太阳系或潜伏多颗未知行星 第九行星将被发现
2016-07-10 16:43:44   来源:科学网
内容摘要
“暗能量勘测”是一项南半球天文观测项目,通过观测遥远星系,探测宇宙加速现象。一位专家指出,太阳系“第九行星”存在的证据可能隐藏在“暗能量勘测”数据之中。近期,法国研究小组使用美国宇航局卡西尼观测数据,观察地球和土星之间的距离,从而缩小第九行星的存在范围。美国密歇根大学教授称,如果的确存在第九行星,最快将于2016年夏季末发现它。

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2016年1月份,美国加州理工学院天文学教授康斯坦丁·巴特金(Konstantin Batygin)和迈克·布朗(Mike Brown)称,第九行星的存在是颇具争议的。他们使用数学建模和计算机模拟发现这颗行星,能够精确解释柯伊伯带矮行星群的独特聚丛特征,柯伊伯带是海王星之外的冰晶天体和残骸区域。

这颗未知行星也被命名为“行星X”,被认为质量是地球的10倍,是距离太阳最远的行星,但是它的精确位置并不清楚。基于这项预测,研究人员使用不同科学设备对这颗行星进行勘测,“暗能量勘测”研究小组成员、美国密歇根大学教授大卫·格迪斯(David Gerdes)说:“我开始搜寻第九行星几乎是一个偶然。”

“暗能量勘测”是一项南半球天文观测项目,通过观测遥远星系,探测宇宙加速现象。自从3年前2013年该项目观测太空以来,相继获得了一些重要发现,目前,一位专家指出,太阳系“第九行星”存在的证据可能隐藏在“暗能量勘测”数据之中,如果是这样的话,有望2016年夏季末将揭晓第九行星的神秘面纱。

近期,法国研究小组使用美国宇航局卡西尼观测数据,观察地球和土星之间的距离,从而缩小第九行星的存在范围。

格迪斯教授指出,如果的确存在第九行星,最快将于2016年夏季末发现它。目前,他和研究小组成员正在对迄今已观测到的天体进行分类,“暗能量勘测”已对太阳系多数区域进行勘测,因此如果第九行星的确存在,并且有正常的运行轨道,暗能量勘测数据中可能发现它的存在迹象。

但是如果在暗能量勘测数据中未发现,也并非意味着第九行星不存在。如果没有发现这颗神秘行星,意味着数学建模需要设置更多的限制条件,有助于搜寻潜在的行星轨道。


太阳系或潜伏多颗未知行星

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目前最大的一个天文谜团是一颗神秘行星——“第九行星”,是否潜伏在太阳系边缘。2016年初,研究人员发布研究报告称太阳系可能存在着第九行星,之后一系列研究报告对这颗神秘行星的存在的形成进行了分析。目前,科学家最新研究认为,第九行星并非唯一,很可能在太阳系边缘隐藏着多颗未知行星。

目前,西班牙和英国剑桥大学的天文学家证实,基于最新计算结果,可能存在6颗海王星外天体(ETNOs)环绕太阳运行。这暗示着第九行星很可能并非一颗,而是多颗。研究报告合著作者、西班牙天文学家卡洛斯·德拉·弗恩特·马科斯(Carlos de la Fuente Marcos)表示,我们认为除了第九行星,还可能存在着第十行星,以及更多的潜在行星。

之前科学家将这颗未知行星命名为“Planet X”,认为它的质量是地球的10倍,是距离太阳最遥远的一颗行星,位它的具体位置并不清楚。它运行在一个椭圆状轨道,每间隔10000-20000年环绕太阳一周。

天文学家模拟实验中发现的6颗海王星外天体分别被命名为:2012 VP113, 2004 VN112,2007 TG422,2013 RF98和2010 GB174。

马科斯认为,这6颗ETNOs在一个漫长的不稳定轨道上运行,它们从太阳系脱离不足15亿年时间,2004 VN112,2007 TG422和2013 RF98离开太阳系不足3亿年,更为重要的是,在1000万年时间里它们的轨道变得非常不稳定。


太阳系第九行星体积比地球更大

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天文学家Scott Sheppard打算在美国夏威夷莫纳克亚山用昴星望远镜观测一整夜的星空,工作开始前他核对了一遍清单:山顶的空气非常清新,望远镜运行良好,3太字节的硬盘已经清空准备接收未来数小时的新数据洪流。

在观测室的一面墙上,三个钟表分别记录着夏威夷、东京以及协调世界时。显示屏上显示着山顶的天气动态状况:风向、温度以及湿度。现在,一切状况都很好,尤其是天空的恒星也相对稳定。“没有比这更好的了。”该团队成员、希洛双子星天文台天文学家Chad Trujillo说。来自卡内基科学研究所的Sheppard是该团队中唯一一名来自美国大陆的科学家。看到天体状况一切良好,他拿出了日志,开始为接下来10小时要做的事列出提要。

现在,一切状况都很好,尤其是天空的恒星也相对稳定。在黄昏和黎明之间,他需要指引昴星望远镜直径8.2米长的巨大镜面(全世界最大的望远镜之一),一个接一个地深度观测每片天域。数小时后,他会再次观看同一天域,然后第三次观看该天域。通过对比那些晃动的图像,研究人员可以狩猎那些数小时内移动非常缓慢的天体。那些都是比冥王星更远的遥远世界,位于太阳系最边缘的地带。这个区域正是长期以来天文学家搜寻行星X的范围。


隐踪匿迹

“它在那里。看到它了!”Sheppard说。灰色屏幕上的是一个浅色的点,在各种恒星的背景中跃然而出。这正是他此前看到的那个目标,该目标随后进入了他的日志:这个图像在计算机芯片上的编号是104,域编号为776,他们曾发现一个90天文单位(AU,地球与太阳间的平均距离,约为9300万英里)之外的天体。但是目前尚不清楚这个天体有多大,或者它是否具有科学重要性,但它却是太阳系已经观测到的最远天体之一。

天文学家已在其他恒星周围发现2000多颗系外行星。然而,太阳系最遥远的边界至今仍未探索过,间接观测技术并不适用于观测地球的这些远邻,这些远离太阳的行星光线过于暗淡,只有世界上最强大望远镜才能瞥见其踪影。Sheppard等人一直在寻找充斥着那片遥远天域的冰冷世界。其中非常紧要的一个目标就是太阳系最后一个伟大发现——环绕太阳公转的、比地球更大、比冥王星更远的第九颗行星。

有关行星X的观点已经存在了一个多世纪,但是那些假设常常经不住进一步检验。2014年,Trujillo和Sheppard通过观察到的一些极遥远的天体,让行星X的假设再度活跃。2016年1月,帕萨迪纳加州理工学院两名天文学家经过精确计算,推断了其在太阳系中的可能位置,从而让这一假说再次被关注。他们称其为“第九行星”,这个名字还有在2006年冥王星从行星被降格为矮行星的深层含义。

现在,狩猎第九行星或潜伏在其他轨道上的隐形行星的工作已经开始。这一探索很可能揭示太阳系在46亿年前如何形成以及此后如何演化。“如果这个大质量天体确实在那里,它会从根本上改变我们对太阳系的认知。”Sheppard说。

  

未知区域

当Sheppard和Trujillo开始跟踪遥远的天体时,他们希望沿着其他伟大天文学家的脚印向前走。1846年,德国天文学家约翰·格弗里恩·伽勒首先发现距离太阳大概30个天文单位的太阳系第八颗行星海王星,并希望研究它如何对天王星形成引力干扰。1930年,美国天文学家克莱德·汤博发现了冥王星在距离太阳约40个天文单位的地方公转。1992年,夏威夷大学天文学家大卫·朱维特和加州大学伯克利分校天文学家刘丽杏发现了甚至更加遥远的天体,从而开启了对柯伊伯带小行星区域的探索之旅。

从那时起,天文学家发现柯伊伯带蕴含着数以千计的天体:一些距离太阳30~50个天文单位、体积类似冥王星的冰冷小行星。此外还有古老天文图上类似“龙出没”的天体,科学家有时称其为外层柯伊伯带或奥尔特云最深处——即太阳系的下一个区域,据了解其广度至少可以伸展10万个天文单位。“太阳系还有一整块空间我们并不完全了解。”中国台湾“中央研究院”行星天文学家Meg Schwamb说,“这是太阳系最后一块未被探索的区域。”

这正是Sheppard和Trujillo探索星空的原因。根据此前发现的2012 VP113和赛德娜星的轨迹,两人表示在距离太阳约250个天文单位的地方可能潜伏着一个超大行星。2016年1月,加州理工学院的Konstantin Batygin和Mike Brown通过对比这两颗小行星和另外4颗遥远的柯伊伯带小行星的轨迹,计算了这颗行星可能潜伏在哪里。


反驳:太阳系或不存在第九行星!

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2016年年初,科学家提出了太阳系第九行星的证据,这颗被称之为“冰冻星球”的行星一直被科学家寄予厚望,认为他的轨道、质量和体积都十分符合大行星的标准。然而最近部分科学家又提出了质疑。他们认为第九行星的存在的可能性极低不到15%。并且他们也毫不掩饰地对第九行星的存在表示怀疑。

哈佛-史密森尼空间物理中心(CfA)的天文学家在最新的研究中模拟了许多场景,发现其中大部分都不太可能成立。因此,第九行星存在与否仍是一个迷。“现有证据指向第九行星确实存在,但我们无法解释它是如何形成的。”CfA天文学家、一篇将发表于《天文物理期刊通讯》论文的第一作者Gongjie Li说。

第九行星绕太阳运行,距离地球400至1500天文单位(600亿至2200亿公里,一天文单位A.U。是地球至太阳的平均距离,即1.5亿公里)远。这使它比太阳系内其他行星都要远得多。于是问题就变成了:它是直接在轨道附近形成的,还是在别处形成后再到达这里的?Li和她的论文合著者Fred Adam进行了数百万次计算机模拟,考虑了三种可能性。

第一情况最有可能:一颗路过的恒星把第九行星往外面拽了一点儿。这样的话不仅行星会被拖入更宽的轨道,轨道也更加椭圆。由于太阳在有成千上万邻居的星团中形成,这样的星际邂逅在太阳系早期历史中更加常见。然而,擅自闯入的恒星更有可能将第九行星彻底拉走并逐出太阳系。Li和Adams发现只有最多10%的可能让第九行星落入它现在所处的轨道。这颗行星也许出生在一个相当遥远的地方。

CfA的天文学家Scott Kenyon觉得他可以解答这个难题。在两篇提交给《天文物理期刊》的论文里,他和合著者Benjamin Bromley用计算机建模,构建出了第九行星在更宽轨道上形成的合理场景。“最简单的解决方法,就是在太阳系再构造一个巨型气态行星。”Kenyon说。

他们提出,第九行星在离太阳近得多的地方形成,然后与其他巨型气态行星(尤其是木星和土星)相互影响,随着时间推移,一系列重力反冲将该行星推到了一个更大更椭圆的轨道上。

“其实这个过程就像推一个秋千上的孩子。如果在恰当的时机给孩子一记猛推并不断重复,他们就会越荡越高。”Kenyon解释说,“然后关键之处就在于如何不要过猛地推,否则行星会被推出太阳系。”但他认为这种担忧能够通过行星与太阳系内气盘的相互作用避免。

他们俩也验证了Li和Adams的想法,结果发现初始原行星盘质量和原行星盘寿命的恰当组合可能恰好创造出第九行星,并让它被过路恒星推走。

“建模的好处在于可以观测并证实场景的可能与否。”Kenyon这样说,“分散的巨型气态行星看起来像冰冷的海王星,聚集而成的行星很像无气体的巨型冥王星。”

Li的工作也帮助确定了第九行星形成(或迁移)的时间。当太阳在星团中诞生时,会频繁地与其他恒星相遇。因为第九行星运行在宽轨道上,所以在这样的情况下更易被逐出。因此,第九行星有可能是在太阳离开诞生星团后,才迟迟来到现在的轨道上。

Li和Adms还提出了两种更疯狂的可能性:第九行星是被路过的恒星系统捕获的”外星人”,也可能是飘近太阳系时被捕获的独立行星。但是他们断定这两种可能性均低于2%。

因此科学家虽然从模型中找到了这颗冰冻星球的轨道,但是科学家不能证明这颗行星就来源于太阳系。并且根据据这颗行星的运行轨迹可以看出它很有可能已经被过路恒星推走不存在于太阳系之中了。


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