早期太陽系可能還有第五個巨行星

最新研究表明，冥王星所在區域存在的冰質天體群可能會成為太陽系存在過第五個巨行星的證據。

這顆巨行星可能在40億年前遠離太陽的過程中與海王星相撞，使海王星進入其現今軌道，並導致海王星的一部分衛星散播到外太陽系的柯伊伯帶中。

這一群數量達千餘個的冰凍岩體被稱為「核心（kernel）」，長久以來天文學家們一直對其知之甚少。這些冰質天體緊密地排列在一起，並且從不偏離行星所在的軌道面，這些特點與柯伊伯帶中的其他冰質天體大相徑庭。早先的研究提出，這些緊密排列的天體是由更大型的天體激烈碰撞形成的。但「碰撞」理論很快就行不通了，因為科學家們意識到，如果這些天體真的是由碰撞形成的，那麼它們應該會散布在整個柯伊伯帶中。

然而現在，有一個科學家或許能夠解答柯伊伯帶的謎團。大衛·內斯沃爾尼（David Nesvorny）是美國西南研究院（Southwest Research Institute in Boulder, Colorado）的一名天文學家，他在《天文學雜誌》（Astronomical Journal）九月刊上提出了「跳躍的海王星」理論（the jumping Neptune theory）。他在計算機上模擬了「核心」在過去40億年中的運動，發現這些天體是在海王星遠離太陽的過程中被捲入海王星引力場中的。海王星原始的軌道距土星和木星更近，在遠離其原始軌道的過程中，一小部分原始太陽系裡的物質被海王星牽引，隨其共同運動：這些原始物質就是「核心」的雛形，在海王星公轉一周的時間裡，這些物質可以繞太陽轉兩周。

海王星的原始軌道距太陽約42億千米（海王星軌道現在大約位於太陽與柯伊伯帶外緣的正中，原始軌道距現代軌道並不遠），海王星的軌道向外移動了7500萬千米。那些被海王星引力場捕獲的天體來不及響應這種突變，被拋離其原有軌道至距太陽69億千米的地方，它們在那裡繼續運動形成現在的「核心」」。

內斯沃爾尼認為，這種軌道突變唯一可能的解釋是：海王星受到了另一個擁有強引力場的天體的影響，這個天體很可能就是一顆巨行星。而這顆巨行星並不是天王星、土星或木星，因為這三顆行星的軌道從未與海王星有過類似的相互作用。

在太陽系形成早期，外太陽系充斥著各種原始顆粒。隨著木星（綠色）、土星（橙色）、海王星（深藍色）和天王星（淺藍色）軌道的改變，在引力的作用下，許多冰凍天體被拋入現在的柯伊伯帶。

沒人知道那顆失蹤的行星後來怎麼樣了，而在2011年，內斯沃爾尼還在研究前一個模型時，他發現解釋現今太陽系軌道結構的最佳方法，就是引入第五顆巨行星。這顆神秘的巨行星很可能在擾亂現有行星的原始軌道後，永遠地離開了太陽系。內斯沃爾尼認為這是一場引力角斗後的殘局，但是在2011年，他從沒想過他會找到證明這顆巨行星存在的證據。

「柯伊伯帶就是線索，」內斯沃爾尼說，「你觀測到了那裡的結構，就要試著去弄清楚那樣的結構代表著怎樣的演化過程。」

但是弄清楚事實並不是件容易的事。在他當前用來研究「核心」形成過程的模型啟動之前，內斯沃爾尼已經測試了100多種其他可能的方法。加拿大自治領天體物理觀測台（Dominion Astrophysical Observatory in Victoria, Canada）的天文學家JJ·卡韋拉爾斯（JJ Kavelaars）表示，建模的難點之一就是讓太陽系中的多個天體最終都要到達正確的位置。例如，早先用來模擬冥王星形成過程的模型最終使冥王星到達了正確的位置，但是並沒有考慮到太陽系的其他部分。

「內斯沃爾尼的模型非常自洽，能同時正確表現多個結構，這真是夠驚人的。」沒有參與這項研究的卡韋拉爾斯對內斯沃爾尼的模型讚不絕口。

內斯沃爾尼表示下一步要做的是識別出柯伊伯帶中更多的天體，尤其是那些位於「核心」中的，這會幫助科學家們做出更精確的對比，從而提升模型的精度。今年夏天晚些時候，外太陽系起源巡天計劃（Outer Solar System Origins Survey）將正式啟動，內斯沃爾尼希望這項調查的觀測結果可以彌補一些空缺。

「我對觀測結果非常期待，也很想知道觀測結果和模型吻合得怎麼樣。」 內斯沃爾尼說。（撰文：諾拉·泰勒·雷德（Nola Taylor Redd ） 翻譯：張旭陽 審校：李韻琦）

來源：環球科學

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