你知道加州理工研究者发现第九颗行星的证据有哪些？

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译者：Lynn王 原作者：Kimm Fesenmaier

加利福尼亚理工学院的研究者发现外太阳系一颗沿着奇怪的、高度椭圆的轨道运行的巨大行星的证据。这个被研究者们称为第九行星的天体质量约为地球的10倍，与太阳之间的距离约为海王星的20倍（海王星的轨道距离太阳平均为28亿英里）。事实上，这颗新发现的行星需要花上10000到20000年才能绕太阳一圈。

  研究者Konstantin Batygin和Mike Brown通过数学模型和电脑拟合发现这颗行星的存在的，而非直接观测。

“这会是真正的第九大行星。”行星天文学教授Brown说到，“从古至今，人们只发现了两颗真正的行星，这将会是第三颗。它是我们太阳系十分重要的一块等待着我们去发现，这实在是令人激动。”

  Brown解释这颗被计算推测出的第九大行星——质量约为冥王星的5000倍——着实十分巨大，毫无疑问是一颗真正的恒星。不像现在被熟知的称为矮行星的一群小天体，第九行星通过万有引力主宰了它周围的太阳系区域。事实上，它比任何一个已知的行星主宰的区域都大——Brown所说的这个事实让它成为“整个太阳系所有行星中的领导者”。

  Batygin和Brown近期在天文学期刊上发表的文章描述了他们的工作，并且展示第九行星如何帮助解释海王星外的柯伊伯带中冰质星子和碎片的一系列神秘的特征。

  “尽管我们一开始十分怀疑这颗行星是否存在，但当我们继续研究它的轨道和它对于外太阳系的意义时，我们越来越确定它就在那。”行星科学的助理教授Batygin说，“这是超过150年以来的第一次，有确凿的证据显示太阳系的已知行星是不完全的。”

  理论探索的道路并不是一帆风顺的。在2014年，之前的Brown带的博士后Chad Trujillo和他的同事Scott Sheppard发表了一篇文章，说伊伯带中13颗最遥远的星子在轨道特征上是相似的。为了解释这个相似性，他们提出可能存在一个小天体。虽然Brown当时认为这个解释并不太可能成立，但是他却对此产生了兴趣。

  他将这个问题呈给Batygin看，随后两人就开始了长达一年半的调查这颗遥远的星体的合作。两人分别作为观察者和理论学者，从非常不同的两个方面进行这项工作——Brown观察星空并试图定位可见区域内的每个东西，Batygin将自己置身于动力学领域中，从物理学立场思考这些东西是如何运作的。这些不同让研究者可以挑战对方的思想并且思考新的可能性。“我会引入这些可观测的方面；而他则从理论方面提出争论，我们互相推动对方的进展。如果没有了这些后退和进步，我认为这项研究无法进行，”Brown说，“这大概是我拥有过的研究太阳系问题的最有趣的一年。”

  很快，Batygin和Brown就意识到Trujillo和Sheppard原来发现的其中六颗最遥远的星子都沿着物理空间内指向同一个方向的椭圆轨道运行。这是个十分令人惊讶的发现，因为它们各自轨道的远日点在围绕着太阳系移动，并且它们以不同的速率运动。

  “这几乎就像是一个有六个以不同速率运动的指针的钟表，当你恰好抬头看它时，他们正好在同一个位置。”Brown解释。这样的事情发生的几率大概是一百分之一，他说。但是不要忘了，这六个星子的轨道几乎是一样的——指向相对于八个已知行星轨道平面呈30度的同一方向。这个发生的几率大概是0.007%。“基本上来说这并不是随机发生的，”Brown说，“所以我们想到，一定有什么东西在塑造着这些星子的轨道。”

  他们想到的第一种可能性是也许存在着足够多的遥远的柯伊伯带天体——它们中的一些还没有被发现——产生足够的引力使得亚群能够保持簇拥在一起。研究者很快就排除了这个可能性当他们发现这样的情形需要柯伊伯带质量约为今天已经发现的100倍。

  这让他们有了关于行星的想法。他们第一反应是运行模型，包括一个遥远轨道上运动的行星以及行星轨道内包含着的六个柯伊伯带天体的轨道，就像是一个巨大的套索使得六个柯伊伯带天体排成一列。Batygin说这个模型几乎就要成功了，但是没有精准地体现观测到的偏心率。“很接近，但并不是。”他说。

  可以说是一次偶然，Batygin和Brown注意到如果他们运行一个拥有沿着反向轨道运行的巨大行星模型，也就是在行星最接近太阳时，即近日点，与已知行星和其它星体的近日点呈180度，在模型中的遥远的柯伊伯带天体就会像实际观测到的那样排成一列。

  “你的本能反应是‘这个轨道几何学不会是正确的。长期来看这并不稳定，因为这最终会导致行星和这些天体相遇与碰撞，’”Batygin说。但是通过平均运动共振的方法，第九行星反向运动的轨道实际上能够阻止柯伊伯带星体的碰撞，并且将它们维持在一条直线上。当围绕的天体接近彼此时，他们会交换能量。因此，第九行星每制造四条轨道，一个遥远的柯伊伯带天体就可以完成九圈绕行。它们永远不会相撞。就像父母通过周期性的推动让孩子保持在荡秋千的圆弧部分，第九行星推动遥远的柯伊伯带天体的轨道，使他们相对于行星的排列得以维持。

  “我当时还是十分怀疑的，”Batygin说，“我从没有在天体力学中看到这样的东西。”

  但是渐渐地随着研究者研究这个模型的额外特征和结果时，他们被说服了。“一个好的理论不应该仅仅解释你开始想要它解释的东西。他应该有希望解释你一开始并没有想要它解释的东西，并且做出可证实的预测。”Batygin说。

  第九行星的存在确实帮助解释不仅仅是遥远的柯伊伯带天体的排列，他还提供了关于它们中的两个的神秘轨道的解释。第一个被称为Sedna，于2003年被Brown发现。不同于大多数标准的柯伊伯带天体，它是被海王星的引力作用“踢出”，随后返回柯伊伯带，Sedna从没有和海王星特别接近。第二个类似Sedna的天体编号为2012 VP113，是2014年被Trujillo和Sheppard发现的。Batygin和Brown发现在预测轨道中第九行星的存在自然地通过标准的柯伊伯带天体制造像Sedna这样的天体，并缓慢将其推到与海王星少有联系的轨道中。

  第九行星的存在预测的后果是另一批受约束的天体也应该存在。这些天体被放置成与第九行星呈直角，并且沿着与太阳系平面垂直的轨道运行。五个已知的天体精确地证实了这个预测。

  但是，对于研究者来说，真正的困难是他们的拟合模型还预测了在柯伊伯带中有天体沿着接近垂直的、倾斜于行星平面的轨道运动。Batygin一直在找这些天体的证据，并将预测给了Brown。“突然我意识到有这样的天体，”Brown回应。在过去的三年里，观察者已经辩认出四个天体，它们沿着海王星和旁边天体间连线的近乎垂直的的轨道运动。“我们描绘了这些天体和它们的轨道的位置，它们准确地符合模型，”Brown说，“当我们发现这个时，我的下巴都要掉到地上了。”

  “当模型将遥远的柯伊伯带天体排列成直线并且制造像Sedna这样的天体时，我们想这是多么神奇的、一石二鸟的事啊。”Batygin说，“但是这个行星的存在也解释了那些垂直的轨道，不仅仅是一石二鸟，你还击中了旁边树上你没有意识到的那只鸟。”

  第九行星是在哪里形成，又是如何止步于外太阳系的呢？科学家们一直认为早期太阳系开始于四个捕捉周围气体的行星核，形成四个气态行星——木星，土星，天王星和海王星。随着时间流逝，碰撞和喷射塑造着它们，并将它们移出当时的位置。“但是不可能当时存在五个行星核而不是四个。”Brown说。第九行星代表了第五个行星核，如果它过于接近木星或者土星，它将会被弹射到遥远的偏心轨道。

  Batygin和Brown一直在修正他们的模型，更深入地学习行星轨道及其对遥远的太阳系的影响。同时，Brown和其他同事开始搜索第九行星的星区。目前只知道行星的大致轨道，但是其在椭圆轨道上的精确位置还不明晰。如果行星恰巧在它的近日点附近，Brown说，天文学家应该能够通过之前研究捕捉到的图像定位这颗行星。如果它在它轨道的最远端，世界上最大的望远镜——例如W.M.Keck天文台的两架十米口径的望远镜和Subaru望远镜，都在夏威夷的Mauna Kea——才能够看到它。但是如果第九行星现在在近日点和远日点之间的任何地方，许多望远镜都能够发现它。

  “我很乐意发现它，”Brown说，“但是如果别人发现了它，我也会很开心，这就是为什么我们发表这篇文章。我们希望其他人能够受到鼓舞并开始寻找这颗行星。”

  至于更深入地理解太阳系在宇宙中的周遭环境，Batygin提供了几种方法，这颗第九行星对我们来说是个古怪的东西，但是它确实让我们的太阳系与天文学家们发现的围绕着其他恒星的行星系更加类似。首先，大部分围绕着太阳一样的恒星的行星没有单一的轨道范围——也就是说，有一些轨道非常接近于主恒星，但是另一些却沿着特别遥远的轨道运行。第二，大多数围绕着恒星的行星质量都在1到10倍地球质量之间。

  “关于其他行星系最令人吃惊的发现之一是那里最普遍的行星质量介于地球和海王星之间。”Batygin说，“我们曾经认为太阳系缺少这种最普遍的行星，但到现在，我们知道太阳系还是很正常的。”

  Brown曾在冥王星从行星降级到矮行星的过程中扮演重要角色，他补充道：“所有那些为冥王星不再是行星而疯狂的人，当他们知道那里还有一颗真正的行星等待我们去发现时，真的会非常激动。现在我们可以去寻找这颗行星，让太阳系重新拥有九颗行星。”