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美國加州理工學(xué)院的學(xué)者發(fā)現(xiàn),，外太陽系可能存在著一個(gè)軌道狹長奇特的巨行星,。學(xué)者們稱其為“行星九號”，它的質(zhì)量大約是地球的10倍,，軌道半徑平均值超過海王星的20倍（海王星軌道半徑的平均值大約是28億英里）,。這個(gè)行星每1萬至2萬年才能完成一次公轉(zhuǎn)。
這幅藝術(shù)渲染圖從背面描繪了這顆遙遠(yuǎn)的“行星九號”,。據(jù)信這顆行星是氣體巨行星,，與天王星和海王星類似。Caltech / R. Hurt Konstantin Batygin和Mike Brown兩位學(xué)者,，通過數(shù)學(xué)模型演算獲得了這顆行星存在的證據(jù),，但尚未直接觀察到它。 “這是一顆行星,，”行星天文學(xué)教授Brown這樣說,。“古代之后,，人類只發(fā)現(xiàn)過兩顆貨真價(jià)實(shí)的行星,，而這可能是第三顆。外太陽系是一個(gè)我們知之甚少的疆域,，那里存在著許多令人興奮的新事物,?！?/span> 根據(jù)Brown的推斷，這顆行星的質(zhì)量是冥王星的5000倍,，它的體積相當(dāng)大,，因此毫無疑問是一顆行星。和身形較小的矮行星不同,，“行星九號”的引力統(tǒng)治著它周圍的一切,。實(shí)際上，它的所轄范圍比其它一切已知行星都要大,。 Batygin和Brown在《天文學(xué)期刊》上撰文闡述了這顆行星和海王星軌道外的冰雪地帶——柯伊伯帶身上諸多謎團(tuán)間的聯(lián)系,。 Batygin（右）和Brown（左）。Lance Hayashida / Caltech “起初對于這顆行星是否存在的構(gòu)想是頗具推測性的,，但隨著對其軌道和外太陽系天體間關(guān)系的進(jìn)一步調(diào)研,，我們越來越能肯定它的存在?！毙行强茖W(xué)助理教授Batygin這樣說,。“150年以來,，我們第一次有了堅(jiān)實(shí)的證據(jù),，表明人類對太陽系行星數(shù)量的調(diào)查是不完備的?！?/span> 通往這一發(fā)現(xiàn)的路途并不順利,。2014年，Brown的博士后Chad Trujillo和另一位同事Scott Sheppard發(fā)表了一篇論文,，指出柯伊伯帶內(nèi)13個(gè)最為遙遠(yuǎn)的天體似乎共同遵遁著一個(gè)不怎么顯著的特點(diǎn),。為了解釋這種相似性，他們認(rèn)為那里可能存在著一個(gè)小型行星,。Brown并不認(rèn)可這個(gè)觀點(diǎn),，但卻被這一想法激起了興趣。 他帶著疑問來找Batygin,，兩個(gè)人用了一年半的時(shí)間,，合作調(diào)查了這些遙遠(yuǎn)的天體。一位觀察家,，一位理論家,，兩位學(xué)者從不同的角度進(jìn)行突破。Brown善于仰望天空,，尋找那些可以被發(fā)現(xiàn)的東西,；而Batygin把自己投入到動力學(xué)中，從物理學(xué)的立場來思考可能存在的機(jī)制。這種差異讓學(xué)者們的觀點(diǎn)撞出了火花,，獲得了新的思路,。“我通常會帶來一些觀測方面的建議,；而他總是從理論的角度提出觀點(diǎn),。然后我們互相推進(jìn)，”Brown說,?！斑@一兩年，可能是我從事太陽系研究工作以來最有意思的一段時(shí)期,?！?/span> 不久后，兩位學(xué)者就意識到,，Trujillo和Sheppard提到的那些最為遙遠(yuǎn)的柯伊伯帶天體中,，有6個(gè)天體的橢圓型軌道指向了空間的相同一側(cè)。這是一個(gè)非常令人吃驚的發(fā)現(xiàn),，因?yàn)樗鼈儥E圓形軌道的外側(cè)頂點(diǎn)會圍繞太陽系移動,，且速度是各不相同的。
“也就是說它們就像時(shí)鐘上的六根針,，在以不同的速度運(yùn)行。但是每當(dāng)我們抬頭觀看,，都保持著相同的布局,。”Brown說,。產(chǎn)生這種布局的概率大約是百分之一,。但是這六個(gè)天體的軌道面，都與已知8大行星的軌道面在同一方向上呈大約30度的夾角,。發(fā)生這種情況的概率只有大約0.007%,。“從根本上說,，這種布局不可能是隨機(jī)的,，”Brown說。“因此我們認(rèn)定有什么因素,，迫使它們維持著這樣的軌道布局,。” 第一種可能性是,，遙遠(yuǎn)的柯伊伯帶天體足夠多——一部分尚未發(fā)現(xiàn)——在它們引力的共同作用下,，這些天體的軌道維持著這樣的布局。但這種可能性很快就被排除,，因?yàn)槿绻@種假設(shè)為真,，那么柯伊伯帶的總質(zhì)量必須是當(dāng)前已知質(zhì)量的大約100倍。 剩下的就是行星的可能了,。他們先是憑直覺運(yùn)行了一個(gè)計(jì)算機(jī)模擬,，模擬在6倍于柯伊伯帶軌道半徑處是否存在行星，這顆行星的引力可以像套索一樣,，把這些前面那些天體的軌道布局成現(xiàn)在這個(gè)樣子,。Batygin說，這種方法幾乎可行,，但是不能與觀測所得的偏心率精確相符,。“差不多行得通了,，”他是這么說的,。 然后，完全是個(gè)巧合,，Batygin和Brown發(fā)現(xiàn),，如果他們在與這些軌道指向相反的方向上模擬一顆大質(zhì)量行星——一顆軌道近日點(diǎn)位于所有其它小天體及已知行星近日點(diǎn)相反方向180度處的行星——柯伊伯帶中那些遙遠(yuǎn)的天體在模擬中獲得的軌道排列結(jié)果，就能夠和觀測結(jié)果相吻合,。 “人們很自然的反應(yīng)就是,，‘這樣的軌道幾何結(jié)構(gòu)肯定是不對的，它不可能保持長期穩(wěn)定,，因?yàn)樾行呛推渌祗w會相遇,、相撞，’”Batygin說,。但是通過一種名為“平均運(yùn)動共振（mean-motion resonance）”的機(jī)制,，就能夠讓這第九顆行星保持這樣的反向排列，同時(shí)使柯伊伯帶內(nèi)的天體避免相撞,，并保持現(xiàn)有布局,。這是因?yàn)椋谲壍郎线\(yùn)行的天體靠近時(shí)會交換能量,。舉例來說,，就是“行星九號”每完成4次公轉(zhuǎn),，柯伊伯帶內(nèi)的天體剛好完成9次公轉(zhuǎn)。這樣它們就不會相撞,。而且,，“行星九號”還會向外推動柯伊伯帶天體的軌道，修正它們的布局,，使彼此間的關(guān)系得以維持,。 “我當(dāng)時(shí)仍然十分懷疑，”Batygin說,?！拔覐奈匆娺^這樣的天體運(yùn)行機(jī)制?！?/span> 但是慢慢地,，對其它一些特點(diǎn)以及理論模型推論的研究，讓他們的信心越來越強(qiáng),?！耙粋€(gè)好的理論不但要能夠解釋你要它解釋的現(xiàn)象，還應(yīng)該能夠解釋你并未要求它解釋的現(xiàn)象,，而且作出能夠加以檢驗(yàn)的預(yù)測,，”Batygin說。 “行星九號”的存在不僅僅是有助于解釋遙遠(yuǎn)柯伊伯帶中的天體排列,。它還解釋了這些天體其中兩個(gè)身上的謎團(tuán),。第一個(gè)就是“塞德娜”。它是Brown于2003年發(fā)現(xiàn)的,。一般的柯伊伯帶天體都是被海王星的引力“踢”出去的,，但不久后又會返回海王星附近。但“塞德娜”從未靠近過海王星,。第二個(gè)和“塞德娜”非常相似,，名為2012 VP113，是由Trujillo和Sheppard在2014年公布的,。Batygin和Brown發(fā)現(xiàn),，如果有“行星九號”的存在，它的引力就會自然而然地將許多標(biāo)準(zhǔn)的柯伊伯帶天體,，緩慢地推向與海王星引力關(guān)系較弱的軌道，產(chǎn)生“塞德娜”這樣的天體,。
學(xué)者們面臨的真正挑戰(zhàn)是,，計(jì)算機(jī)模擬顯示,，在柯伊伯帶內(nèi)存在著軌道面與原有行星軌道面幾乎垂直的天體。Batygin不斷地在模擬中尋找證據(jù),，然后把它們帶到了Brown跟前,。“突然,，我意識到確實(shí)存在著這樣的天體,，”Brown回憶道。過去三年間,，觀測者發(fā)現(xiàn)有多個(gè)天體的軌道面與海王星的軌道面幾乎呈直角,。“我們把這些天體的位置和軌道標(biāo)注了出來,，它們和模擬的結(jié)果完全吻合,，”Brown說?！爱?dāng)我發(fā)現(xiàn)它們時(shí),，我的下巴都快掉了?！?/span> “模擬結(jié)果與柯伊伯帶天體的排列情況相符,，又能導(dǎo)致‘塞德娜’這樣的天體產(chǎn)生，對此我們已經(jīng)覺得非常不可思議——這簡直是‘一石二鳥’,，”Batygin說,。“但當(dāng)‘行星九號’的存在又能解釋那些近乎垂直的軌道時(shí),，就意味著你不但用一塊石頭打中了兩只鳥,，你還碰巧打下了另一只你并不知道它存在的鳥?！?/span> “行星九號”從何而來,？它為何又會在外太陽系孤獨(dú)地徘徊？科學(xué)家長久以來都相信,，早期太陽系產(chǎn)生時(shí),，擁有四個(gè)行星核心，它們都在不停地俘獲四周的氣體,，進(jìn)而產(chǎn)生了四個(gè)氣體巨行星——木星,、土星、天王星和海王星,。隨著時(shí)間的推移,，行星間的沖突和彈射作用重塑了它們之間的關(guān)系,，并最終在當(dāng)前的位置上穩(wěn)定下來?！暗菦]有理由一定不存在第五個(gè)核心,，”Brown說?！靶行蔷盘枴笨赡芫褪悄堑谖鍌€(gè)核心,，假如它離木星或土星太近，就有可能被引力拋到這樣既遙遠(yuǎn)又古怪的軌道上,。 Batygin和Brown仍在進(jìn)行模擬,，以求獲知與這個(gè)行星軌道有關(guān)的信息，以及它對太陽系遠(yuǎn)方的影響,。與此同時(shí),，Brown和同事們開始在天空中搜尋“行星九號”。但是目前我們只知道它的大致軌道,，而不是精確位置,。如果它剛好在近日點(diǎn)附近，Brown說,，天文學(xué)家可能已經(jīng)在之前的幾次巡天中獲取了它的影像數(shù)據(jù),。但是如果它在軌道的最遠(yuǎn)處，就需要動用全球最大的望遠(yuǎn)鏡——比如凱克天文臺的雙子10米望遠(yuǎn)鏡和昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡來尋找,。如果它現(xiàn)在位于這兩點(diǎn)之間,，那么許多望遠(yuǎn)鏡應(yīng)該都有能力找到它。 “我非常樂意去找它,，”Brown說,。“但是如果別人找到了它,，也是一件非常令人愉快的事,。這就是我們發(fā)表論文的目的。我們希望激發(fā)起大家的興趣,，一起來尋找,。” 把這件事放在理解整個(gè)宇宙的角度上來看,，也有多方面的意義,。這第九顆行星是如此古怪，但與此同時(shí)也讓我們的太陽系與宇宙中的其它行星系統(tǒng)有了更多的相似性,。首先,，大部分系外行星并不是在單一的軌道范疇內(nèi)運(yùn)行——部分行星和恒星非常靠近,，部分的軌道又極其遙遠(yuǎn),。其次，大部分常見系外行星的質(zhì)量范圍在1倍至10倍于地球之間,。 “在這些發(fā)現(xiàn)中,，最突出的一點(diǎn)是，大部分行星的質(zhì)量介于地球和海王星之間,，”Batygin說,。“在此之前,，我們還以為太陽系缺乏此類行星?，F(xiàn)在看來，我們并不特殊,?！?/span> Brown在冥王星降級事件中起過重要作用，他說,，“所有為冥王星失去行星頭銜而瘋狂的人理應(yīng)興奮,，因?yàn)楝F(xiàn)在有一顆貨真價(jià)實(shí)的行星在等著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。行動起來吧,，找到它,，讓太陽系重獲第九大行星！”
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