原文：http://m.caltech.edu/news/caltech-researchers-find-evidence-real-ninth-planet-49523
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加利福尼亞理工學(xué)院的研究者發(fā)現(xiàn)外太陽系一顆沿著奇怪的讼溺、高度橢圓的軌道運行的巨大行星的證據(jù)令宿。這個被研究者們稱為第九行星的天體質(zhì)量約為地球的10倍叼耙，與太陽之間的距離約為海王星的20倍（海王星的軌道距離太陽平均為28億英里）。事實上粒没，這顆新發(fā)現(xiàn)的行星需要花上10000到20000年才能繞太陽一圈筛婉。
研究者Konstantin Batygin和Mike Brown通過數(shù)學(xué)模型和電腦擬合發(fā)現(xiàn)這顆行星的存在的，而非直接觀測癞松。
“這會是真正的第九大行星爽撒∪肭”行星天文學(xué)教授Brown說到，“從古至今硕勿，人們只發(fā)現(xiàn)了兩顆真正的行星哨毁，這將會是第三顆。它是我們太陽系十分重要的一塊等待著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)源武，這實在是令人激動扼褪。”
Brown解釋這顆被計算推測出的第九大行星——質(zhì)量約為冥王星的5000倍——著實十分巨大粱栖，毫無疑問是一顆真正的恒星话浇。不像現(xiàn)在被熟知的稱為矮行星的一群小天體，第九行星通過萬有引力主宰了它周圍的太陽系區(qū)域查排。事實上凳枝，它比任何一個已知的行星主宰的區(qū)域都大——Brown所說的這個事實讓它成為“整個太陽系所有行星中的領(lǐng)導(dǎo)者”。
Batygin和Brown近期在天文學(xué)期刊上發(fā)表的文章描述了他們的工作跋核，并且展示第九行星如何幫助解釋海王星外的柯伊伯帶中冰質(zhì)星子和碎片的一系列神秘的特征岖瑰。
“盡管我們一開始十分懷疑這顆行星是否存在，但當(dāng)我們繼續(xù)研究它的軌道和它對于外太陽系的意義時砂代，我們越來越確定它就在那蹋订。”行星科學(xué)的助理教授Batygin說刻伊，“這是超過150年以來的第一次露戒，有確鑿的證據(jù)顯示太陽系的已知行星是不完全的〈废洌”
理論探索的道路并不是一帆風(fēng)順的智什。在2014年，之前的Brown帶的博士后Chad Trujillo和他的同事Scott Sheppard發(fā)表了一篇文章丁屎，說伊伯帶中13顆最遙遠(yuǎn)的星子在軌道特征上是相似的荠锭。為了解釋這個相似性，他們提出可能存在一個小天體晨川。雖然Brown當(dāng)時認(rèn)為這個解釋并不太可能成立证九，但是他卻對此產(chǎn)生了興趣。
他將這個問題呈給Batygin看共虑，隨后兩人就開始了長達一年半的調(diào)查這顆遙遠(yuǎn)的星體的合作愧怜。兩人分別作為觀察者和理論學(xué)者，從非常不同的兩個方面進行這項工作——Brown觀察星空并試圖定位可見區(qū)域內(nèi)的每個東西妈拌，Batygin將自己置身于動力學(xué)領(lǐng)域中拥坛，從物理學(xué)立場思考這些東西是如何運作的。這些不同讓研究者可以挑戰(zhàn)對方的思想并且思考新的可能性】事撸“我會引入這些可觀測的方面疾党；而他則從理論方面提出爭論，我們互相推動對方的進展惨奕。如果沒有了這些后退和進步，我認(rèn)為這項研究無法進行竭钝，”Brown說梨撞，“這大概是我擁有過的研究太陽系問題的最有趣的一年∠愎蓿”
很快卧波，Batygin和Brown就意識到Trujillo和Sheppard原來發(fā)現(xiàn)的其中六顆最遙遠(yuǎn)的星子都沿著物理空間內(nèi)指向同一個方向的橢圓軌道運行。這是個十分令人驚訝的發(fā)現(xiàn)庇茫，因為它們各自軌道的遠(yuǎn)日點在圍繞著太陽系移動港粱，并且它們以不同的速率運動。
“這幾乎就像是一個有六個以不同速率運動的指針的鐘表旦签，當(dāng)你恰好抬頭看它時查坪，他們正好在同一個位置∧牛”Brown解釋偿曙。這樣的事情發(fā)生的幾率大概是一百分之一，他說羔巢。但是不要忘了望忆，這六個星子的軌道幾乎是一樣的——指向相對于八個已知行星軌道平面呈30度的同一方向。這個發(fā)生的幾率大概是0.007%竿秆∑羯悖“基本上來說這并不是隨機發(fā)生的，”Brown說幽钢，“所以我們想到歉备，一定有什么東西在塑造著這些星子的軌道〗劣酰”
他們想到的第一種可能性是也許存在著足夠多的遙遠(yuǎn)的柯伊伯帶天體——它們中的一些還沒有被發(fā)現(xiàn)——產(chǎn)生足夠的引力使得亞群能夠保持簇?fù)碓谝黄鹜础Ｑ芯空吆芸炀团懦诉@個可能性當(dāng)他們發(fā)現(xiàn)這樣的情形需要柯伊伯帶質(zhì)量約為今天已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的100倍。
這讓他們有了關(guān)于行星的想法谎懦。他們第一反應(yīng)是運行模型肚豺，包括一個遙遠(yuǎn)軌道上運動的行星以及行星軌道內(nèi)包含著的六個柯伊伯帶天體的軌道，就像是一個巨大的套索使得六個柯伊伯帶天體排成一列界拦。Batygin說這個模型幾乎就要成功了吸申，但是沒有精準(zhǔn)地體現(xiàn)觀測到的偏心率。“很接近截碴，但并不是梳侨。”他說日丹。
可以說是一次偶然走哺，Batygin和Brown注意到如果他們運行一個擁有沿著反向軌道運行的巨大行星模型，也就是在行星最接近太陽時哲虾，即近日點丙躏，與已知行星和其它星體的近日點呈180度，在模型中的遙遠(yuǎn)的柯伊伯帶天體就會像實際觀測到的那樣排成一列束凑。
“你的本能反應(yīng)是‘這個軌道幾何學(xué)不會是正確的晒旅。長期來看這并不穩(wěn)定，因為這最終會導(dǎo)致行星和這些天體相遇與碰撞汪诉，’”Batygin說废恋。但是通過平均運動共振的方法，第九行星反向運動的軌道實際上能夠阻止柯伊伯帶星體的碰撞扒寄，并且將它們維持在一條直線上鱼鼓。當(dāng)圍繞的天體接近彼此時，他們會交換能量旗们。因此蚓哩，第九行星每制造四條軌道，一個遙遠(yuǎn)的柯伊伯帶天體就可以完成九圈繞行上渴。它們永遠(yuǎn)不會相撞岸梨。就像父母通過周期性的推動讓孩子保持在蕩秋千的圓弧部分，第九行星推動遙遠(yuǎn)的柯伊伯帶天體的軌道稠氮，使他們相對于行星的排列得以維持曹阔。
“我當(dāng)時還是十分懷疑的，”Batygin說隔披，“我從沒有在天體力學(xué)中看到這樣的東西赃份。”
但是漸漸地隨著研究者研究這個模型的額外特征和結(jié)果時奢米，他們被說服了抓韩。“一個好的理論不應(yīng)該僅僅解釋你開始想要它解釋的東西鬓长。他應(yīng)該有希望解釋你一開始并沒有想要它解釋的東西谒拴，并且做出可證實的預(yù)測∩娌ǎ”Batygin說英上。
第九行星的存在確實幫助解釋不僅僅是遙遠(yuǎn)的柯伊伯帶天體的排列炭序，他還提供了關(guān)于它們中的兩個的神秘軌道的解釋。第一個被稱為Sedna苍日，于2003年被Brown發(fā)現(xiàn)惭聂。不同于大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的柯伊伯帶天體，它是被海王星的引力作用“踢出”相恃，隨后返回柯伊伯帶辜纲，Sedna從沒有和海王星特別接近。第二個類似Sedna的天體編號為2012 VP113豆茫，是2014年被Trujillo和Sheppard發(fā)現(xiàn)的侨歉。Batygin和Brown發(fā)現(xiàn)在預(yù)測軌道中第九行星的存在自然地通過標(biāo)準(zhǔn)的柯伊伯帶天體制造像Sedna這樣的天體，并緩慢將其推到與海王星少有聯(lián)系的軌道中揩魂。
第九行星的存在預(yù)測的后果是另一批受約束的天體也應(yīng)該存在。這些天體被放置成與第九行星呈直角炮温，并且沿著與太陽系平面垂直的軌道運行火脉。五個已知的天體精確地證實了這個預(yù)測。
但是柒啤，對于研究者來說倦挂，真正的困難是他們的擬合模型還預(yù)測了在柯伊伯帶中有天體沿著接近垂直的、傾斜于行星平面的軌道運動担巩。Batygin一直在找這些天體的證據(jù)方援，并將預(yù)測給了Brown√伟“突然我意識到有這樣的天體犯戏，”Brown回應(yīng)。在過去的三年里拳话，觀察者已經(jīng)辯認(rèn)出四個天體先匪，它們沿著海王星和旁邊天體間連線的近乎垂直的的軌道運動∑埽“我們描繪了這些天體和它們的軌道的位置呀非，它們準(zhǔn)確地符合模型，”Brown說镜盯，“當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)這個時岸裙，我的下巴都要掉到地上了∷倮拢”
“當(dāng)模型將遙遠(yuǎn)的柯伊伯帶天體排列成直線并且制造像Sedna這樣的天體時降允，我們想這是多么神奇的、一石二鳥的事啊激涤∧飧猓”Batygin說判呕，“但是這個行星的存在也解釋了那些垂直的軌道，不僅僅是一石二鳥送滞，你還擊中了旁邊樹上你沒有意識到的那只鳥侠草。”
第九行星是在哪里形成犁嗅，又是如何止步于外太陽系的呢边涕？科學(xué)家們一直認(rèn)為早期太陽系開始于四個捕捉周圍氣體的行星核，形成四個氣態(tài)行星——木星褂微，土星功蜓，天王星和海王星。隨著時間流逝宠蚂，碰撞和噴射塑造著它們式撼，并將它們移出當(dāng)時的位置∏蟛蓿“但是不可能當(dāng)時存在五個行星核而不是四個著隆。”Brown說呀癣。第九行星代表了第五個行星核美浦，如果它過于接近木星或者土星，它將會被彈射到遙遠(yuǎn)的偏心軌道项栏。
Batygin和Brown一直在修正他們的模型浦辨，更深入地學(xué)習(xí)行星軌道及其對遙遠(yuǎn)的太陽系的影響。同時沼沈，Brown和其他同事開始搜索第九行星的星區(qū)流酬。目前只知道行星的大致軌道，但是其在橢圓軌道上的精確位置還不明晰庆冕。如果行星恰巧在它的近日點附近康吵，Brown說，天文學(xué)家應(yīng)該能夠通過之前研究捕捉到的圖像定位這顆行星访递。如果它在它軌道的最遠(yuǎn)端晦嵌，世界上最大的望遠(yuǎn)鏡——例如W.M.Keck天文臺的兩架十米口徑的望遠(yuǎn)鏡和Subaru望遠(yuǎn)鏡，都在夏威夷的Mauna Kea——才能夠看到它拷姿。但是如果第九行星現(xiàn)在在近日點和遠(yuǎn)日點之間的任何地方惭载，許多望遠(yuǎn)鏡都能夠發(fā)現(xiàn)它。
“我很樂意發(fā)現(xiàn)它响巢，”Brown說描滔，“但是如果別人發(fā)現(xiàn)了它，我也會很開心踪古，這就是為什么我們發(fā)表這篇文章含长。我們希望其他人能夠受到鼓舞并開始尋找這顆行星券腔。”
至于更深入地理解太陽系在宇宙中的周遭環(huán)境拘泞，Batygin提供了幾種方法纷纫，這顆第九行星對我們來說是個古怪的東西，但是它確實讓我們的太陽系與天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的圍繞著其他恒星的行星系更加類似陪腌。首先辱魁，大部分圍繞著太陽一樣的恒星的行星沒有單一的軌道范圍——也就是說，有一些軌道非常接近于主恒星诗鸭，但是另一些卻沿著特別遙遠(yuǎn)的軌道運行染簇。第二，大多數(shù)圍繞著恒星的行星質(zhì)量都在1到10倍地球質(zhì)量之間强岸。
“關(guān)于其他行星系最令人吃驚的發(fā)現(xiàn)之一是那里最普遍的行星質(zhì)量介于地球和海王星之間锻弓。”Batygin說蝌箍，“我們曾經(jīng)認(rèn)為太陽系缺少這種最普遍的行星弥咪，但到現(xiàn)在，我們知道太陽系還是很正常的十绑。”
Brown曾在冥王星從行星降級到矮行星的過程中扮演重要角色酷勺，他補充道：“所有那些為冥王星不再是行星而瘋狂的人本橙，當(dāng)他們知道那里還有一顆真正的行星等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)時，真的會非常激動〈嗨撸現(xiàn)在我們可以去尋找這顆行星甚亭，讓太陽系重新?lián)碛芯蓬w行星』魇ぃ”
