周一 · 知古通今|周二 · 牧夫專欄
周三 · 太空探索|周四 · 觀測指南
周五 · 深空探測|周六 · 茶餘星話|周日 · 視頻天象
編譯：雷豐圖
參考文章：https://www.universetoday.com/149252/astronomers-have-found-planet-9-in-another-solar-system/
校對：牧夫天文校對組
排版：雷豐圖
在過去的幾十年裡，雖然人們對太陽系愈發了解，但我們仍面對著許多未解之謎，其中之一就是太陽系內是否存在著一個距離極遠的、巨大的第九行星。
沒有人見過這顆行星的真面目。目前我們也只是根據一群繞太陽運行的小天體的軌跡作出推斷。這些天體到太陽的距離是地日距離的250倍，因此被稱為e-TNOs，海（海王星）外天體。由於這些e-TNOs不尋常的集群軌道，人們引入了第九行星的概念，並認為是這顆尚未被發現的行星引力導致了e-TNOs的異常運動。
最近，天文學家發現了一個擁有「九號行星」的系統，該發現為這一假說注入了新的活力。
這顆名為HD 106906b的行星繞著336光年外的一個雙星系統運行。它的質量約為11個木星，軌道半徑是地日距離的730多倍。
目前根據14個e-TNOs的軌道，猜測出第九行星的公轉軌道（淺綠色）。
Credit: Tomruen – Own work, CC BY-SA 4.0
這些成果發表在《天文學雜誌》上，題為《首次探測到HD 106906 b的軌道運動：類九號行星軌道上的一顆寬分離系外行星》，主筆是來自加州大學伯克利分校的阮美吉（Meiji M. Nguyen）。
故事要從2004年哈勃首次觀測到HD 106906 b說起，當時人們對它所在的恆星系統知之甚少。
同樣來自加州大學伯克利分校的保羅·卡拉斯（Paul Kalas）是論文的作者之一。在與《今日宇宙》的郵件交流中，卡拉斯透露了更多關於HD 106906 b有趣的背景故事：有間接證據表明恆星周圍存在塵埃盤，類似於太陽系中的小行星帶和柯伊伯帶。2004年7月24日為了進一步研究，天文學家利用哈勃望遠鏡對這個系統進行了第一次觀測。
當時，科學家並不知道這個恆星系統的中心實際上是雙星系統，也不知道視野中的一顆背景星其實是一顆系外行星。他們只知道的是中心恆星是一個巨量紅外輻射源，由此可推斷周圍有一個溫暖的塵埃盤。
2004年哈勃拍攝的HD 106906， 以及HD 106906 b行星 （圖中標註為b），當時科學家們以為它只是一顆更遙遠的背景星。
Image Credit: Nguyen et al, 2020.
2004年天文學家利用哈勃望遠鏡尋找這個塵埃盤，但他們並沒能認出來。卡拉斯表示：「這個圓盤非常扭曲，以致於我們當時誤以為是噪聲偽影。」 同樣地，天文學家也沒能認出這顆行星。由於行星距離雙星系統過於遙遠，天文學家很自然地將其誤認為是背景星。
故事到了2013年，天文學家利用位於智利阿塔卡馬沙漠的拉斯坎帕納斯天文臺的麥哲倫望遠鏡研究該雙星系統。通過長時間拍攝多張圖像得到了星軌，並將其與HD 106906（雙星）相對於更遙遠的"背景星"在天空中移動的軌跡進行比較， 天文學家發現HD 106906 b（行星）移動的方向和距離與雙星完全一致。確定HD 106906b不是一顆背景星，而是一顆巨行星。
下面就是雙子座行星成像儀（GPI）大顯身手的時候了。GPI是位於智利的雙子座南望遠鏡上的一個極其先進的光學系統。它可以進行光譜和偏振觀測。它的特長是尋找距離恆星相對較近的氣態巨行星，這是其它儀器難以做到的。它還擅長研究像雙星HD 106906周圍的塵埃盤那樣的物質盤。
卡拉斯說：「2015年，我們利用雙子座行星成像儀對雙星周圍的塵埃盤進行直接成像。在查詢哈勃資料庫的時候，我發現早在11年前就已經觀測到了這個塵埃盤。HD 106906b確實是一個行星而不是噪聲偽影。」
GPI對 HD 106906 附近塵埃盤的成像。
Image Credit: GPI/Kalas et al, 2015.
2017-2018年間，天文學家為了對HD 106906系統和塵埃盤進行更加細緻的成像，再次利用哈勃望遠鏡進行了觀測。利用2004年到2018年間的哈勃數據，天文學家首次測量了行星相對於恆星的運動，發現HD 106906 b的一年大約相當於地球上的15000年。
另一個天文臺也參與進來：歐空局的蓋亞任務。卡拉斯解釋：「如果沒有蓋亞衛星的數據，我們根本無法測量HD 106906b在14年裡的微小運動。蓋亞為我們提供了背景星的精確位置，由此我們只需要在建好的參考網格中測量一段時間內位置的變化就可以了。」
天文學家認為，這顆行星的「慢動作」軌道是由於它與其恆星之間的距離較遠，導致恆星與行星之間的引力較弱。細長的傾斜軌道遠在環繞恆星的塵埃盤之外。該塵埃盤本身的形狀也不尋常，這使得它很難被探測到，目前的解釋是因為它受到了來自行星的引力作用。
阮美吉在新聞稿中解釋說："在太陽系中，所有的行星都大致位於同一平面，如果木星軌道相對於這個平面傾斜30度，就會很奇怪。那麼為什麼HD 106906b會位於一個距離恆星那麼遙遠的傾斜軌道上呢？"
根據哈勃望遠鏡從2004年和2017年拍攝的HD 106906 b的位置變化所預測的軌道（白色線），幾乎所有可能的軌道都是極端不對稱的。
Credit: Nguyen et al.
是什麼原因導致了這個變形的塵埃盤？第一個猜想跟行星有關。它一開始形成時可能比現在更接近恆星，然後逐漸向外遷移。最後由於恆星周圍氣體盤的作用, 使它的軌道變成今天的模樣。
但是雙星系統的引力場很複雜，可能會將行星「踢出」它原本「舒適」的位置。它差點兒就被踢出星系，變成一顆流浪行星。但最終，它佔據了星系中的一個偏心軌道。所有這些活動可能將塵埃盤扭曲成不尋常的形狀。
隨後，一顆流浪恆星經過，穩定了HD 106906 b的軌道，這個系統就變成了我們現在看到的樣子。蓋亞衛星還發現了候選的流浪恆星，使這個猜想更具有說服力。
HD 106906 b和我們太陽系假想的第九行星之間有很多相似之處。在第九行星的猜想裡，它也可能是在靠近太陽的地方形成的，但隨後被與木星的相互作用驅逐。這種相互作用很可能將第九行星彈射到太陽系的未知區域，遠遠超出冥王星的軌道。隨後就像HD 106906 b那樣，一顆恆星經過，穩定了第九行星的軌道。
巨行星的「流浪三部曲」
Credit: NASA, ESA, and L. Hustak (STScI)
這就好像我們有一臺時光機，可以回到46億年前年輕活躍的太陽系，當所有物質都在四處亂竄，重新排列，可能會發生什麼。
當然，目前我們依然只有第九行星的間接證據。但很多科學發現都是出自不斷積累的證據。海王星是用數學的方法，早在沒有直接觀測之前就被預言了。它被發現的部分原因是天王星不規則的公轉軌道。因此海王星的發現被認為是利用不規則軌道尋找行星的成功案例。
我們觀察太陽系比觀察其他星系要容易得多，我們知道有一組天體有著不尋常的集群軌道。會不會是第九行星造成的？如果一顆行星確實是造成海外天體軌道異常的原因，那麼它應該有一個相對於太陽系平面傾斜的偏心軌道。這就類似於HD 106906b的情況。
第九行星假說只是一種可能的解釋。一些天文學家認為，eTNOs的綜合質量或許為其軌道提供了必要的引力。另一些人則認為，第九行星實際上可能是一個太初黑洞，而不是行星。還有人認為是觀測偏倚在起作用，eTNOs的軌道集群只是更大格局中的一小部分。
但HD 106906 b的發現無疑給第九行星假說帶來了新的啟示。我們現在知道，一顆大行星可能會在一個極遠的軌道上運行。接下來，也許我們可以探測到HD 106906 b自己的一小群天體，HD 106906b塑造了這些天體的軌道。不過這已經遠超我們現有的觀測能力。
至於HD 106906系統，我們可能只是在研究它的初期，很多問題仍沒有得到解答。我們可能要等待觀測能力的再一次飛躍。
責任編輯：毛明遠
牧夫新媒體編輯部
『天文溼刻』 牧夫出品
微信公眾號：astronomycn
藝術家對於 HD 106906 b 的猜想，一個比木星更大的巨行星在離恆星一千億公裡的軌道上運行。
Credit：
ESA/Hubble, M. Kornmesser
謝謝閱讀