發(fā)現(xiàn)第九大行星？

2016年1月20日，美國加州理工學(xué)院的科學(xué)家宣布，他們發(fā)現(xiàn)的證據(jù)表明：一顆巨行星正在外太陽系的一條高度偏心的怪異軌道中運行。他們戲稱它是“太陽系第九大行星”（簡稱“第九大行星”）。它的質(zhì)量大約是地球的10倍，與太陽的平均距離是海王星的大約20倍（海王星與太陽的平均距離是45億千米）。這也就是說，這顆尚未被完全證實存在的行星繞太陽一圈，要花1萬～2萬年。

這顆行星的“發(fā)現(xiàn)者”是巴鐵金和布勞恩。他們通過數(shù)學(xué)模型和計算機模擬，認為這顆行星的存在幾乎確定無疑。不過，目前尚無人直接觀測到它。布勞恩說，這顆推定行星的質(zhì)量是冥王星的5000倍，它足夠大，無疑是一顆行星。與個頭較小的矮行星不同，“第九大行星”會對它的近鄰區(qū)域施加明顯的引力作用。事實上，它主宰的區(qū)域大于任何其他已知的行星。從這個意義上說，它是整個太陽系中“最像行星的”行星。巴鐵金和布勞恩指出，“第九大行星”有助于解釋柯伊伯帶的一系列神秘特征，“超過150年來，這是首次有確鑿證據(jù)表明，太陽系中還有其他的行星未被發(fā)現(xiàn)?！?/p>

這條理論的發(fā)現(xiàn)之路并不平坦。2014年，布勞恩指導(dǎo)的博士后特魯吉羅和他的同事謝潑德發(fā)表論文說，柯伊伯帶最遙遠天體中的13個，在一個模糊的軌道特征方面具有相似性。為解釋這一相似性，他們認為可能存在一顆較小的行星。布勞恩認為這一解釋不太可行，但他自己卻在這方面被激起了興趣。

他把這個問題告知了巴鐵金，隨后，他倆開始了一年半的合作，目的是調(diào)查這些遙遠天體。作為一位觀察家和一位為理論家，他們分別從不同角度探索這個奧秘——布勞恩望天，試圖把所見的每個天體都歸類，而巴鐵金考慮的是怎樣從物理學(xué)角度來看待這些天體。正是這種不同，讓這兩位科學(xué)家能相互借鑒，發(fā)現(xiàn)新的可能性。

巴鐵金和布勞恩很快就意識到，這13個天體中最遙遠的6個都遵循這樣的橢圓軌道——它們在物理空間指向相同方向。這讓人很驚訝，因為它們軌道的最遠點都環(huán)繞太陽系移動，并且它們的繞行速度不同。這就好比一個鐘面上有6根指針，它們的移動速度不同，但當你偶然望向鐘面時，它們卻都恰好處于同一位置。這樣的概率只有1%。但更重要的是，這6個天體的軌道也都以同樣的方式傾斜——相對于已知八大行星所在的平面，它們?nèi)枷蛳?0°。這種現(xiàn)象的發(fā)生概率大約只有0.007%。如此低的概率，表明事件的發(fā)生并非是偶然的。布勞恩和巴鐵金據(jù)此認為，一定有別的什么天體在塑造這樣的軌道。

他們調(diào)查的第一種可能性是，或許有尚待發(fā)現(xiàn)的更遙遠的柯伊伯帶天體，它們施加的引力讓這6個家伙“聚集一堂”。但他們很快就排除了這個可能性，因為真要發(fā)生這種情況的話，柯伊伯帶的質(zhì)量就必須是現(xiàn)有質(zhì)量的100倍，而這顯然不可能。這樣，就剩下了一種可能性——存在尚待發(fā)現(xiàn)的遙遠行星。布勞恩和巴鐵金的第一個直覺就是，對一顆在遙遠軌道上包圍這6個柯伊伯帶天體軌道的行星進行模擬。這顆行星就像一根巨大的套索，把這6個天體驅(qū)動為這種特異排列。這個理念看來很不錯，卻無法精確解釋觀測到的軌道離心率。

接下來，幾乎純屬偶然，巴鐵金和布勞恩注意到，如果他們模擬的是一顆處在反向軌道中的大質(zhì)量行星，那么這6個最遙遠柯伊伯帶天體的推測排列就與實際觀測到的情況完全一致了。所謂反向軌道是指，在這個軌道中，行星最接近太陽的位置——近日點，正好在其他所有已知行星的近日點對面（兩者成180°角）。

一種下意識的反應(yīng)會認為，這種軌道幾何學(xué)不可能正確。它不可能長時間穩(wěn)定，因為它會導(dǎo)致行星及這6個天體相遇，并且最終相撞。但通過軌道共振這種機制，“第九大行星”的反向軌道實際上能阻止柯伊伯帶天體與它相撞，并且保持這6個天體的排列。當這些天體互相接近時，它們只是交換能量，而不會相撞。例如，當“第九大行星”完成4次公轉(zhuǎn)，一個遙遠柯伊伯帶天體則完成9次。它們永遠不會相撞?！暗诰糯笮行恰本拖褚粋€父母，通過周期性推動，讓孩子在秋千上維持弧形擺動?！暗诰糯笮行恰币匀绱说姆绞脚惨七b遠柯伊伯帶天體的軌道，讓它們相對于這顆行星的軌道架構(gòu)得以保留。

盡管這種解釋堪稱完美，巴鐵金還是對此很懷疑，因為他在天體動力學(xué)中從未見過這樣的機制。但一點一點地，隨著這兩位科學(xué)家調(diào)查了模型的更多特征和后果，他們越來越相信自己的判斷。巴鐵金說，一個好理論不應(yīng)該只解釋你準備解釋的現(xiàn)象，而是有希望解釋你沒想到要解釋的現(xiàn)象，并且還能對可測試的現(xiàn)象作出預(yù)測。

的確，“第九大行星”的存在有助于解釋的不只是遙遠柯伊伯帶天體的排列，它也能為遙遠柯伊伯帶天體中的兩個所追隨的神秘軌道給出解釋。其中第一個是塞德娜，它是由布勞恩在2003年發(fā)現(xiàn)的。其他柯伊伯帶天體都是被海王星的引力作用“踢”出去，然后又回歸柯伊伯帶的，但與它們不同，塞德娜從來就沒有特別靠近過海王星。第二個是“2012 VP113”，它是由特魯吉羅和謝潑德在2014年發(fā)現(xiàn)的。巴鐵金和布勞恩發(fā)現(xiàn)，如果“第九大行星”確實存在，而且它就位于他們預(yù)測的軌道中，那么就能很自然地產(chǎn)生類似塞德娜的天體，其產(chǎn)生方式是：抓來一個柯伊伯帶天體，逐漸把它推到一個與海王星不那么相干的軌道中。

但對這兩位科學(xué)家來說，真正出乎預(yù)料的轉(zhuǎn)折是這樣一個事實：他們的模擬預(yù)測到，柯伊伯帶中有些天體的軌道垂直于太陽系眾行星所在平面。巴鐵金在模擬中不斷發(fā)現(xiàn)這樣的證據(jù)，他把這些告訴給了布勞恩。布勞恩茅塞頓開。在過去3年中，觀測者辨識了4個這樣的柯伊伯帶天體——它們的軌道基本上都沿著一條源自海王星的垂直線，除此之外還辨識了1個軌道沿著另一條垂直線的天體。這些天體的位置和軌道，與巴鐵金和布勞恩的模擬精確吻合。當他們發(fā)現(xiàn)這一點時，他們也確信了自己的預(yù)測。

那么，“第九大行星”來自何方，最終又是怎么來到外太陽系的呢？長久以來，科學(xué)家一直相信，早期太陽系始于4個行星核，它們捕捉自己周圍的所有氣體，從而形成了4顆氣態(tài)行星——木星、土星、天王星和海王星。隨著時間推移，碰撞與噴射不僅塑造了這4顆行星，而且讓它們移動到現(xiàn)在的位置。布勞恩認為，誰能肯定就不可能有5個行星核呢？“第九大行星”可能就代表著這第5個行星核。如果它過于靠近木星或土星這兩顆巨行星，它就可能被噴射到遙遠的扁長軌道。

巴鐵金和布勞恩繼續(xù)細化模擬，試圖了解有關(guān)這顆行星軌道及它對太陽系遙遠地帶影響的更多情況。與此同時，布勞恩及其他同事開始在天空中尋找“第九大行星”。他們只知道它的大致軌道，而不清楚它在軌道面上的確切位置。布勞恩說，如果這顆行星正好處在接近近日點的位置，天文學(xué)家就應(yīng)該能從以往的探測圖像中發(fā)現(xiàn)它。如果它處于軌道中最遙遠位置，地球上最大的望遠鏡（例如美國凱克天文臺的10米望遠鏡和美國昴星團望遠鏡）也有可能看見它。如果“第九大行星”處在軌道中離我們不是最近或最遠的地方，那么許多望遠鏡都可能看見它。

巴鐵金說，從了解太陽系在宇宙中的地位這個角度講，對我們來說看似怪異的“第九大行星”，實際上與不斷被發(fā)現(xiàn)的太陽系外其他恒星周圍的行星（系外行星）沒什么不同。首先，大多數(shù)系外行星并不具有單一軌道范圍。也就是說，這些系外行星中，一些的軌道靠近母恒星，但另一些的軌道則極度遙遠。第二，系外行星的最常見質(zhì)量約是地球的1～10倍，即介于地球質(zhì)量和海王星質(zhì)量之間。事實上，這一點曾讓天文學(xué)家們非常驚奇，因為太陽系中不存在系外行星中最常見的這種行星類型。而“第九大行星”如果真的存在，它不正是這樣一顆行星嗎？這樣一來，太陽系還有什么不同尋常呢？

因為積極推動把冥王星從行星降低為矮行星的觀點，布勞恩備受冥王星支持者的詬病。但他說：“那些對‘冥王星不再是行星不滿的人，現(xiàn)在可以高興了吧，因為有一顆真正的行星等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)，一旦找到它，太陽系就又有九大行星了?！?/p>

然而，在布勞恩和巴鐵金的上述驚人理論發(fā)表后，美國宇航局警告說，這種理論并不成熟，它只是一種預(yù)測而已。但“如果它（‘第九大行星）真的存在的話，我們一定會發(fā)現(xiàn)它”。

截至目前，太陽系第九大行星是否真的存在，依然是未知數(shù)。