太阳系隐匿着第9颗行星?

Shea编译

随着近期在冥王星轨道之外存在一颗冰质巨行星的证据浮出水面,天文学家们正在使用各式各样的望远镜来追查它的下落。

可怜的冥王星。曾经被冠以“第9颗行星”,而现在距离其被逐出行星之列并降级为矮行星已经过了十年。这一切都始于2005年天文学家发现了阋神星,它目前也是一颗矮行星。那时,阋神星到太阳的距离比冥王星的更为遥远,因此被认为它的直径会更大。这直接导致了一场有关行星定义的激烈辩论——如果冥王星是行星,那么阋神星也必定要归为此类。因此,2006年8月冥王星从行星行列中除名,成为了新一类天体的旗手。

雪上加霜的是,现在看来行星俱乐部也许确有第9名成员,但它并非是冥王星。在太阳系遥远的边缘地带,那里天体之间的奇特相关性暗示有一颗隐匿行星的存在,它或许是真正的第9颗行星。

最早的线索出现在2012年,当时美国卡内基科学研究所的天文学家斯科特·谢泼德(Scott Sheppard)在太阳系外围发现了一个新天体,其正式的名称为2012 VP113,它的轨道比冥王星的要远得多。到2014年,经过长时间对其轨道的跟踪,谢泼德注意到它的轨道与太阳系中另一个遥远天体塞德娜的有着让人无法相信的相似性。它们抵达各自近日点的角度似乎是相同的。根据预期,这些低温天体的轨道应该是随机分布的,于是这一相关性令人生疑。一定有什么东西把它们驱赶到了这些类似的轨道上。

更重要的是,无论是什么在一开始把它们赶到了一起,它必定仍在这样做,否则这些天体的轨道会随着时间再次随机分布。谢泼德提出,唯一合理的解释是,还有另外一颗行星。这颗至今尚未被发现行星的引力正在看护着塞德娜和2012 VP113的轨道。为了做到这一点,它的质量必须要在地球的10~15倍之间,属于一颗迷你海王星。

太阳系外围多个小天体轨道之间存在着奇特相关性——它们各自抵达近日点的角度似乎是相同的,这让天文学家怀疑存在着第9颗行星。版权:Caltech/R. Hurt (IPAC)。

但是,只有两个研究对象是很难得出具体结论的,天文学家需要更多的遥远天体。2016年初,有4颗海王星外天体加入到了这一行列中。那时,存在第9颗行星的消息开始成为世界各地的头条新闻。这些新加入的天体也有着与赛德娜和2012 VP113同样惊人相似的轨道。根据阋神星的发现者、有着“冥王星杀手”称号的天文学家迈克·布朗(Mike Brown)的分析,这些共同特征纯属巧合的概率只有0.007%。

这并非是天文学家第一次通过观测发生在其他天体身上的效应进而发现一颗新的行星。海王星就是这样于1846年被发现的。天文学家注意到天王星的轨道存在异常,并正确地认为这是由一颗更遥远行星的引力所造成的。当望远镜指向这第8颗行星预计所在的天区时,很快就发现了海王星。

然而,追踪第9颗行星却并不那么容易——要搜索的天区面积非常大,原因就在于该天体的轨道距离太阳极其遥远。据估计,它需要1~2万年才能绕太阳公转一周。它到太阳的平均距离被认为是地球的约700倍,或比冥王星还远约20倍。如果我们要看到它,阳光必须要先一路跋涉到那里,然后在沿路返回。由于光强会距离增加而衰减,第9颗行星看上去将会极其的暗弱。这同时还取决于其表面的成分,而它还很有可能是深黑色的。

如果天文学家能够确定其所在的大致区域,那将会是极有帮助的。在太阳系中,天文学家倾向于使用“天文单位”来度量距离,1个天文单位相当于地球到太阳的距离。具有一条大椭圆轨道,第9颗行星的近日点预计为200个天文单位,而其远日点距离则为这个数字的6倍。

幸运的是,研究工作已经开始缩小搜索范围。谢泼德说:“它现在必定在约500个天文单位之外。”这个数字是由环绕土星的卡西尼探测器的数据所得出的。已经环绕土星运转了10多年,如果第9颗行星目前正位于其近日点的话,科学家们应该会发现它对卡西尼探测器所施加的引力效应。这是整个拼图中一个非常宝贵的一块。

太阳系第9颗行星的艺术概念图,其右上方的白色椭圆形为海王星绕太阳的轨道。版权:Tomruen/nagualdesign。

对于天空中需要进行仔细排查的区域,根据“卡西尼”的数据可以排除掉某些天区,缩小搜索的范围,这可以提升找到这颗的行星几率。对于已经在围绕木星的朱诺探测任务,也将进行类似的测量。

假定它处于从500个天文单位到它的远日点之间,谢泼德认为发现它需要把当前的技术发挥到极限。然而,他有信心,我们会在“未来几年”中找到它。迈克·布朗正忙着使用夏威夷的昴星望远镜来搜寻第9颗行星。如果到下一个十年初这些搜寻仍未取得成功,那么目前正在智利建造的大口径全天巡视望远镜(LSST)很可能会改变这一切。有着一面8米多宽的主镜和一架32亿像素的照相机,它有能力会在其运转的一年之内发现第9颗行星。该望远镜所拍摄的一张照片就能覆盖相当于40个满月的天区。

发现它将并不仅仅意味着教科书要再次修改。它还会使得我们能够更好地认识太阳系的形成。目前最好的太阳系形成理论是尼斯模型,以提出它的天文学家所在的法国城市而得名。它的基本观点是,巨行星在最终安定到目前的轨道之前,它们会在太阳系早期运动迁移。问题是,当计算机模拟一开始只有4颗巨行星的情况时,它们并不能总是给出今天我们所看到的太阳系。

作为尝试,天文学家想知道,如果再添加一颗巨行星会发生什么情况。当他们进行有5颗巨行星的数值模拟时,结果往往能与今天的太阳系相符。唯一麻烦的是,迄今我们并没有在太阳系中看到第5颗巨行星。也许现在我们可以了。第9颗行星也许是一颗从内太阳系被抛射出去的巨行星的核心。所以,找到这一来自从太阳系动荡幼年期的遗存将会有助于加深对行星形成的认识。

正在智利建造的大口径全天巡视望远镜将使用一面视场达9.6平方度的特殊设计主镜。这使得它可以在3天内对整个可见的夜空扫视一遍,也让它成为了搜寻第9颗行星的利器。版权:LSST Corporation/NOAO。

不过,需要提醒的是,这绝非是天文学家第一次预言在太阳系中还有一颗新的行星存在,而这些预言随着时间最终都烟消云散了。为了解释水星轨道的异常,曾一度被认为在水星和太阳之间存在着一颗行星,被称为“祝融”。然而,此后爱因斯坦的理论正确地解释了这一现象,水星轨道中的异常是由太阳对其周围时空弯曲所致。

20世纪80年代,美国天文学家罗伯特·哈林顿(Robert Harrington)提出存在“X行星”,用以解释天王星和海王星的轨道特性。但是,当“旅行者”探测器飞掠这两颗行星对其质量进行了精确测量之后,引入“X行星”就完全不必要了。

对于第9颗行星的搜寻其实恰恰说明,我们的太阳系还有很多东西有待探索,总有新的事物有待被发现。这个领域即将发生一场革命。例如,在过去几年中,天文学家在海王星和冥王星周围发现了新的卫星,另外新视野探测器也成功飞掠了冥王星。“新视野”会进一步深入柯伊伯带,在2019年1月抵达柯伊伯带天体2014 MU69。

随着盖在太阳系冰冷外缘上的帷幕逐渐被拉开,天文学家无疑会做出更多新的发现。兴许我们将有机会发现一颗新的行星,让行星的数目重回9颗。如果真的出现这一情况,那冥王星实在太“可怜”了。

来源:songshuhui.net

标签:太阳

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