星体的引力拉动来宣告着自己的存在。
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自从 2006 年国际天文联合会投票将冥王星降级为矮行星后,天文学家们寻找太阳系第九大行星的继任者的热情仍然不减。最近的几年,不断有证据表明,在太阳系的最外延极有可能存在着真正的第九行星,通过对周围星体的引力拉动来宣告着自己的存在。

自从 2006 年国际天文联合会投票将冥王星降级为矮行星后,天文学家们寻找太阳系第九大行星的继任者的热情仍然不减。最近的几年,不断有证据表明,在太阳系的最外延极有可能存在着真正的第九行星,通过对周围星体的引力拉动来宣告着自己的存在。

就在上个月,Physics Report 上刊登了一篇名为《第九行星假说》(The Planet Nine Hypothesis),的论文。在这篇长达 92 页的论文中,加州理工学院地质与行星科学部的 Konstantin Batygin 教授的团队提出,在距离太阳约 600 个天文单位(地球到太阳的距离是一个天文单位,约 1.5 亿公里)的轨道上,很可能存在着一颗质量为地球质量的 5 到 10 倍的星体。

这颗星体的亮度在 19 和 24 之间。“现有的广角望远镜足以足以捕捉到这样亮度的星体,比如位于智利的 Victor Blanco 4m 和位于夏威夷的 Subaru 8.2m 望远镜”,Batygin 说,“如果存这颗星体真的存在,它将会是太阳系的第九大行星,而且极有可能会在未来十年中被发现。”

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图丨这幅图描绘了遥远的柯伊伯带天体和 9 号行星的轨道。紫色轨道主要受 9 号行星的引力控制,比较密集。另一方面,绿色轨道与海王星紧密耦合,相对松散。最新的轨道计算表明,9 号行星是一颗质量约为地球 5 倍的行星,它大概位于轨道的偏心上,运行周期约为 1 万年。(来源: James Tuttle Keane /加州理工学院)

一直以来,天文学家们寻找新的行星的方法都是引力摄动法。即一颗已知行星的运行轨迹与理论计算值之间出现了偏差时,就可以判定它受到了另一颗星体的影响,天文学家因此可以顺藤摸瓜,找到隐藏在暗处的行星。1846 年发现的海王星就是通过这种方法找到的。

然而,越往外找,情况就越复杂。引力摄动法不再足以确定一个星体,在对“第九行星”的搜寻中,Batygin 教授就动用了过去二十年来积累的各种数据,加之以计算机模拟,才做出了这样的推测。“即使这样,也有 0.2% 的可能只是一个偶然”,他说。

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图丨 Konstantin Batygin(来源:加州理工学院)

九号行星假说

这次的论文,《九号行星假说》是一篇受邀发表在 Physics Reports 上的综述。这篇论文提供了数千个关于太阳系远端动态演化的新计算机模型,并对九号行星的性质提出了最新的见解。

这其中包括一种预估,即这个行星比之前所猜测的更小,离太阳更近。基于新计算模型,Batygin 、Konstantin Batygin以及密歇根大学的 Fred Adams 和 Juliette Becker(BS '14)得出的结论是,九号行星的质量是地球的五倍, 轨道长半轴约是 400 个天文单位 ( AU )。这使得它比以前假设的更小,更接近太阳,并且可能更亮。

行星科学助理教授、Van Nuys Page 学者 Batygin 说:“九号行星的质量为 5 个地球,很容易让人认为是太阳系外典型的超级地球(Super-Earths,超级地球是质量大于地球,但实质上体积小于地球的星体)。这是太阳系行星形成过程中缺失的一环。在过去的十年中,对太阳系外行星的调查显示,类似大小的行星在其他类太阳恒星周围非常常见。九号行星将是我们能找到的最接近了解银河系典型行星特性的窗口。”

早在这一次的论文,Batygin 和 Konstantin Batygin 就曾发表过一篇名为《太阳系远端的轨道聚集》(Orbital Clustering in the Distant Solar System)的论文,介绍了 9 号行星假说的基础。有证据表明,柯伊伯带 (位于海王星之外的一片由冰封物体组成的区域) 的天体群受到一颗看不见的行星的引力影响。关于这种轨道聚集是否确实发生,或者,它会不会是由观察柯伊伯带天体的方式和位置存在偏差而造成的假象,一直是一个悬而未决的问题。

为了评估明显的轨道聚集背后是否存在观测偏差,Brown 和 Batygin 开发了一种方法来量化每个单独观察的偏倚量,然后计算出该聚集是假象的概率。他们发现,这个概率大约是 500 分之一。

虽然这个分析并没有直接说明第九颗行星是否在那里,但它确实表明这个假说是建立在坚实的基础上的。

2016 年 1 月 20 日,Batygin 和 Brown 提出了第一个证据,证明可能有一颗巨大的行星沿着一个奇怪的、高度拉长的轨道穿过外太阳系。2016 年 6 月,Batygin 和 Brown 提出了对这颗行星轨道位置观测限制的更多细节。

在接下来的两年里,他们建立了这颗行星的理论模型,解释了其他已知的现象,比如为什么柯伊伯带的一些天体的轨道垂直于太阳系的平面。由此产生的模型增强了他们对九号行星存在的信心。

在最初宣布九号行星存在之后,世界各地的天文学家,包括 Batygin 和 Brown,开始寻找这颗新行星的观测证据。尽管 Batygin 和 Brown 也在怀疑九号行星可能不存在,但他们表示,他们对太阳系轨道动力学的研究越多,支持这一观点的证据似乎就越有力。

Batygin 说:“我最喜欢九号行星假说的特性就是它是可以被观测到的。有一天我们可能会看到九号行星的真实图像,这绝对令人振奋。虽然在天文上发现第九颗行星是一个巨大的挑战,但我非常乐观,我们将在未来 10 年内对它进行成像。”

行星发现简史

目前太阳系的八大行星中,前六个行星很早就被古人发现并记录,除地球之外,它们是:水星,金星,火星,木星和土星。古人的观测手段有限,曾一度认为地球是宇宙的中心,太阳,月亮和其它五大行星围绕着地球转动。日心说统治了西方一千多年,在东方的古代中国也对“天圆地方”的浑天说深信不疑。

直到伽利略发明了望远镜,并观察到了木卫体系这一重要证据后,人们才开始慢慢接受一个事实: 太阳才是宇宙的中心,地球和其它行星都围绕太阳转。

望远镜也帮助天文学家发现了天王星,在人们研究天王星的轨道时,发现它的运动轨迹与理论计算值出现了偏差,而且这个偏差越来越大。这个观察使天文学家们相信,在天王星之外还存在着另一颗行星,对天王星的轨道产生着引力摄动。1846 年 9 月 23 日晚间,法国天文学家勒维耶在用望远镜仰望星空时,发现了一颗星球发出了幽暗的深蓝色光芒,这颗星球与他计算的预期位置相差不到 1°, 这就是海王星,以希腊神话中的海神名字命名为 Neptune。

海王星的发现,是引力摄动法在行星轨道推算上的一次巨大的成功。十九世纪末,天文学家用同样的方法计算海王星对天王星的影响时发现,仅仅海王星一颗行星还不足以解释天王星的轨道扰动,他们推测,海王星之外还应该存在着一颗星体。

人们兴奋地将这个未知行星命名为“X 行星(Planet X)”,并希望用这个万能的引力摄动法,牵出一个又一个行星来,X 行星之后还有 Y 行星,之后还有 Z 行星。

这个方法果然奏效了。1930 年 2 月,美国天文学家克莱尔·汤博根据前人的计算,多次对 X 行星预计出现的星区拍摄了照片,他在这堆照片中发现了一颗缓缓移动的亮点,由于亮点与 X 行星的预期位置相差无几,当时人们相信,这就是他们一直苦苦搜寻的 X 行星,并用希腊神话中冥王的名字为其命名:Pluto(冥王星)。

冥王星行星身份之争

从被发现之日起,冥王星的行星身份就一直存在着争议。人们因其图像模糊而怀疑冥王星不是罗威尔所设想的 X 行星。

最初的理论计值表明,这颗 X 行星应该拥有 7 个地球大小的质量,约为海王星的一半。而 1931 年的计算得出它的质量仅与地球相当。1948 年的进一步计算结果则接近火星质量(地球质量的十分之一)。随后的近半个世纪中,冥王星的质量一路缩水,最终降到了只有最初理论值的 1/3200。即使这样,它太阳系第九大行星的地位仍然没有被撼动。

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一直到 1987 年,飞掠天王星和海王星的旅行者二号探测器传回了精确的这两颗行星的精确的轨道数据,他们才发现这两颗行星的轨道扰动是观测误差。奇怪的地方出现了,实际轨道没有发生扰动,却根据错误的计算发现了一颗真实存在的行星。X 行星只是一种偶然吗?

随后的发现对这些问题给予了肯定的答复。自 1992 年起,陆续在冥王星周围发现了诸多相似的天体,显示冥王星其实是太阳系外围柯伊伯带的中的一颗普通星体。天文学家内部出现了分裂的声音,一部分人开始质疑冥王星的行星身份。而 2005 年发现的阋神星成为压倒骆驼的最后一根稻草,它的质量甚至比冥王星质量多出 27%,如此一来,它岂不也应该在行星序列中占有一席之地?

天文学家们终于坐不住了。

2006 年 8 月 24 日,在布拉格举行的第 26 届国际天文联会通过了第五号决议,正式将冥王星从太阳系行星行列除名,降级为矮行星。在被发现七十多年后,冥王星终于正式卸任了太阳系第九大行星的头衔,加入矮行星的大家庭。

这界会议还搬出了行星的新定义。新定义中,太阳系内的天体要成为行星必须满足以下的三个条件:1. 轨道环绕太阳 2. 有足够的质量能保持接近球体的形状;3. 能清除附近区域内的其它天体。如果一个不是卫星的天体只满足了前两个准则,就会被归为矮行星。

冥王星满足了前两条定义,却在第三条定义上面载了跟头。它的周围还有很多的兄弟姐妹:阋神星,鸟神星,谷神星和妊神星。它们一起被划入了矮行星的行列。

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图丨新视野号飞掠冥王星时拍摄的它的表面细节

谁是继任者?

冥王星的降级,并没有影响人们继续探寻新行星的热情。

太阳系的边缘其实热闹得很,这里遍布着由岩石和冰块组成的星体。这些位于海王星轨道外侧的星体数量众多,它们组成了著名的柯伊伯带,冥王星在其中只是再普通不过的星体。

柯伊伯带上的星体被分成了几大类,有的星体个头很小,容易受到附近大行星的引力扰动,海王星的引力就对它们影响很大。所以,在研究引力动力学的天文学家眼里,这些小物体被当作拥有质量的小点,用来追踪引力的变化。而它们的轨道也必然是受到大星体的引力作用的结果。实际上,有一大部分小星体的轨道与海王星的轨道发生了共振。

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但是,柯伊伯带中却还存在着一组运动十分独立的星体,它们的轨道大不相同。一些星体甚至塑绕太阳公转,另一些的轨道具有偏心率极高(很扁的椭圆),还有一些轨道平面上翘,与黄道面形成了显著的夹角。

要产生这样的效果,一个海王星是不够的,当然一个冥王星也远远不够。于是,Batygin 教授提出了一个假设,一定有其它大质量的星体也在某个地方暗暗发力,他把它叫作“第九行星(Planet Nine)”。这个假设听起来是不是有点耳熟,第九行星的登场和 X 行星如出一辙,引力摄动法在这里又发挥了作用。

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第九行星会不会步 X 行星的后尘,最后被证明并不存在,竹篮打水一场空呢?早在 2019 年 1 月 23 日,《天文学杂志》就发表了一篇论文,文中质疑了第九行星存在的可能性。研究人员认为,虽然这些跨海王星天体拥有不同寻常的椭圆轨道,可能是一颗行星所为,但是如果把第九行星从模型中移除,并允许大量小天体分布在应该广阔的太空区域,那么这些天体的共同引力也很容易就解释跨海王星天体的偏心轨道。

与此同时,来自英国剑桥大学和美国贝鲁特大学的研究人员模拟了跨海王星天体和大型外部行星的关系。他们认为在海王星轨道之外存在着多颗小天体构成的巨大圆盘状结构,这种结构,完全可以解释这些跨海王星天体的奇特集群轨道。

面对质疑,Batygin 教授也承认,的确还有另外一种可能:这些独立星体的轨道和它们形成的星簇只是一个偶然,天文学家仰望星空,而它们恰好在那里而已。但是他也强调,第九行星存在与否,还要靠全世界的天文台的共同努力,在搜寻结果出来之前,谁也不能下结论。

发现太阳系内的一个新行星,是古往今来天文学家们梦寐以求的至高荣誉,而历史上这个名额只有九个。无论谁发现第九行星,都将在天文学的荣誉殿堂中刻下自己的名字。

这边,Batygin 处心积虑用长论文广发英雄贴;另一边,天文学家们也端起了茶杯,调试好了望远镜,在镜头前蠢蠢欲动。一场无声的竞赛已经悄悄展开。

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