為什麼在冥王星之外不可能有一顆大行星呢?

2020-12-04 天文在線

早些時候,因想要將冥王星從行星之列除名而出名的邁克·布朗和康斯坦丁·巴蒂金組成的團隊宣布了一個驚人的消息:他們發現了冥王星軌道之外存在第九顆行星的證據。不像宣稱發現其他遠遠超出已知世界軌道的大星球(X行星,復仇女神,一個巨大的冥王星等等)時,這不僅僅是基於推測:這一次,有一些令人信服的證據。正如邁克·布朗自己所說,「如果你說,『我有關於X行星的證據』 ,幾乎所有的天文學家都會說,『這又是什麼?這傢伙明顯瘋了。』我也會這樣說。但為什麼這一次不同呢?是因為我們是對的。」但他們真的是對的嗎,還是只是更聳人聽聞的瘋狂言論?

藝術家對冥王星軌道之外可能存在的第九顆行星——一個巨大的世界——的再現。圖片來源:加州理工學院/羅伯特·赫特。

你可能認為發現一顆新行星的最好方法就是把你的望遠鏡指向任何你認為其可能存在的地方——或許是整個天空——然後把任何看起來距離很近的東西歸類。畢竟,天文學史上最著名的兩個天體——1781年由威廉·赫歇爾發現的天王星和1930年發現的冥王星,就是通過這種方式被發現的。雖然大多數人都不知道它們,但這種方式與19世紀初首次發現小行星,以及從20世紀90年代開始發現冥王星(及其衛星)以外的柯伊伯帶天體是一樣的。

圖片來源:洛厄爾天文臺檔案,克萊德·湯博1930年鑑定冥王星的原始圖片。

之所以說這是一個很好的方法,是因為這個方法很直接:你可以直接將它成像。此外,通過追它在多幅圖像上的運動,你可以將它與遠處的物體區分開來;太陽系裡的某些物體與天空中的所有其他物體(恆星、星系、星雲等)之間的距離足夠近,移動速度也足夠快,以至於很容易從其他物體中分辨出來。但你越往遠處看,就越難想像出這樣一個物體:發出的亮度隨著距離平方的增加而降低;太陽光既要照到該行星,又要將光反射至地球;即使像海王星(將近地球質量的20倍)這樣巨大的世界,並不比地球大多少(直徑甚至還不到地球的4倍),使得發現它們特別困難。這就是為什麼有另一種方法是如此重要:間接法,實際上我們可以通過看到的物體所受的引力影響而尋找到它。

圖片來源:R.I.T的麥可·里奇蒙,海王星是藍色的,天王星是綠色的,木星和土星分別是青色和橙色的。

在發現第七顆行星天王星後,天文學家開始注意到它的一些奇怪之處。相較於牛頓定律在物體距離上預測的軌道速度,它被觀測到剛開始移動的比預測速度快很多(左圖),然後處於預測速度(中圖),然後又比預測速度慢(右圖)。雖然有些人認為牛頓定律應該被質疑,但一些天文學家和數學家指出,可以通過另一個尚未被發現的外界大質量世界對天王星提供額外的引力「牽引」來解釋這種奇特的運動。勒威耶於1846年預測了這顆行星的位置,並在距其預測位置不到一度的地方發現了海王星。

利用類似的技術,布朗和巴蒂金一直在觀察大量長周期、運動方向偏向太陽系中心的柯伊伯帶天體——太陽系中迄今為止發現的繞行軌道最遠的天體,比如塞德娜,並且發現了關於它們運動的一些非常奇特的東西。

圖片來源:天文學家K.巴蒂金和M.E. 布朗。J.151,22(2016)。這是他們論文中的圖二;包括標題。

你是否注意到所有的「灰色」點(靠近柯伊伯帶的物體)到處都存在?這意味著它們的軌道似乎不是來自天空中任何特定的地方或來源。但是你又是否注意到了這些更遙遠的——上圖中的「紅色」——它們是如何在黃道經度的狹窄範圍內出現的呢?這不太可能是偶然的:如果你有六個隨機的物體,發現它們都是這樣排列的,那麼讓它們如此緊密地聚集在一起的機率只有1/140左右。

雖然從圖中看不是很明顯,但是它們同時還聚集在黃道緯度上,這意味著它們的角度與太陽系中行星的平面非常相似。這種情況的概率也很小,大約是1%。結合上述,這六個對象現有屬性偶然發生這些情況的概率只有0.007%或3.8σ。所以現在的問題是什麼?為什麼這些物體聚集在一起?布朗和巴蒂金認為,很有可能是什麼東西使這些天體具有類似的性質:一顆質量是地球質量數倍的巨大行星——也許接近海王星的質量——位於距冥王星軌道數百倍的地日距離之外。

圖片來源:天文學家K.巴蒂金和M.E. 布朗。J.151,22(2016),E.西格爾修改/補充。

然而,我們有很多理由去質疑這是否是對宇宙萬物最好的闡釋。如果是發現太陽系「真正」第九大行星的人把冥王星從行星之列除名,那這將會是一件非常有趣(且充滿諷刺)的事情。如果太陽系中真的有一個迄今為止高度傾斜,高度偏向太陽系中心的行星軌道,會導致很多後果。它們包括:

柯伊伯帶一群相對排列的天體周期將會變長:與我們已發現的6個天體的黃道緯度和京都相反。

柯伊伯帶中大量的天體將會傾斜,其運行軌道會變成中-長周期與反方向運動。

一個附加但尚未發現的機制,以保持天體的半長軸範圍集中在150-250A.U.,或是一群與塞德娜相似的物體,它們的半長軸甚至更大。

第一類天體還未發現;第二類天體已發現多年了(現在已經有四顆了,這是真的),第三類沒有所屬的類別,也沒有這一類的天體。

WISE望遠鏡發現的一顆附近的恆星。WISE(廣域紅外探測器)望遠鏡是一種中波長紅外探測器,覆蓋了整個天空。圖片來源:

DSS/NASA/加州理工學院-噴氣推進實驗室。

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