太陽系發現新的“第九大行星”？

編者按：

太陽系發現新行星是公眾很感興趣的話題，但這幾年都有類似成果聲稱太陽系可能存在未知行星，本文將對此進行客觀理性的全面分析。

由于柯伊柏帶天體運行軌道與預期不符，有天文學家提出，太陽系內柯依伯帶以遠的區域內可能存在未知的大行星。由于這些區域又冷又暗，未知行星反射的太陽光極為微弱，要通過觀測確證未知行星非常困難。但未知行星一旦確證，將改變太陽系的疆界，行星的定義可能又要重新修改，太陽系形成模型也要修改。深空探測將在發現大行星的過程中發揮關鍵作用。

公眾感興趣的話題

2016年1月20日，美國加州理工學院的邁克·布朗和康斯坦丁·巴特金在《天文物理期刊》發表他們的研究成果，宣布發現太陽系柯伊伯帶中6顆天體的運行軌道異常，這6顆天體雖然以不同速率運轉，但其運行軌道卻擁有相同的傾角，且朝向太陽的角度相近，而自然條件下碰巧出現這一情況的幾率只有1/14000（0.007%）。在排除其他可能性后，這兩位天文學家認為，造成這種現象的原因可能是一顆未知行星在背后默默地發揮引力影響。

據推測，這顆可能的“太陽系第九大行星”的質量約為冥王星的4500倍，地球質量的10倍，因此其引力將顯著影響位于柯依伯帶幾顆“矮行星”的運行軌道。

這顆未知行星沿“奇特的橢圓軌道”繞太陽運行，與太陽之間的平均距離約為320億千米，遠日點約為1600億千米，而冥王星和太陽之間的平均距離約為59億千米，遠日點約為74億千米。

這顆未知行星環繞太陽一周需時1至2萬年，而冥王星環繞太陽一周需要248年，海王星需要164.8年。

這顆未知行星可能為一顆巨型氣態行星。

根據2006年國際天文聯合會通過的決議，要成為太陽系的行星，需滿足三個條件：一是繞太陽運行；二是質量足夠大，才能以自身重力克服剛體力，呈現流體靜力平衡狀態的圓球體；三是能將鄰近軌道上的天體清除。

但是，這兩位天文學家也承認，目前還無法通過望遠鏡觀測到這顆未知行星，因為這顆未知行星距離太陽十分遙遠，行星表面反射的太陽光極其微弱，所以看起來就像黑屋子中的一顆煤球，極難發現。科學家們寄希望于2021年世界最大光學望遠鏡——大麥哲倫望遠鏡建成時，或許有可能觀測到這顆未知行星。

當然，這顆未知行星還只是一個預測，并沒有任何觀測證據的證實，科學家圈子里也還存在很多不一樣的聲音。雖然法國軌道動力學家亞歷桑德羅·摩比德利（Alessandro Morbidelli）表示“完全相信”存在這顆未知行星，美國宇航局首席科學家艾倫·斯托芬（Ellen Stofan）在接受BBC采訪時卻對這所謂的“第九大行星”表示懷疑，因為開普勒太空望遠鏡在太陽系外的恒星系統中找到了幾千顆類似超級地球的行星，但沒有一顆系外行星的大小介于地球和海王星之間。美國西南研究院的行星科學家Hal Levison認為：“在我的職業生涯看到過很多類似研究和說法，但事實證明都是錯誤的。”

由于未知行星的引力會影響柯依伯帶天體的運行軌道發生傾斜，如果未來觀測到該區域更多天體的運行軌道發生異常，存在這顆未知行星的結論會更有說服力。

柯伊伯帶的天體

柯伊伯帶（Kuiper belt）在海王星軌道之外，位于距離太陽約40～50個天文單位的黃道面附近，是一個小天體密集的圓盤狀中空區域。柯伊伯帶中最著名的天體是直徑約2300千米、現已被降級為矮行星的冥王星。在觀測到的柯伊柏帶天體中，直徑數百公里以上的至少有十幾顆，且這一數字仍在繼續增加。

柯伊伯帶的天體主要包括冰凍的小行星、彗星和矮行星。其中：

彗星主要由甲烷、氨和水等冰凍物質組成，也有石塊和塵埃。柯伊柏帶是短周期彗星的老家，著名的哈雷彗星就產于該帶；

柯依伯帶的小行星主要由巖石和金屬組成，其成分可能非常不同于火星和木星之間小行星帶中的小行星，有些小行星可能是彗星中的揮發物逃逸后形成的；

矮行星是直徑上千公里、成球體的行星，由于沒有足夠的小天體供其碰撞、吸積，成為一顆長不大的侏儒行星。在5顆矮行星（冥王星、鬩神星、谷神星、鳥神星、妊神星）中，冥王星仍然是柯伊伯帶最大的天體。

除此之外，一些巨行星的衛星，如海王星的衛星海衛一、土星的衛星土衛九，可能最早也起源于柯伊柏帶，后來受引力攝動才進入巨行星附近。柯伊伯帶的天體是太陽系演化的遺跡，記錄著太陽系形成之初的信息。

1992年，人類才艱難地首次觀測到除冥王星和冥衛一（卡戎，Charon）外的第一個柯伊伯帶天體——距離太陽46個天文單位、直徑250千米、軌道周期為289年的“1992 QB1”（小行星編號15760），開啟了發現柯伊柏帶系列天體的序幕。

實際上，“1992 QB1”是當年8月下旬觀測到的第27個柯伊柏帶天體。如今在柯伊柏帶觀測到的天體已經超過1000個。那時我們還不知道是否存在柯伊伯帶。而現在，深空探測器新視野號已經飛抵那里親臨探測。

柯伊伯帶并非太陽系的邊界，從太陽向外延伸兩光年之遠的奧爾特云才是太陽系的邊界，奧爾特云是長周期彗星的主要聚集地。除了火星和木星之間的小行星帶、柯伊柏帶和奧爾特云外，靠近柯伊柏帶、且偏離黃道面的一個區域，也離散分布著一些小天體，這些天體被稱為“離散柯伊伯帶天體”（scatteredKuiper belt object，SKBO）或黃道離散天體（scattered disc objects），這一區域被稱為離散盤，其中最知名的是距離地球90個天文單位的鬩神星（編號136199 Eris），直徑約為2300–2400公里，比冥王星還要大。

未知行星將導致柯依伯帶天體的軌道異常

2012年，位于里約熱內盧的巴西國家天文臺羅德尼·葛姆斯(Rodney Gomes)教授在美國天文學會議上報道了關于未知行星的研究結果。葛姆斯發現，柯伊柏帶約有6—7顆天體的軌道都顯得非常奇怪，其中包括非常有名的賽德娜(Sedna)，與現有的太陽系模型預測的正常軌道情況不同。雖然導致這些天體運行軌道異常可以有不同的原因，但最簡單、最直接的解釋就是太陽系中還存在一顆尚未被發現的未知行星。這顆行星的質量足夠大，其引力足以影響柯伊伯帶天體的運行軌道。

不管如何，如果真的存在這樣一顆未知行星，由于距離太陽非常遙遠，這顆天體可能非常暗弱。因此很難被望遠鏡發現，要想找到它將是一項挑戰。由于未知行星會對柯伊伯帶天體施加引力攝動影響，因此科學家們可以感受到它的存在。

由于不同距離的天體之間都會存在相互作用，因此需要考察盡可能多的天體，才能使得軌道計算更為精確。葛姆斯對92顆柯伊伯帶天體的軌道進行了分析，發現如果沒有一顆未知行星的擾動，這六顆天體的軌道將運行在一個近乎圓形的繞太陽公轉軌道；當假設有一顆未知行星擾動，這六顆天體才有可能運行在如此高偏心率的軌道上，即計算的軌道與實際觀測到的軌道吻合。

根據假設，這顆未知行星有兩種可能，一種可能是：大小與海王星相當，直徑大約為地球的4倍，距離太陽約2250億千米（1500個天文單位）。另一種可能是：大小與火星相當，直徑約為地球的一半，但運行軌道是極高偏心率的橢圓軌道，周期性地運行至距太陽約80億千米（53個天文單位），這同樣也可以影響柯伊柏帶天體的運行軌道。

葛姆斯猜測這顆未知的行星可能是被其原先所在的行星系踢出后，成為一顆流浪行星，又在隨后被太陽的引力俘獲而留下的外來者。或者，也有可能這顆想象中的行星形成于更加靠近太陽的位置，只是后來在與其它太陽系大行星的引力作用下被拋出到了現在的外緣位置。

由于未知行星的一切都是未知的，這顆行星在什么位置，它的運行軌道是圓形還是橢圓形的？軌道偏心率是多少？質量和體積是多大？這些都是假設的，所以這種軌道計算存在很大的不確定性。葛姆斯的計算結果并未能為天文學家搜尋這顆未知行星提供任何位置信息，他說：“它可能在任何位置上。”

未知行星嚴重缺乏證據

盡管對太陽系未知行星的說法感到很有意思，但大多數天文學家都對此想法持有謹慎態度，他們認為需要更多證據，才會接受太陽系中再次出現第九顆大行星的想法。

羅尼·巴內斯(RoryBarnes)是美國華盛頓大學的天文學家，他說：“很顯然，在太陽系中找到另一顆大行星是一件大事，但是我并不認為他已經給出了任何可以證明真的存在這樣一顆天體的證據。”相反，他指出，葛姆斯是“給出了一種方法來確定這樣一顆行星究竟將如何對我們太陽系外緣區域產生影響。因此目前缺乏證據。我想其中最重要的一點在于他為我們指出了一條道路去發現這樣的證據。”

道格拉斯·漢密爾頓(DouglasHamilton)來自美國馬里蘭大學，他也同意這樣的看法，那就是葛姆斯的計算結果還遠遠不能算是確定性的。他說：“他所做的概率性計算結果只能是說明這一情形存在的可能性稍大一些。他并沒有給出確鑿的證據。”

還有海爾·列維森(HalLevison)，他是美國宇航局西南研究所的研究員，他說他不知道該如何理解葛姆斯的發現。列維森說：“我感到很驚訝，我不能理解一顆像海王星那樣大小的天體如何會造成像他(葛姆斯)所觀察到的那種影響。”不過他也表示：“我認識羅德尼，我確信他一定是經過了精心計算的。”

未知行星不是一顆，而是至少兩顆？

在冥王星以遠的太陽系空間，可能至少隱藏著兩顆未知行星，其引力影響了海王星外已知天體的軌道。這一結論是西班牙馬德里康普頓斯大學和英國劍橋大學的科學家，通過數學計算而得出的。如果得到證實，這個假說可能會顛覆太陽系的模型。

在過去數十年內，天文學家一直對太陽系中是否存在未被發現的未知行星爭議不斷。按照最近所作的計算，想要解釋已知的那些極端海王星外天體（ETNO）的軌道，太陽系里就必須存在不止一顆、至少兩顆未知行星。

目前被廣泛接受的太陽系理論認為，海王星軌道以外穿行的這些天體，軌道分布應該是隨機的。再加上某種觀測偏差，它們的軌道必須滿足一系列特征：軌道半長軸接近150天文單位（1天文單位相當于地球到太陽的平均距離），軌道傾角幾乎為0°，近日點輻角也要接近0°或者180°。

但已發現的十多顆極端海外天體的實際情況卻很不相同：它們的軌道半長軸相差極大（介于150天文單位和525天文單位之間），軌道傾角的平均值約為20°，近日點輻角則是–31°，沒有任何一個天體接近180°。

這項研究的合作者、馬德里康普頓斯大學的科學家卡洛斯·德拉富恩特·馬科斯（Carlos de la Fuente Marcos）解釋說，“這些天體的軌道參數出人意料，讓我們相信有某種不可見的力量在改變這些ETNO天體的軌道參數。最有可能的解釋是在海王星和冥王星以外還有其他未知的行星。”

馬科斯認為：“考慮到我們掌握的數據非常有限，未知行星的具體數目現在還未知，但我們的計算暗示，在太陽系疆域內至少還有兩顆未發現的行星，甚至更多。”

為了從事這項研究，科學家分析了一種被稱為“古在機制”（Kozai mechanism）的效應，即一個較大天體施加的引力擾動，會對另一個小得多的遙遠天體的軌道施加影響。作為參考，他們以96P彗星梅克賀茲一號（96P/Machholz1）為例，分析了木星的引力如何通過古在機制影響它的軌道。

盡管這些科學家得出的結論讓人吃驚，研究者也意識到，他們的數據要面對兩個問題。一方面，他們的結論與當前太陽系形成模型的預言相悖。太陽系形成模型宣稱，在海王星軌道以外沒有任何其他行星沿圓形軌道環繞太陽旋轉。

然而，最近阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波陣（ALMA）射電望遠鏡已經在金牛座HL星周圍超過100天文單位的地方發現了有行星正在其中形成的物質盤。這顆恒星比太陽更年輕，質量也更大。這一發現暗示，行星可以在距離恒星系統的中心上百天文單位以外的地方形成。

另一方面，研究團隊承認，他們的分析所依據的樣本天體數量太少（確切地說，只有13個），但他們指出，未來數月，會有更多結果陸續發表，樣本數量也會更多。德拉富恩特·馬科斯說，“如果得到證據，我們的結果可能會是天文學中一場真正的革命。”

2015年，美國雙子星天文臺和卡內基學會的研究人員在太陽系內發現了一顆“塞德娜式”的天體——2012 VP113。據估算，這顆天體的直徑約為450千米，與太陽的最近距離約為80個天文單位。兩位發現者推測，這顆天體的軌道可能受到一顆又黑又冷的超級地球的影響，其大小約為地球的10倍。

不管怎樣，在天文望遠鏡觀測證實之前，太陽系存在未知行星一切還只能是推測。

（出品：科普中國；制作：中國科學院國家天文臺鄭永春；監制：中國科學院計算機網絡信息中心；“科普中國”是中國科協攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌。轉載請注明“來源：科普中國”。）

發表于 2016-01-22 00:00
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