真有第九大行星？太阳系或迎来新成员
太阳系第九颗行星艺术概念图。
6颗柯伊伯带天体与可能存在的第九颗行星轨道示意图。
新闻背景
国际著名杂志《科学》与《自然》在进行2017年科学展望时，都把寻找太阳系第九大行星列入其中。那么，这个问题是如何提出的？天文学家们又为此付出了怎样的努力？
2016年对于太阳系来说是继“冥王星降级”后又一个行星纷争的年份，刚好在10年前的2006年，全世界的天文学家齐聚布拉格召开国际天文学联合会大会，以投票的方式重新定义冥王星为矮行星。导致这一重大事件的直接原因之一，就是美国加州理工大学的麦克·布朗发现了比冥王星质量更大的阋神星。因此至今仍有很多人视布朗为“冥王星杀手”。再看看2016年1月布朗个人推特上的一条十分有趣的留言——“好吧好吧，现在我乐意承认：我坚信太阳系有九大行星。”这究竟是怎么回事呢？
一篇“惊世骇俗”的论文
2016年1月20日的《天文学杂志》上刊登了一篇“惊世骇俗”的论文，作者是美国加州理工大学的麦克·布朗和康斯坦丁·巴蒂金。他们根据6颗轨道怪异的柯伊伯带天体（太阳系内位于海王星轨道外，距离太阳约30到50个天文单位的小天体）数据，用计算机数值模拟的方法得出结论：太阳系很可能存在第九颗行星，其质量约为地球的10倍，与太阳的平均距离大约是海王星的20倍，轨道是非常扁的椭圆，而且近日点（行星轨道上与太阳距离最近的位置）与其他行星相对，完成一整圈绕日公转约需要1万年到2万年的时间。
布朗这样描述6颗轨道奇特的柯伊伯带天体：想象一个有6枚指针的表盘，每枚指针的运动速度都不同，但在某一刻你看表盘时，惊讶地发现6枚指针都指向同一个方向。论文的作者认为，一颗尚待发现确认的行星，刚好能够解释这些柯伊伯带天体的奇特轨道。
布朗和巴蒂金的论文发表后，引来了极大的关注，但也引来了不同的意见。西班牙的卡洛斯兄弟和英国剑桥大学的斯威尔·阿塞思提出，如果第九颗行星的质量和轨道如布朗和巴蒂金所言，那么反推它对6颗柯伊伯带天体的引力影响，就会发现这6个天体的轨道都是不稳定的，在短于15亿年的时间里，它们全部都可能离开太阳系。因此在这个西班牙-英国团队看来，最有可能的情况是太阳系外围存在不只一颗行星，而是有多颗，这样才能让奇特的柯伊伯带天体轨道保持稳定。
需要至少三年才可能找到它？
布朗和巴蒂金分析的6颗柯伊伯带天体中有一颗特别引人注意，它的编号为2012VP113，是美国卡耐基研究所的斯考特·谢帕德和双子天文台的查得威客·特鲁吉罗共同发现的已知距离最远的太阳系内天体。
作为寻找第九颗行星强有力的竞争团队，谢帕德和特鲁吉罗团队利用位于智利和美国夏威夷的超大型望远镜，已经搜索了大约全天10%的区域，但仍未找到第九颗行星的蛛丝马迹，因为目前的数据只能给出这颗可能存在行星的大致轨道，如果正好位于近日点，那么它的亮度有可能被地面望远镜探测到，如果运气不好，这颗可能存在的行星刚好位于远日点附近，那么只有世界上最大口径的几台望远镜才有机会捕捉到它的光亮。需要搜寻的天区面积实在是太大了，布朗和巴蒂金的乐观估计也需要至少三年时间才有可能找到它。
莫衷一是的争论
天文学家们大都认为，搜寻证认第九颗行星将会是漫长的等待。就在布朗和巴蒂金宣布第九颗行星可能存在后一个月，大西洋彼岸的法国传来喜讯。巴黎天文台的艾格尼丝·费恩加和雅库思·拉斯卡团队在《天文学和天体物理学快报》上发表论文，宣称他们利用最高精度计算太阳系行星运动的INPOP程序，比对了卡西尼探测器自2004年进入土星观测轨道后的数据，发现如果在数值模型中引入第九颗行星，能够解释数据与理论计算值的部分偏差，特别是通过这种数据比对，该小组可以限定出第九颗行星不可能存在的天区，甚至给出了第九颗行星存在的最可能方向。换句话说，虽然第九颗行星是否真的存在只能由直接的观测来证实，但法国天文学家的结论能够将行星可能存在的天区范围缩小一半，这对于搜寻观测来说真是事半功倍！
然而，美国喷气实验室负责卡西尼探测器项目的威廉姆·福克纳随即发表声明，认为从2004年到2016年的卡西尼探测器轨道数据全部都能用现有数学模型解释，不存在“无法解释”的理论数值与观测数据的偏离。如果真的存在第九颗行星，那么它的引力或许会影响土星的轨道，但不会对卡西尼探测器的轨道产生任何影响。
法国天文学家则认为，如果卡西尼探测器的轨道数据能持续到2020年，很可能会对第九颗行星的轨道测得给出非常有力的限定，但很可惜，卡西尼探测器因为燃料耗尽，将于2017年晚些时候坠入土星光荣退役！
三种可能的形成机制
即使我们更倾向于相信第九颗行星存在，那么问题又来了：第九颗行星到底是怎样形成的呢？美国哈佛史密松天体物理中心的李和弗莱德·亚当斯考虑了三种可能的形成机制，其中概率最高的图景是这颗行星在太阳系内形成，由于太阳系早期处于星团内部，很容易受到星团内其他恒星引力的影响，于是这颗行星逐渐被拉到太阳系边缘，但这种图景发生的几率最高只有10％。其他两种图景分别为：第九颗行星本是一颗系外行星，当太阳与行星的母恒星距离接近时，它被太阳俘获到太阳系内；第九颗行星本是一颗自由的行星，浪迹在星际空间，被太阳俘获。这两种图景发生的概率更低，都小于2%。
美国犹他州大学的本杰明·布鲁姆利和哈佛史密松的斯考特·肯扬的计算结果表示，李和亚当斯的第一种图景还是有可能实现的。他们认为第九颗行星很可能是在距离太阳较近的区域形成，但由于受到木星和土星的引力作用，慢慢被甩到太阳系边缘，而且如果未来能够观测证实行星存在，通过分析行星的成分可以反推其形成历史，但这一切都有赖于观测。
认为第九颗行星很可能是太阳系捕获的系外行星的天文学家也大有人在。瑞典隆德大学的亚历山德拉·穆斯迪尔就语出惊人，提出第九颗行星是太阳在大约45亿年前从近邻恒星“偷来”的一颗系外行星，当然他的理论需要很多“有利因素”同时存在，例如行星轨道必须很扁，星团中恒星间的距离必须较近等等。在穆斯迪尔看来，如果能够证实第九颗行星存在而且是被太阳捕获的系外行星，那么它将是第一颗能够派遣探测器对其进行近距离观察的系外行星，因为其他系外行星的距离都是以光年度量的。
一百多年后再次算出行星？
正如美国卡耐基研究所的斯考特·谢帕德所述：我们今天所处的情形与19世纪何其相似！自1781年赫歇尔发现天王星后，天文学家就注意到这颗行星的轨道观测值与理论计算值之间有偏差，于是有人预言在天王星轨道外还有一颗行星，正是这颗行星的引力导致天王星轨道的偏差。英国的亚当斯和法国的勒威耶分别独立计算出这颗新行星的位置，最终由德国的天文学家伽勒通过望远镜观测证实了海王星的存在。因此海王星也被称为“笔尖上发现的行星”。如果在可预期的未来，大型望远镜能够观测确认第九颗行星的存在，那么它将是继海王星之后，又一颗先通过计算（只是这一次是在计算机数值模拟的帮助下）预言，再由观测证实存在的太阳系行星。
如果真能确认发现太阳系的第九颗行星，不仅能够解释柯伊伯带天体怪异的轨道，还能解释令天文学家一筹莫展的“柯伊伯带悬崖”等一系列难题。太阳系到底有多少颗行星永远是最热门的天文话题。十年前因为冥王星被踢出行星队伍，有多少人唏嘘不已，甚至耿耿于怀直至今日。历史总是惊人的重复，不知今时是否会如100多年前一样，由于其他天体轨道的异常，先通过计算再由望远镜观测发现，证实一颗新太阳系行星的存在？让我们“拭镜以待”吧。
作者：北京天文馆副馆长陈冬妮
来源：网络转载
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