@ 2016.01.21 , 16:20

太阳系再次拥有九大行星

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艺术家设想的“第九大行星”背对太阳的场景。这颗行星被认为是气态行星。(Caltech/R. Hurt)

加州理工学院(Caltech)的研究者们发现了新的证据,表明一颗巨大的行星正沿着一条离奇的轨道围绕太阳运动。该天体,被研究人员们暂称为“Planet X”或“Planet Nine”,质量约为地球10倍,需要1万~2万年才能绕太阳公转一周。

研究者Konstantin Batygin和Mike Brown通过数学模型和电脑模拟推测出这颗行星的存在,但从未直接观测到过这个天体。

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Mike Brown(左)和Konstantin Batygin (Lance Hayashida/Caltech)

Brown被称为“冥王星杀手”(Pluto Killer),他在过去发现了许多天体,一手导致冥王星被降级为矮行星。他说:“对冥王星被降级感到不爽的人应该感到高兴了。我们终于知道那里有一颗真正的行星等待我们去证实。太阳系终于又可以有九大行星了。”

“如果你说‘我们有了Planet X的证据’,那包括我在内的天文学家都会说‘又来了,这些人疯了。’,但这次不同,因为我们是正确的。”Brown表示,“这是真的第九大行星。现代人只发现过两颗真正的行星,这将是第三颗。太阳系内还有很多未知等待我们去探索,真是激动人心。”

Brown指出,这个天体的质量是冥王星的5000倍,所以必定是真正的行星。与其它矮行星不同,“Planet X”占据了太阳系这个区域的引力。它的存在让研究者们得以解释柯伊伯带天体的离奇特性。

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海王星在1846年被发现之前,就有人通过天王星的轨道推测出它的存在。170年来,人类首次意识到自己对太阳系行星的认识是不完整的。

2014年,Chad Trujillo和Scott Shepherd发表了一篇论文,指出柯伊伯带最遥远的13颗天体都具有相似的费解的轨道特征。Brown和Batygin加入了他们的研究。

他们意识到这些天体中最远的6颗的椭圆轨道,在三维空间上都处于同一方向。“就像一个钟表上,有着六枚指针。你查看的时候发现,它们都重合在一起。”除此之外,这些天体还都在以相同的方式倾斜——与八大行星相比,往下指30度。这种巧合随机出现的可能性只有0.007%。这么一来,凭借着统计学上3.8 sigma的显著性差异,几乎可以完全肯定“Planet X”的存在。

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许多柯伊伯带天体有着离奇的轨道。(Caltech/R. Hurt)

他们首先考虑了该影响是否来自尚未发现的柯伊伯带天体。但计算后排除了这种假设,因为其需要柯伊伯带的总质量要比如今认定的高100倍。后来他们模拟了一个巨大的行星处在这些轨道对面的模型。并加入了平均运动谐振(mean-motion resonance)等轨道机制,发现这样巨大行星存在不仅合理,还可以保持柯伊伯带天体的轨道,避免它们相互碰撞。

“Planet X”每公转4圈,一个遥远的柯伊伯带天体可能已经公转了9圈。它们永远也不会相撞。而且当两个天体靠近的时候,它们互相之间将进行能量交换。像父母反复推着孩子的秋千,保持秋千的周期性运动一样,“Planet X”维护了这些柯伊伯带天体的轨道性质。

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第九大行星的存在能很好地解释这一现象。(Caltech/R. Hurt)

时年27岁的Batygin在一开始还是持着怀疑态度,因为在天体力学上没人发现过这样的案例。但渐渐地,这种假设帮助天文学家们解决了很多问题。

与普通的柯伊伯带天体不同,天体“塞德娜”(Sedna)和天体“2012 VP113”没有受到海王星引力足够的影响。“Planet X”的存在能使这些天体远离海王星,很好地解释这一现象。模拟还预测了轨道与行星轨道平面具有垂直倾角的柯伊伯带天体。在过去3年里,天文学家观测到了4颗带有这样轨道的天体,并且都与该模拟计算吻合。

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5颗已知天体(蓝色)符合模拟出的垂直倾角轨道。(Caltech/R. Hurt)

“Planet X”是如何形成的,又是如何跑到那么遥远的地方去的?科学家们一直相信,太阳系诞生之初,有四大不断吸收周围的气体的行星核心(planetary cores)。这些行星核心演变成了四大气态行星——木星、土星、天王星、海王星。随着时间的推移,这些天体相互之间不断的碰撞和弹射创造出了现有轨道上的行星。

Brown认为,一开始完全可能存在第五大行星核心。“Planet X”就是那第五大核心。45亿年前,当它恰好与木星或土星靠得太近的时候,就可能被抛射到那里,被气体减速后停留在遥远的偏心轨道上。

这颗行星的存在还使得太阳系在浩翰宇宙里显得没那么特殊。第一,大部分已知地外行星的质量为地球的1~10倍。在太阳系中并没有其它这样的行星。金星质量为地球0.8倍,天王星质量为地球的15倍,海王星质量为地球17倍。而“Planet X”质量为地球10倍,正处于这一范围,补充了太阳系的空缺。

第二,在目前天文学家所发现的地外行星系统中,大部分的轨道范围都非常宽——有行星离恒星特别近,有的离得特别远。“Planet X”的轨道则在600~1200天文单位之间,比柯伊伯带(30天文单位以外)还要遥远的多,甚至离开了太阳圈。(日球顶层为121天文单位,旅行者1号距离我们134天文单位。)

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日本的Subaru望远镜有着8.2米口径,可以用来发现第九大行星。(Subaru Telescope, NAOJ)

目前研究者们只知道这颗行星的大致轨道,不清楚具□□置。Brown希望越来越多的人能受到激励,开始寻找它。“Planet X”很难被发现:红外线望远镜探测不到这颗几乎不散发热量的行星,传统望远镜也无法观测到那么黑暗的天体。如果动用世界上最大的天文望远镜——日本国立天文台在夏威夷建造的Subaru天文望远镜——我们或许能在未来15年内发现它。

[zzjeff via Phys.org & Science]


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