「冰凍星球」：太陽系或存在第九顆行星？

科技 05-02

「冰凍星球」：太陽系或存在第九顆行星？

美國加州理工學院的學者發現，外太陽系可能存在著一個軌道狹長奇特的巨行星。學者們稱其為「行星九號」，它的質量大約是地球的10倍，軌道半徑平均值超過海王星的20倍（海王星軌道半徑的平均值大約是28億英里）。這個行星每1萬至2萬年才能完成一次公轉。

Konstantin Batygin和Mike Brown兩位學者，通過數學模型演算獲得了這顆行星存在的證據，但尚未直接觀察到它。

根據Brown的推斷，這顆行星的質量是冥王星的5000倍，它的體積相當大，因此毫無疑問是一顆行星。和身形較小的矮行星不同，「行星九號」的引力統治著它周圍的一切。實際上，它的所轄範圍比其它一切已知行星都要大。

「起初對於這顆行星是否存在的構想是頗具推測性的，但隨著對其軌道和外太陽系天體間關係的進一步調研，我們越來越能肯定它的存在。」行星科學助理教授Batygin這樣說。

Batygin和Brown在《天文學期刊》上撰文闡述了這顆行星和海王星軌道外的冰雪地帶——柯伊伯帶身上諸多謎團間的聯繫。

2014年，Brown的博士後Chad Trujillo和另一位同事Scott Sheppard發表了一篇論文，指出柯伊伯帶內13個最為遙遠的天體似乎共同遵遁著一個不怎麼顯著的特點。為了解釋這種相似性，他們認為那裡可能存在著一個小型行星。Brown並不認可這個觀點，但卻被這一想法激起了興趣。

「冰凍星球」：太陽系或存在第九顆行星？

他帶著疑問來找Batygin，兩個人用了一年半的時間，合作調查了這些遙遠的天體。不久後，兩位學者就意識到，Trujillo和Sheppard提到的那些最為遙遠的柯伊伯帶天體中，有6個天體的橢圓型軌道指向了空間的相同一側。這是一個非常令人吃驚的發現，因為它們橢圓形軌道的外側頂點會圍繞太陽系移動，且速度是各不相同的。

「也就是說它們就像時鐘上的六根針，在以不同的速度運行。但是每當我們抬頭觀看，都保持著相同的布局。」Brown說。產生這種布局的概率大約是百分之一。但是這六個天體的軌道面，都與已知8大行星的軌道面在同一方向上呈大約30度的夾角。發生這種情況的概率只有大約0.007%。「從根本上說，這種布局不可能是隨機的，」Brown說。「因此我們認定有什麼因素，迫使它們維持著這樣的軌道布局。」

第一種可能性是，遙遠的柯伊伯帶天體足夠多——一部分尚未發現——在它們引力的共同作用下，這些天體的軌道維持著這樣的布局。但這種可能性很快就被排除，因為如果這種假設為真，那麼柯伊伯帶的總質量必須是當前已知質量的大約100倍。

剩下的就是行星的可能了。他們先是憑直覺運行了一個計算機模擬，模擬在6倍於柯伊伯帶軌道半徑處是否存在行星，這顆行星的引力可以像套索一樣，把這些前面那些天體的軌道布局成現在這個樣子。Batygin說，這種方法幾乎可行，但是不能與觀測所得的偏心率精確相符。「差不多行得通了，」他是這麼說的。

「冰凍星球」：太陽系或存在第九顆行星？

然後，完全是個巧合，Batygin和Brown發現，如果他們在與這些軌道指向相反的方向上模擬一顆大質量行星——一顆軌道近日點位於所有其它小天體及已知行星近日點相反方向180度處的行星——柯伊伯帶中那些遙遠的天體在模擬中獲得的軌道排列結果，就能夠和觀測結果相吻合。

「人們很自然的反應就是，『這樣的軌道幾何結構肯定是不對的，它不可能保持長期穩定，因為行星和其它天體會相遇、相撞，』」Batygin說。但是通過一種名為「平均運動共振（mean-motion resonance）」的機制，就能夠讓這第九顆行星保持這樣的反向排列，同時使柯伊伯帶內的天體避免相撞，並保持現有布局。這是因為，在軌道上運行的天體靠近時會交換能量。

舉例來說，就是「行星九號」每完成4次公轉，柯伊伯帶內的天體剛好完成9次公轉。這樣它們就不會相撞。而且，「行星九號」還會向外推動柯伊伯帶天體的軌道，修正它們的布局，使彼此間的關係得以維持。「我當時仍然十分懷疑，」Batygin說。「我從未見過這樣的天體運行機制。」

但是慢慢地，對其它一些特點以及理論模型推論的研究，讓他們的信心越來越強。「一個好的理論不但要能夠解釋你要它解釋的現象，還應該能夠解釋你並未要求它解釋的現象，而且作出能夠加以檢驗的預測，」Batygin說。「行星九號」的存在不僅僅是有助於解釋遙遠柯伊伯帶中的天體排列。它還解釋了這些天體其中兩個身上的謎團。

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