科學家結合傳統的
天文學知識與新型計算技術，
探索太陽系的邊緣地帶。
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克•E•布朗（Michael E. Brown）常被人們稱為「冥王星殺手」，而他坦然接受了這一綽號。布朗坐在帕薩迪納市加州理工學院的辦公室裡，沐浴在陽光下的他開玩笑說，那個2006年被重新歸類為矮行星的冥王星是自找的。2005年，布朗發現了鬩神星，這是一顆處於外太陽系、泛著冷光的矮行星，比冥王星要大得多，並以希臘神話中鬥爭女神厄裡斯的名字命名（譯者註：鬩神星的英文名為Eris）。
現在，布朗有充分的理由來期望，歷史銘記他不是因為他發現了鬩神星而令冥王星降級，而是因為他是尚未觀測到的、真正的第九大行星的發現者之一，該行星體積與海王星類似，其巨大的質量或許使整個太陽系都傾斜了幾度。
我在近傍晚時分見到了布朗，那時他才吃完早飯不久。52歲的他穿著匡威運動鞋，不時摸著自己一周沒有刮過的鬍子。他正在調整自己的睡眠時間。當夜幕降臨時，他就會化身為「保姆」，遠程照看自己的巨型望遠鏡，用它從夏威夷莫納克亞山白雪皚皚的山頂掃描整片天空。去年，布朗與康斯坦丁•巴提金（Konstantin Batygin，曾是布朗的學生，現在擔任教職，兩人的辦公室相鄰）聯合公布的計算結果顯示，第九大行星真的存在。他們堅信第九大行星就在宇宙的某一處，這個星球的冰凍世界與太陽相距甚遠，大概5.5光天，約1500億千米；該行星上正午時分的光線還沒有地球上夜晚的月光亮。
世界上的幾個天文學家團隊被這幾條匯集的證據線索說服，或者說產生了興趣。現在這些團隊正努力回答一個顯然要在接下來解決的問題：第九大行星在哪裡？人們認為第九大行星的質量是地球的8到10倍，直徑是地球的2到4倍，但一直沒有觀測到它。
耶魯大學的天文學家格雷格•勞克林（Greg Laughlin）說：「根據我們對其當前位置與亮度的最佳推算結果，它與地球的距離是地球與太陽距離的950倍。」第九大行星像冥王星最小的衛星那樣暗淡無光，在哈勃空間望遠鏡的鏡頭中，最多只有兩個像素寬。在傳感器噪聲的隨機散斑以及遠距離恆星和變星的閃爍中，探索人員很容易錯過它。由於該行星距離地球太遠，幾乎處於太陽系高度橢圓軌道最遠的一端，繞軌道一周需1.5萬年，因此，天文學家們要想觀察該行星相對於更遠距離恆星的視位偏移，就不得不等上一天或是更長時間，獲取恰當天空區域的連續圖片。
地球上的巨型望遠鏡幾個月來一直在不停地掃描天空。在莫納克亞山上，布朗與巴提金一直採用日本的昴星團望遠鏡進行觀察。昴星團望遠鏡口徑為8.2米，其數位相機重3噸，像素為8.7億。利用該望遠鏡的還有兩位經驗老道的小行星獵人，分別是來自北亞利桑那大學的查德•特魯希略（Chad Trujillo）和卡內基科學研究所的斯科特•謝帕德（Scott Sheppard）。與此同時，其他專業及業餘的天文學家，也大海撈針般地在海量圖片檔案中查找。
他們當中的任何一個都可能成為幸運兒。但明智的投資是研發軟體，用軟體去挖掘探索，或去揭示這種探索的荒謬。超級計算機仿真和雲端仿真正在對有著數十億年歷史的天體結構進行建模，以確定第九大行星最有可能的運行軌跡。位於帕薩迪納的噴氣推進實驗室的工程師們，一直在分析來自卡西尼號探測器的遙測數據，試圖獲取這顆假定星球在其巨大軌道中的當前位置。還有兩位野心勃勃的研究生正準備在千萬億次級的CrayXC40超級計算機上部署機器學習軟體。他們的目標是將多張圖片（第九大行星就藏身於其中的傳感器背景噪聲裡）結合在一起，進行智能處理，生成一張第九大行星確定無疑的清晰圖片。
雖然很多天文學家和布朗一樣富有激情，期待發現170年來首顆比地球更大的行星，但也有一些天文學家擔心會被數據中的微小偏差或巧合欺騙。「我的直覺——完全沒有道理可講——是這顆行星真正存在的概率只有60%或70%。」勞克林說。
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伽利略如果能更好地整理記錄，就能發現天王星了。伽利略在1612年捕捉到了海王星的身影，但誤以為它是一顆恆星。直到1782年業餘觀星者威廉•赫歇爾（William Herschel）偶然發現了一顆星體——他原本以為是一顆彗星。得知了這一發現的其他天文學家計算出其圓周軌道，證實這一天體是一顆行星，並將其命名為天王星。
進一步的觀測結果表明，天王星偶爾會偏離已經計算好的軌道——這也說明可能還存在其他尚未發現的行星，使天王星由於引力作用而偏離軌道。1846年，約翰•柯西•亞當斯（John Couch Adams）和於爾班•勒韋裡耶（Urbain LeVerrier）獨立使用這些偏差數據，計算海王星的質量、體積、運行軌道的形狀及其在天空中的當前位置。但得到的數據幾乎都是錯的，只有關鍵的觀察區域是對的，勒韋裡耶預測的誤差值在1度以內。於是，德國天文學家將他們的望遠鏡對準了這一觀測區域，不到一個小時就發現了海王星。
海王星的發現解釋了天王星出現異常運動軌跡的部分原因，卻並非全部。1905年，珀西瓦爾•羅威爾（Percival Lowell），一個富裕又滿腔熱血的美國數學家，在自己的天文臺（位於亞利桑那州旗杆市）啟動了一個項目，來探索比海王星更遠的行星。然而，在常駐天文學家克萊德•湯博（Clyde Tombaugh）發現冥王星（也是一個令人愉快的意外發現）之前，他便離世了。半個世紀後，當「旅行者二號」飛越海王星時，天文學家們才了解到他們對海王星的質量預估比實際高了0.5%。這一誤差充分解釋了天王星異常的運動軌跡，而對較小的冥王星來說，這種異常就很明顯了。
這一坎坷的行星探測歷史並沒有阻擋布朗和巴提金前進的腳步。2001年以來，布朗領銜在凱伯帶（冰冷小行星組成的巨大環帶，位於海王星軌道外）內外探索了30多顆海王星外天體（TNO）。布朗發現的其中3顆行星——鬩神星、妊神星及鳥神星——已經被官方認定為矮行星，與冥王星一樣。其他行星如塞德娜、奧迦斯及創神星也即將得到矮行星的榮譽稱號。（根據定義，當一顆行星圍繞一顆星體運動時，會產生行星引力場，吸引或排斥附近的天體。而矮行星的引力場太弱，無法以同等程度來影響附近的天體。）
現在，布朗正在追逐最大的獎項。他的追逐之路始於2014年夏季的某一天。那天，布朗拿著一本《自然》雜誌走進巴提金的辦公室。「你知道這有多麼不可思議嗎？」他問道。他指著特魯希略和謝帕德近期論文上的一個圖表，這篇文章報導了2012VP113的發現。這是一個疑似冰凍矮行星的新海王星外天體。
就像布朗和特魯希略10年前發現的冰冷矮行星塞德娜一樣，VP113也是一個極端海王星外天體，它神秘地「脫離」凱伯帶，現在跑到了離海王星很遠的地方。與塞德娜的另一相似之處在於，VP113的運行軌道相當長，以陡傾角向不變平面傾斜（除軌道運動混亂的水星外，所有行星均在不變平面運行）。
在他們繪製的圖表中，特魯希略和謝帕德展示了迄今為止已經發現的12個極端海王星外天體。這些天體運行軌道的長軸大致對齊，而不是像預料中那樣隨機鋪開。他們寫道：「這表明，外太陽系可能存在一個巨大的幹擾因子（也許是一個尚未檢測到的幹擾因子）。」他們得出了幾個可能的解釋。
與專門從事觀測的布朗、特魯希略和謝帕德不同，時年31歲的巴提金被譽為天體力學大師。通過對6個最遙遠的海王星外天體進行標號，然後在黑板上進行快速運算，巴提金意識到這個「幹擾因子」一定是一顆巨行星，並在一個高度伸展的傾斜軌道上運行。該行星持續的引力影響使圍繞著太陽運行的海王星外天體進入完全不同的軌道。
整整一年的時間裡，他和布朗檢驗了其他的可能性；同時，將第九大行星添加到太陽系模型，並用超級計算機模擬運行了好幾周。他們計算出，第九大行星的存在不像是巧合。「如果我們在這個距離上隨機挑選6個天體，那麼我們能把它們緊緊地聚合在一起的概率是多少呢？」巴提金回憶道，「答案是0.007%。」
特魯希略說，這個概率現在更加小了，因為那些經常出沒在太陽系外部邊緣的奇特小行星數量增加了：從2006年初的6個增加到了20個。在同一個傾斜平面的垂直方向上，與第九大行星一樣運行的天體約有十幾個，但是這些行星經過太陽的方向與第九大行星相反。另外有兩三顆行星會跟第九大行星對齊，還有一些行星的軌道竟然幾乎與太陽系的其他星體軌道呈直角，其中幾顆行星的軌道甚至離太陽越來越遠。「所有這些都完美地吻合。」巴提金說，「隨著時間的推移，證據的數量只增不減。」
去年夏天，加州理工學院的研究生伊莉莎白•貝利（Elizabeth Bailey）研究了困擾天文領域一個世紀的難題：是什麼讓太陽自轉軸與不變平面不垂直，而是與垂直方向存在6度傾角？有沒有可能，自太陽從原行星盤中誕生以來，太陽自轉軸本身一直沒有變化，而是那個沿高角度軌道運行的第九大行星逐漸使其他行星的軌道平面向上偏移了6度？
貝利計算了第九大行星要完成這一壯舉所需的質量和軌道。計算結果與巴提金和布朗提出的數值範圍相重合。一個由法國與巴西天文學家組成的團隊在同年12月獨立地發布了相似的計算結果。
宇宙中存在一顆巨大但尚未被發現的行星，這一觀點已從可能發展到可信，第九大行星的獵人們現在不得不面對最大的挑戰：將自己的望遠鏡指向哪裡。「實際上，我們並不知道這顆行星在其運行軌道的哪個位置上。」巴提金如是說。為了縮小研究範圍，他的團隊和其他天文學家通過計算機仿真篩選線索，這些仿真簡要概括了太陽系在過去10億年間的演變歷程，並預測了太陽系遙遠的未來。
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裝在布朗辦公桌上的兩臺27英寸顯示器屏在不停運行，7張圖表上滾動著數百條紅白條紋。對於外行來講，掛在辦公室牆上的蒙德裡安的抽象畫作反而更易理解。但是對於布朗來說，每一個條紋都代表著一顆小行星或行星，每一張圖分別展示決定第九大行星質量、運行軌道形狀以及當前位置的7個關鍵參數中的一個。
「我正在為7個參數賦予不同的值，模擬外太陽系真實天體的12種集合，研究它們在下一個10億年間如何運行。」他說。這些數值的組合僅僅是猜測，僅憑直覺而來。「如果其中一組值起作用了，我會開心得跳起來。」他微笑著說。這意味著新發現的行星不會造成嚴重破壞，虛擬的太陽系在下一個10億年中會一直運行。
由於科技的進步，他的工作站僅僅耗費了兩天的時間，就完成了對200個天體在10億年間相互作用的仿真。摩爾定律對這一技術進步起到了顯著的作用。另外，在20世紀90年代初，算法領域又取得了一次大突破，也就是我們所熟知的辛積分。這一算法將計算時間降低了一個數量級。然後進入了多核、大規模並行計算系統的時代，這一系統非常適用於布朗所說的「高度並行」問題，如追蹤多個天體軌跡如何從寬泛的初始條件開始演化等問題。
辛積分太過複雜，連布朗都承認，自己無法完全理解這一數學概念。「但核心點在於如何利用圍繞太陽運行的已知天體，它們大多數的運行軌跡都很簡單。」他解釋道，正如克卜勒定律對行星運動所描述的一樣——外加一些微小的擾動。因為辛積分的積分器無須花費時間一遍又一遍地重新探索克卜勒定律，因此運行軌道的模擬速度比從前的方法快數百倍。水星（Mercury，請勿將其和行星名稱混淆）是最受歡迎的辛幾何建模平臺之一，而且已經成為若干個行星探測團隊（包括布朗和巴提金團隊）的選擇。
去年秋天，耶魯大學的勞克林及其研究生莎拉•米爾霍蘭德（Sarah Millholland）運用馬爾可夫鏈蒙特卡羅算法強化了Mercury平臺，使其能更加迅速地進行軌道計算；運用耶魯大學配置的1000個內核超級計算集群，他們能在一個月內模擬1千億億年的軌道運行情況。不僅追蹤了11顆極端海王星外天體，還探索了研究中出現的不確定性問題。
「我們得到的軌道參數與布朗和巴提金得出的計算值很吻合。」勞克林如是說，「但我們的仿真得到了更精確的天空位置來找到它。」勞克林團隊在2月份發表的論文，以及特魯希略在今年4月份所展示的超級計算機仿真結果，均將第九大行星的位置確定在鯨魚座或波江星座周圍，約是當前地球到冥王星距離的28倍遠。「這依然是一個相當寬泛的探索範圍。」特魯希略如是說。
同時，在科羅拉多的西南研究院，大衛•奈斯沃尼（David Nesvorný）一直在修改原本已經很詳細的凱伯帶形成模型（從太陽系的早期開始），以模擬當第九大行星加入時會發生什麼情況。這個以辛代碼SyMBA為基礎進行的仿真，從太陽系形成初期就可能存在的100萬個虛擬海王星外天體開始模擬。該系統計算了45億年的進化歷程，然後對比了今天天文學家們觀察到的結果。利用NASA阿得斯超級計算機（500個CPU內核），系統的每一次運行都要耗費5周以上的時間才能完成。
運行得到的初步結果看起來令人振奮：極端海王星外天體的運行軌道與其他已經被發現的星體軌道是對齊的。「這表明它們可能受到第九大行星的影響。」奈斯沃尼說。但當他研究第九大行星對某一類彗星的影響時，事情卻並沒有想像中那麼順利。
「在添加第九大行星之前，我的模型很好地重現了這些彗星的所有運行軌跡參數。」他說。在這個模型中，新行星的出現使所謂的離散盤出現了傾斜，而這個離散盤又是木星系彗星的發源地，因而造成虛擬彗星進入太陽系的傾角比實際上的大。
針對「第九大行星理論上存在」的更多說明來自卡西尼號探測器，其於2004年開始進入土星的軌道進行監測。根據太空飛行器每分鐘的速度變化及其他遙測技術，卡西尼團隊計算出的地球到土星的距離誤差已控制在3米之內。如果第九大行星距離不遠或質量足夠大，即便其引力對土星運行軌道只造成微小的偏差，這種測量精度也可以測量出來。美國噴氣推進實驗室的首席工程師威廉•福克納（William Folkner）說，他和同事曾經檢查過相關數據，但沒發現土星軌道出現可察覺的扭曲現象。他說，如果第九大行星真的存在，而且是地球質量的10倍，那麼，其必然在假設軌跡中最遠點的25度範圍內。如果第九大行星的質量輕一點——布朗目前認為其質量是地球質量的8倍——它也要有40度的變動空間來隱藏自己。
不管是肯定的還是否定的結果，都為那些正在使用望遠鏡尋找第九大行星的觀察者們提供了幫助。除了利用昴星團望遠鏡的團隊之外，謝帕德和特魯希略將推進在智利高原沙漠中的研究工作，說不定在南半球更容易觀察到該行星。在那裡，他們利用了4米的布藍柯望遠鏡的5.7億像素暗能量相機（DECam），以及6.5米的麥哲倫望遠鏡。
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「實際上，我覺得掃描天空是無法發現第九大行星的。」布朗如是說，「我認為我們能發現它，但會有人先在檔案資料中找到它。」在發現天王星與海王星後，天文學家們注意到早期的觀星者曾多次記錄了這兩個天體，但並沒有識別出它們是什麼。為了從老照片中找到新的行星，目前至少啟動了4個項目。
來自密西根大學的大衛•格迪斯（David Gerdes）查閱了DECam的研究觀察檔案，試圖找到該行星的圖片。無獨有偶，布朗提出：「我們預期的行星運行軌跡正好在暗能量調查（DarkEnergy Survey）視場中。」
業餘天文愛好者隊伍也加入了這場遊戲。在2月份，來自NASA戈達德太空飛行中心的馬克•庫切納（Marc Kuchner）協助啟動了一項眾包項目，比對廣域紅外線巡天探測衛星望遠鏡連續拍攝的紅外圖像，對天空同一個目標點進行觀測。截至7月份，該項目已經招募了4萬名志願者，這些志願者瀏覽了超過12.5萬個空間組塊。在3月份發起的「南部天空」（Southern Sky）活動中，參與者使用澳大利亞SkyMapper望遠鏡所採集的數據，僅3天就掃過了10.6萬個區域。這些民眾科學項目值得讚賞，但是成功概率很低，因為所涉及的小型望遠鏡無法採集到足夠的光線，幾乎無法看到想像中暗淡而遙遠的第九大行星。
麥可•梅德福（Michael Medford）與丹尼•戈德斯坦（Danny Goldstein）均是美國加州大學伯克利分校的研究生，他們認為自己可以找到方法解決這個問題。他們藉助成千上萬張涵蓋了第九大行星研究區域的圖片——這些圖片都是在2009年至2016年間用一臺1.2米望遠鏡在聖地牙哥南部山區所拍攝的。他們研發的系統能以一種獨創的方式，同時將多張圖片組合在一起，增強第九大行星微弱的光亮，把它從背景噪聲中區分出來。
「相比於背景恆星，行星一直處於不斷移動的狀態，不能僅將圖像簡單地疊加在一起。」梅德福指出。相反，他們的軟體會對第九大行星的預期軌道逐一進行篩選，將行星的運動映射到天空中，然後偏移併疊加連續拍攝的圖片，增亮與行星對應的任一像素。彼得•紐金特（Peter Nugent）作為他們的指導老師，也參與編寫了一系列軟體。軟體能夠執行照片覆蓋操作，也可刪除已知對象（如恆星）。
由於行星運行軌道的不確定性，計算機的計算任務十分艱巨。根據梅德福的估計，如果要完成98%的研究任務，他們需要獲取100億張圖片。幸運的是，紐金特可以利用超級計算機科裡（Cori），這是一種新型Cray XC40系統，是世界第五大超級計算機。
錯誤肯定是無法避免的。「即便100萬次研究中只有一個錯誤，也會導致我們找到1萬顆假行星。」戈德斯坦如是說，「因此我們要訓練機器學習系統檢測過濾所有的信息，以捕捉及剔除偽跡——衛星尾跡、熱噪點、宇宙射線及其他虛假來源。」
根據手上的可用數據，兩位研究人員預計，系統能夠在數百個科裡CPU節點以及每個節點所附帶的278個超線程中並行運行，待到8月份他們啟動任務時，計算在幾天內便可完成。「我們將激動不已。」戈德斯坦說，「無論我們有沒有發現第九大行星，這一方法都可以用來檢測其他的海王星外天體。」
「我支持他們。」布朗說。雖然通過傳統的觀察法已經取得了重大發現，「但我從1998年開始就一直在重複著同一件事，」他說，「太無聊了，我已經厭倦了。」
他回想起阿波羅登月任務期間的技術，他的父親作為NASA的工程師也參與其中。他說道：「通過智能計算技術發現大行星可能是一種更為有效的方法。」因為這種方法展現了驕人的雙重發現：天體的萬神殿中增加了一員猛將，同時又多了一種強有力的計算技術，來發現那些隱藏在宇宙角落中的神秘星體。
作者：W. Wayt Gibbs
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