作者: Michael E. Brown 来源:TAJ 发布时间:2016/2/13 13:50:33
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寻找天边的“老九”
大量证据让太阳系第九颗行星初现端倪

 

这一次为什么会不同呢?这一次的不同因为我们是正确的。

Mike Brown(左)和Konstantin Batygin 图片来源:LANCE HAYASHIDA/CALTECH

太阳系可能拥有第九颗行星。1月20日,两名科学家宣称,有证据表明一颗体积近似于海王星的天体每1.5万年左右围绕太阳公转一圈,然而这颗天体的真面目至今尚未观测到。科学家表示,在距今45亿年前太阳系处于婴儿期时,这颗巨行星被踢出了太阳附近的行星形成区域。然后其运行速度在太空气体的作用下减缓,并被送入一个距离太阳十分遥远的椭圆轨道,至今它仍在那里潜伏着。

在长达1世纪寻找海王星之外的“行星X”的历程中,这是证据最为强有力的一次。新证据来自于两位受尊敬的行星科学家:美国加州理工学院帕萨迪纳分校的Konstantin Batygin 和Mike Brown。为了回答不可避免的质疑,他们提供了关于其他遥远天体轨道的详细分析和数月的计算机模拟结果。“如果你说‘我们有行星X存在的证据’,几乎其他所有天文学家都会说,‘又来了?这些家伙真是疯了。’我可能也会这么说。”Brown说,“这一次为什么会不同呢?这一次的不同因为我们是正确的。”

Batygin和Brown于1月20日在《天文学期刊》上发表了这一研究结果。法国尼斯天文台行星动力学家Alessandro Morbidelli同时发表了对于该文章的评论文章。在评论中,他表示,Batygin和Brown作出了“非常实在的论点”,他“非常相信遥远行星的存在”。

看不见的神秘天体

Batygin和Brown从此前已知的6颗天体形成的神秘团簇中推断出海王星外围第九颗行星存在的可能性。他们表示,这种情况仅有0.007%的几率,或者说是1/15000,而这个团簇可能只是一种巧合。他们认为,可能有一颗质量是地球10倍的行星带领这6个天体进入神秘的椭圆形轨道,在太阳系行星的盘面上倾斜而出。

推断的行星轨道也同样倾斜而出,并延伸到探索此前太阳系概念的距离。其与太阳最近的距离也比海王星远7倍,或者说是200个天文单元(一个天文单元是指日地之间的距离,大约1.5亿公里)。行星X的远日点可以达到600~1200个天文单位,超出了柯伊伯带——位于海王星外围30个天文单位的冰冷的小行星带。

如果行星X确实存在,Brown和Batygin说,天文学家应该能够在传说的轨道(在看不见其行迹的巨大天体的拖拽下形成)上寻找到更多天体。但是Brown知道,在用望远镜探测器观察到行星X之前,没人会相信这项发现。

对Brown来说,发现太阳系第九颗行星是个具有讽刺意味的工作,他因作为一名行星猎人而闻名。2005年,他发现了阋神星—— 一个体积近似于冥王星的遥远而冰冷的天体,该发现揭示了此前被认为的太阳系最遥远的行星冥王星其实只是柯伊伯带众多小行星中的一颗。天文学家很快把冥王星降级为矮行星——Brown在他的书籍《我如何杀死冥王星》中叙述了这一轶事。

Brown在2003年首次发现这个天体团簇,当时他带领的团队发现了赛德娜星—— 一颗比阋神星和冥王星小的天体。赛德娜星奇怪而遥远的轨道使其成为当时太阳系中距离太阳最遥远的天体。其近日点或是与太阳最近的距离为76个天文单位,位于柯伊伯带和海王星引力的影响之外。其含义非常明确:海王星之外一定有一颗大质量的天体把赛德娜星送入其遥远的轨道。

但是这个天体不一定是一颗行星。赛德娜星的引力来源可能来自于一颗经过的恒星,或是在太阳系形成之时围绕初生的太阳运转的很多其他恒星中的一颗。

从那时起,在类似的轨道上渐渐发现了一些其他冰冷的天体。通过把塞德娜星和其他5颗星联系在一起,Brown排除了把这种看不见的影响力推断为来自于恒星的观点:仅有一颗行星能够解释这种奇怪的轨迹。在他的三个主要发现——阋神星、赛德娜星以及现在可能出现的行星X中,Brown表示最后一种推断最为合理。“杀死冥王星是件好玩的事,发现赛德娜星在科学上是有趣的。”他说,“但是这次发现的重要性要远远超过前两次。”

或从太阳系初期星盘中被踢出

Batygin是一个29岁的年轻人,在计算机建模方面极具天赋。今年刚至知天命之年的Brown是一个极具天赋的观察天文学家。两人的办公室只隔着几道门,他们经常探讨交流,并发展成为切磋观点的合作伙伴。

Batygin首先制作了各种各样关于行星X的体积及轨道的模型,以此研究哪个版本可以最好地解释这个天体的轨迹。最终一个最佳版本出现了:该天体质量可能在地球的5~15倍之间,其轨道在太空中可能是处于反向排列状态的6个小天体,其近日点和6个小天体的远日点(距离太阳最远的距离)为同一方向。

卡内基科学研究所的Scott Sheppard和夏威夷双子座天文台的Chad Trujillo都推测这个看不见的行星可能存在,他们认为Batygin和Brown“把猜想推到了另一个层面……两人深入到这些天体的运行动态之中。我认为这非常令人激动。”Sheppard说。而其他一些人,如行星学家、发现柯伊伯带的Dave Jewitt则对这一推断持审慎态度。

即便Batygin和Brown能够让其他天文学家相信行星X的确存在,他们仍面临另一个挑战:解释该行星为何距离太阳如此遥远。在这样的距离,原行星盘的星尘和气体很可能会因过于稀薄而不能形成行星。而如果行星X是一颗小行星,它在其巨大、漫长的轨道上运行速度也过慢,因此不能获得大量使其成为巨行星的物质。

于此相对,Batygin 和Brown提出,行星X可能和木星、土星、天王星以及海王星一样,都是在距离太阳更近的地方形成。计算机模型表明,早期的太阳系就像一张动荡的台球桌,数十个甚至数百个相当于地球大小的行星构建模块在其上跳跃运动。一个胚胎巨行星可以很容易在那里形成,可能被来自其他巨大气态天体的引力引导到太阳系外围。

然而,很难解释为何行星X并未跳回到其形成之初所在的位置或是完全离开太阳系。Batygin说,原行星盘中的残余气体可能发挥了一些拖拽作用,使该行星的运行速度降低到一定程度,从而使该行星停留在太阳系内距离母星十分遥远的轨道上。如果这一喷射过程出现在太阳系300万~1000万岁的时候,当星盘中的所有气体流失到太空中之前,这种情况很可能发生。

科罗拉多州西南研究院行星动力学家Hal Levison认为这一观念具有可能性。“通常类似这样的解释是错误的,但是我对这个解释却感到非常激动。”他说,“这比投掷硬币的几率要高得多。”这意味着行星X将继续在太阳系边缘漂移,直到被发现。

继续探索行迹

天文学家对要探索哪里目的十分明确,但是发现这颗行星并不是件容易的事。因为当处于高椭圆轨道上的天体接近太阳时,其运行速度最快。行星X在200个天文单位的地方滞留的时间极短。Brown说,如果它现在在那里,它发出的光会非常亮,天文学家可能已经发现了它。

与此相对,行星X很有可能在远日点停留最长时间,慢慢地在600~1200个天文单位的地方运行。大多数望远镜都可能看到这个距离之外的昏暗天体,比如哈勃太空望远镜或是位于夏威夷的直径10米的凯克望远镜,然而,它们的视野范围都极小,要发现行星X好比大海捞针一样。

然而,一个望远镜可以提供帮助,即日本建造的位于夏威夷的直径8米的昴星团望远镜。该望远镜的光学倍数足以看到这样一个微弱的天体,同时它还有着更宽阔的视野——相当于凯克望远镜的75倍,从而让天文学家每晚可以巡视大片天空。Batygin和Brown正在利用昴星团望远镜寻找行星X,他们还在与竞争团队的Sheppard和Trujillo合作。Brown表示,两个团队可能要花费5年时间搜索行星X可能潜伏的绝大多数区域。

如果行星X被他们找到了,这个太阳系家族新成员的名字会是什么呢?对此,Brown表示,现在考虑这一问题仍然为时过早。现在,他和Batygin称其为第九大行星。Brown强调,无论是天王星还是海王星(两颗行星均发现于现代)最终都由其发现者命名,他认为这样做比较好。他说:“这就像是在地球上发现了新大陆那样。”

然而,他十分确定,与冥王星不同,行星X当得起行星的称号。太阳系中相当于海王星大小的天体存在吗?别这么问。“没人会对这个观点提出争议,我也不会。”(来源:中国科学报 冯丽妃)

 
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