太陽系真有第九大行星？

太陽系第九顆行星藝術概念圖。

6顆柯伊伯帶天體與可能存在的第九顆行星軌道示意圖。

新聞背景

國際著名雜誌《科學》與《自然》在進行2017年科學展望時，都把尋找太陽系第九大行星列入其中。那麼，這個問題是如何提出的？天文學家們又為此付出了怎樣的努力？

2016年對於太陽系來說是繼「冥王星降級」後又一個行星紛爭的年份，剛好在10年前的2006年，全世界的天文學家齊聚布拉格召開國際天文學聯合會大會，以投票的方式重新定義冥王星為矮行星。導致這一重大事件的直接原因之一，就是美國加州理工大學的麥克·布朗發現了比冥王星質量更大的鬩神星。因此至今仍有很多人視布朗為「冥王星殺手」。再看看2016年1月布朗個人推特上的一條十分有趣的留言——「好吧好吧，現在我樂意承認：我堅信太陽系有九大行星。」這究竟是怎麼回事呢？

一篇「驚世駭俗」的論文

2016年1月20日的《天文學雜誌》上刊登了一篇「驚世駭俗」的論文，作者是美國加州理工大學的麥克·布朗和康斯坦丁·巴蒂金。他們根據6顆軌道怪異的柯伊伯帶天體（太陽系內位於海王星軌道外，距離太陽約30到50個天文單位的小天體）數據，用計算機數值模擬的方法得出結論：太陽系很可能存在第九顆行星，其質量約為地球的10倍，與太陽的平均距離大約是海王星的20倍，軌道是非常扁的橢圓，而且近日點（行星軌道上與太陽距離最近的位置）與其他行星相對，完成一整圈繞日公轉約需要1萬年到2萬年的時間。

布朗這樣描述6顆軌道奇特的柯伊伯帶天體：想像一個有6枚指針的錶盤，每枚指針的運動速度都不同，但在某一刻你看錶盤時，驚訝地發現6枚指針都指向同一個方向。論文的作者認為，一顆尚待發現確認的行星，剛好能夠解釋這些柯伊伯帶天體的奇特軌道。

布朗和巴蒂金的論文發表後，引來了極大的關注，但也引來了不同的意見。西班牙的卡洛斯兄弟和英國劍橋大學的斯威爾·阿塞思提出，如果第九顆行星的質量和軌道如布朗和巴蒂金所言，那麼反推它對6顆柯伊伯帶天體的引力影響，就會發現這6個天體的軌道都是不穩定的，在短於15億年的時間裡，它們全部都可能離開太陽系。因此在這個西班牙-英國團隊看來，最有可能的情況是太陽系外圍存在不只一顆行星，而是有多顆，這樣才能讓奇特的柯伊伯帶天體軌道保持穩定。

需要至少三年才可能找到它？

布朗和巴蒂金分析的6顆柯伊伯帶天體中有一顆特別引人注意，它的編號為2012VP113，是美國卡耐基研究所的斯考特·謝帕德和雙子天文台的查得威客·特魯吉羅共同發現的已知距離最遠的太陽系內天體。

作為尋找第九顆行星強有力的競爭團隊，謝帕德和特魯吉羅團隊利用位於智利和美國夏威夷的超大型望遠鏡，已經搜索了大約全天10%的區域，但仍未找到第九顆行星的蛛絲馬跡，因為目前的數據只能給出這顆可能存在行星的大致軌道，如果正好位於近日點，那麼它的亮度有可能被地面望遠鏡探測到，如果運氣不好，這顆可能存在的行星剛好位於遠日點附近，那麼只有世界上最大口徑的幾台望遠鏡才有機會捕捉到它的光亮。需要搜尋的天區面積實在是太大了，布朗和巴蒂金的樂觀估計也需要至少三年時間才有可能找到它。

莫衷一是的爭論

天文學家們大都認為，搜尋證認第九顆行星將會是漫長的等待。就在布朗和巴蒂金宣布第九顆行星可能存在後一個月，大西洋彼岸的法國傳來喜訊。巴黎天文台的艾格尼絲·費恩加和雅庫思·拉斯卡團隊在《天文學和天體物理學快報》上發表論文，宣稱他們利用最高精度計算太陽系行星運動的INPOP程序，比對了卡西尼探測器自2004年進入土星觀測軌道後的數據，發現如果在數值模型中引入第九顆行星，能夠解釋數據與理論計算值的部分偏差，特別是通過這種數據比對，該小組可以限定出第九顆行星不可能存在的天區，甚至給出了第九顆行星存在的最可能方向。換句話說，雖然第九顆行星是否真的存在只能由直接的觀測來證實，但法國天文學家的結論能夠將行星可能存在的天區範圍縮小一半，這對於搜尋觀測來說真是事半功倍！

然而，美國噴氣實驗室負責卡西尼探測器項目的威廉姆·福克納隨即發表聲明，認為從2004年到2016年的卡西尼探測器軌道數據全部都能用現有數學模型解釋，不存在「無法解釋」的理論數值與觀測數據的偏離。如果真的存在第九顆行星，那麼它的引力或許會影響土星的軌道，但不會對卡西尼探測器的軌道產生任何影響。

法國天文學家則認為，如果卡西尼探測器的軌道數據能持續到2020年，很可能會對第九顆行星的軌道測得給出非常有力的限定，但很可惜，卡西尼探測器因為燃料耗盡，將於2017年晚些時候墜入土星光榮退役！

三種可能的形成機制

即使我們更傾向於相信第九顆行星存在，那麼問題又來了：第九顆行星到底是怎樣形成的呢？美國哈佛史密松天體物理中心的李和弗萊德·亞當斯考慮了三種可能的形成機制，其中概率最高的圖景是這顆行星在太陽系內形成，由於太陽系早期處於星團內部，很容易受到星團內其他恆星引力的影響，於是這顆行星逐漸被拉到太陽系邊緣，但這種圖景發生的幾率最高只有10％。其他兩種圖景分別為：第九顆行星本是一顆系外行星，當太陽與行星的母恆星距離接近時，它被太陽俘獲到太陽系內；第九顆行星本是一顆自由的行星，浪跡在星際空間，被太陽俘獲。這兩種圖景發生的概率更低，都小於2%。

美國猶他州大學的本傑明·布魯姆利和哈佛史密松的斯考特·肯揚的計算結果表示，李和亞當斯的第一種圖景還是有可能實現的。他們認為第九顆行星很可能是在距離太陽較近的區域形成，但由於受到木星和土星的引力作用，慢慢被甩到太陽系邊緣，而且如果未來能夠觀測證實行星存在，通過分析行星的成分可以反推其形成歷史，但這一切都有賴於觀測。

認為第九顆行星很可能是太陽系捕獲的系外行星的天文學家也大有人在。瑞典隆德大學的亞歷山德拉·穆斯迪爾就語出驚人，提出第九顆行星是太陽在大約45億年前從近鄰恆星「偷來」的一顆系外行星，當然他的理論需要很多「有利因素」同時存在，例如行星軌道必須很扁，星團中恆星間的距離必須較近等等。在穆斯迪爾看來，如果能夠證實第九顆行星存在而且是被太陽捕獲的系外行星，那麼它將是第一顆能夠派遣探測器對其進行近距離觀察的系外行星，因為其他系外行星的距離都是以光年度量的。

一百多年後再次算出行星？

正如美國卡耐基研究所的斯考特·謝帕德所述：我們今天所處的情形與19世紀何其相似！自1781年赫歇爾發現天王星後，天文學家就注意到這顆行星的軌道觀測值與理論計算值之間有偏差，於是有人預言在天王星軌道外還有一顆行星，正是這顆行星的引力導致天王星軌道的偏差。英國的亞當斯和法國的勒威耶分別獨立計算出這顆新行星的位置，最終由德國的天文學家伽勒通過望遠鏡觀測證實了海王星的存在。因此海王星也被稱為「筆尖上發現的行星」。如果在可預期的未來，大型望遠鏡能夠觀測確認第九顆行星的存在，那麼它將是繼海王星之後，又一顆先通過計算（只是這一次是在計算機數值模擬的幫助下）預言，再由觀測證實存在的太陽系行星。

如果真能確認發現太陽系的第九顆行星，不僅能夠解釋柯伊伯帶天體怪異的軌道，還能解釋令天文學家一籌莫展的「柯伊伯帶懸崖」等一系列難題。太陽繫到底有多少顆行星永遠是最熱門的天文話題。十年前因為冥王星被踢出行星隊伍，有多少人唏噓不已，甚至耿耿於懷直至今日。歷史總是驚人的重複，不知今時是否會如100多年前一樣，由於其他天體軌道的異常，先通過計算再由望遠鏡觀測發現，證實一顆新太陽系行星的存在？讓我們「拭鏡以待」吧。（作者為北京天文館副館長）

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