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远远超出冥王星,可能的星球九等待发现

艺术家对可能的第九颗行星的概念,被称为Planet Nine,据信因为它对我们太阳系中的外部物体施加的拉力而存在。图片来源:Caltech / R. 伤害(IPAC)

来自加州理工学院的Kimm Fesenmaier

加州理工学院的研究人员已经发现了一颗巨行星在外太阳系中追踪一个奇异的,高度拉长的轨道的证据。研究人员绰号为Planet Nine的物体的质量大约是地球的10倍,并且平均距离太阳20倍的轨道比海王星(它以28亿英里的平均距离绕太阳运行)。事实上,这个新行星需要1万到2万年才可以在太阳周围完成一个完整的轨道。

研究人员Konstantin Batygin和Mike Brown通过数学建模和计算机模拟发现了这颗行星的存在,但还没有直接观察到这个物体。

“这将是一个真正的第九颗行星,”理查德和芭芭拉罗森伯格行星天文学教授布朗说。“自古以来就发现了两颗真正的行星,这将是第三颗。它是我们太阳系中非常重要的一块,它仍然存在,这非常令人兴奋。”

布朗指出,假定的第九颗行星 - 质量是冥王星质量的5000倍 - 足够大,以至于不应该就它是否是一颗真正的行星进行辩论。与现在被称为矮行星的较小物体不同,行星九重力占据了太阳系的邻域。事实上,它占据了一个比任何其他已知行星更大的区域 - 布朗说这一事实使其成为“整个太阳系中行星中行星最多的行星”。

Batygin和Brown在当前的“ 天文学杂志”中描述了他们的工作,并展示了Planet Nine如何帮助解释海王星之外的冰冷物体和碎片领域的一些神秘特征,称为柯伊伯带。

图片来源:Caltech / R. 伤害(IPAC)

“虽然我们最初对这个星球可能存在持怀疑态度,但随着我们继续研究它的轨道以及它对外太阳系的意义,我们越来越相信它就在那里,”行星助理教授巴蒂金说。科学。“这是150多年来的第一次,有确凿的证据表明太阳系的行星普查是不完整的。”

理论发现的道路并不简单。2014年,布朗的博士后,查德特鲁希略和他的同事斯科特谢泼德发表了一篇论文,指出柯伊伯带中13个最远的物体与晦涩的轨道特征相似。为了解释这种相似性,他们提出了可能存在的小行星。布朗认为行星解决方案不太可能,但他的兴趣被激怒了。

他把问题从大厅带到了Batygin,两人开始了为期一年半的合作,以调查遥远的物体。作为一个观察者和理论家,研究人员分别从不同的角度来看待这项工作 - 布朗是一个看着天空,试图将所有东西都固定在可以看到的东西上的人,而巴蒂金则是把自己放在动态的背景,从物理学的角度考虑事物的运作方式。这些差异使研究人员能够挑战彼此的想法并考虑新的可能性。“我会引入其中一些观察方面的问题;他会从理论上反省,我们会相互推动。我认为如果没有这种反复发现就会发生这种发现,”布朗说。“

很快,巴蒂金和布朗意识到特鲁希略和牧羊人原始集合中六个最远的物体都遵循椭圆轨道,这些轨道指向物理空间中的相同方向。这尤其令人惊讶,因为它们的轨道的最外点在太阳系周围移动,并且它们以不同的速率行进。

“这几乎就像六只手上的时钟都以不同的速度移动,当你碰巧抬头时,它们都在完全相同的位置,”布朗说。他说,发生这种情况的可能性大约是100分之一。但除此之外,六个物体的轨道也都以相同的方式倾斜 - 相对于八个已知行星的平面在相同方向上向下指向约30度。发生这种情况的概率约为0.007%。“基本上它不应该随机发生,”布朗说。“所以我们认为其他东西必须塑造这些轨道。”

他们研究的第一种可能性是,也许有足够远的柯伊伯带天体 - 其中一些尚未被发现 - 发挥所需的引力以保持该亚群聚集在一起。研究人员迅速排除了这一点,结果发现这样的情景需要柯伊伯带的质量是现在的质量的100倍。

这让他们想到了一颗行星。他们的第一直觉是进行模拟,涉及一个行星在一个遥远的轨道上,环绕六个柯伊伯带天体的轨道,就像一个巨大的套索,将它们纠缠在一起。Batygin说,它几乎可以工作,但不能精确地提供观察到的偏心率。“关闭,但没有雪茄,”他说。

然后,Batygin和Brown偶然发现,如果他们在一个反对齐的轨道 - 一个轨道上运行他们的模拟,在这个轨道中,行星最接近太阳或近日点,距离近日点的180度。所有其他物体和已知的行星 - 模拟中的远处柯伊伯带天体物体假定实际观察到的对齐。

“你的自然反应是'这种轨道几何形状不能正确。这在长期内不会稳定,因为毕竟这会导致行星和这些物体相遇并最终发生碰撞,'”Batygin说。但是通过一种称为平均运动共振的机制,第九行星的反对准轨道实际上阻止了柯伊伯带天体与它碰撞并保持它们对齐。当轨道物体相互接近时,它们会交换能量。因此,例如,对于Planet Nine制造的每四个轨道,一个遥远的柯伊伯带天体可能完成九个轨道。他们永远不会碰撞。相反,就像父母在周期性推动的情况下将孩子的弧线保持在秋千上一样,Planet Nine推动远处柯伊伯带天体的轨道,以保持它们与行星相关的配置。

“尽管如此,我还是非常怀疑,”巴蒂金说。“我从未在天体力学中见过这样的东西。”

但随着研究人员调查该模型的其他特征和后果,他们逐渐被说服了。“一个好的理论不应该只解释你要解释的事情。它应该有希望解释你没有解释和做出可测试的预测的事情,”Batygin说。

事实上,Planet Nine的存在有助于解释远远超过远处柯伊伯带天体的对齐方式。它还为其中两个跟踪的神秘轨道提供了解释。第一个被称为Sedna的物体是布朗在2003年发现的。与标准品种的柯伊伯带天体不同,后者被海王星引力“踢出”然后返回它,塞德娜从未接近海王星。2014年,Trujillo和Shepherd宣布了第二个对象,如Sedna,被称为2012 VP113.Batygin和Brown发现,在其拟议的轨道中出现的Planet Nine通过采用标准的柯伊伯带物体并慢慢拉动自然产生类似Sedna的物体它进入一个与海王星相连的轨道。

但是研究人员的真实情况是,他们的模拟还预测了柯伊伯带中的物体会在垂直于行星平面的轨道上倾斜。Batygin在他的模拟中不断找到这些证据并把它们带到布朗。布朗回忆说:“突然间,我意识到有类似物体。” 在过去三年中,观察者已经确定了四个物体沿着海王星的一条垂直线和一个物体沿着另一条物线大致轨道运行。“我们绘制了这些物体及其轨道的位置,它们完全匹配了模拟,”布朗说。“当我们发现这一点时,我的下颚就会撞到地板上。”

“当模拟与遥远的柯伊伯带天体对齐并创造出像塞德娜这样的物体时,我们认为这有点令人敬畏 - 你用一块石头杀死两只鸟,”巴蒂金说。“但是,由于行星的存在也解释了这些垂直的轨道,你不仅会杀死两只鸟,而且还会捕获一只你没有意识到坐在附近树上的鸟。”

Planet Nine来自哪里,它最终是如何进入外太阳系的?科学家们一直认为,早期的太阳系始于四个行星核心,它们继续捕获周围的所有气体,形成四个气体行星 - 木星,土星,天王星和海王星。随着时间的推移,碰撞和弹射塑造了它们并将它们移动到它们当前的位置。布朗说:“但没有理由不会有五个核心,而不是四个核心。” 九号行星可以代表第五核心,如果距离木星或土星太近,它可能会被射入遥远的偏心轨道。

Batygin和Brown继续完善他们的模拟并更多地了解地球轨道及其对遥远太阳系的影响。与此同时,布朗和其他同事已开始在天空中寻找Planet Nine。只知道行星的粗糙轨道,而不是行星在椭圆路径上的精确位置。布朗说,如果行星恰好接近它的近日点,天文学家应该能够在以前的调查所捕获的图像中发现它。如果它位于轨道最远的地方,世界上最大的望远镜 - 例如WM凯克天文台和斯巴鲁望远镜的双10米望远镜,都在夏威夷的莫纳克亚 - 将需要看到它。然而,如果Planet Nine现在位于其间的任何地方,许多望远镜都有机会找到它。

“我很想找到它,”布朗说。“但如果其他人找到它,我也会非常高兴。这就是我们发表这篇论文的原因。我们希望其他人能够获得灵感并开始寻找。”

在更多地了解太阳系在宇宙其他部分的背景方面,Batygin说,从几个方面来看,这第九颗行星对我们来说似乎是如此古怪,实际上会让我们的太阳系更加类似于其他行星系统天文学家正在寻找其他恒星。首先,围绕其他类太阳恒星的大多数行星都没有单一的轨道范围 - 也就是说,一些轨道非常接近它们的主星,而另一些则跟随极远的轨道。其次,围绕其他恒星最常见的行星范围在1到10个地球质量之间。

“关于其他行星系统最令人吃惊的发现之一就是那里最常见的行星类型在地球和海王星之间有质量,”Batygin说。“到目前为止,我们一直认为太阳系在这种最常见的行星上是缺乏的。毕竟,我们可能更加正常。”

布朗因其在冥王星从一颗行星向一颗矮行星的降级中扮演的重要角色而闻名,他说:“所有那些疯狂冥王星不再是行星的人都会惊讶地知道有一颗真正的行星在外面还有待发现,“他说。“现在我们可以去寻找这个星球,让太阳系再次拥有九个行星。”

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