冥王星之外:寻找太阳系新的第九颗行星

2020-06-29 04:26:55

你会认为,如果你发现了第一个证据,证明在我们太阳系最遥远的地方潜伏着一颗比地球大的行星,那将是一个重要的时刻。这将使你成为历史上发现这样一件事的极少数人之一。

但对于华盛顿特区卡内基科学研究所的天文学家斯科特·谢泼德来说,这是一件安静得多的事情。“这不像是有了尤里卡时刻,”他说。“证据只是慢慢积累起来的。”

他是个轻描淡写的高手。自从他和他的合作者北亚利桑那大学的查德·特鲁希略在2014年首次发表了他们对这颗看不见的星球的怀疑以来,证据一直在不断增加。然而,当被问及他有多确信他称之为行星X(尽管许多其他天文学家称之为行星9)的新世界真的存在时,谢泼德只会说:“我认为它更有可能不存在。”

至于天文学界的其他人,在大多数地区,人们对发现这个世界有着明显的兴奋之情。这种兴奋在很大程度上集中在一台以天文学家维拉·C·鲁宾(Vera C Rubin)的名字命名的巨型新巡天望远镜的启用上。鲁宾在20世纪70年代发现了暗物质的一些最早证据。

按计划,鲁宾天文台将于2022年开始对天空进行全面调查,它可能会直接发现这颗行星,或者提供确凿的间接证据证明它就在那里。

这颗行星的发现将是一场胜利,但对现有的关于太阳系是如何形成的理论来说,也是一场灾难。

“这将改变我们认为我们所知道的关于行星形成的一切,”谢泼德在另一个特征上轻描淡写地说。事实上,没有人知道这么大的行星是如何在离太阳这么远的地方形成的。

遥远的太阳系是一个黑暗而神秘的地方。它包含一个巨大的空间,从海王星的轨道开始,距离太阳的距离是地球的大约30倍,或者说30个天文单位(AU),一直延伸到大约10万AU。这几乎是太阳到下一个最近恒星距离的三分之一。

1930年,美国天文学家克莱德·汤博(Clyde Tombaugh)就是在这一卷的内部区域发现了冥王星。虽然冥王星的直径只有我们月球的三分之二,但它最初被归类为行星。

然而,到了本世纪末,望远镜变得更大了,天文学家开始在海王星之外发现更多微小的世界。它们都比冥王星还小,直到2005年,加州理工学院的迈克·布朗发现了厄里斯。它至少和冥王星一样大,而且可能更大,所以,如果冥王星是一颗行星,厄里斯也是。美国宇航局匆忙组织新闻发布会,宣布发现行星10。

大约一年后,国际天文联合会裁定冥王星和厄里斯实际上太小,不能被称为行星,并将它们重新命名为矮行星。因此,太阳系的点名名单又回到了八个:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。一个寻找遥远太阳系物体的家庭手工业真正开始了。

通往行星9的旅程始于2012年的一个晚上,当时谢泼德和特鲁希略正在使用位于智利的塞罗托洛罗美洲天文台的望远镜。他们发现越来越远的物体,但有一个特别突出。编目为2012 VP113,他们以当时的美国副总统的名字给它起了个绰号拜登(因为目录名称中的字母VP)。令他们惊讶的是,这个遥远的世界从未比80AU更接近太阳。在最远的时候,拜登将达到440AU进入深空,这意味着它遵循的是一个高度椭圆形的轨道。但这还不是它最引人注目的地方。

由于某种奇怪的巧合,它的轨道似乎与另一个被称为塞德纳(Sedna)的遥远星球的轨道非常相似。这个迷你世界是由耶鲁大学的布朗、特鲁希略和大卫·拉比诺维茨在2003年发现的。它立即脱颖而出,因为它的轨道高度椭圆形,从76AU摆动到937AU。

“像Sedna和2012VP113这样的天体不可能在这些偏心轨道上形成,”谢泼德说。相反,计算机模拟表明,它们形成得更近,然后被与较大行星的引力相互作用抛出。然而,真正奇怪的是,这两个拉长的轨道指向大致相同的方向。

谢泼德和特鲁希略对捕获的其他物体检查得越多,他们就越能看到这些轨道也是对齐的。就好像有什么东西围住了那些微小的世界,就像一只牧羊犬在操纵它的羊群。他们唯一能想到的就是一颗大得多的行星。

好奇激起了他们的好奇心,他们做了一些计算,发现他们的结果暗示的行星必须比地球大2到15倍,其轨道距离太阳平均在250AU到1500AU之间。他们的研究结果于2014年3月发表在享有盛誉的“自然”杂志上,人们对行星9的兴趣开始席卷天文学世界。

下一次重大飞跃发生在2015年,当时谢泼德和特鲁希略等科学家发现了2015年的TG387。他们给这个人起了个绰号叫“妖精”。它是仅次于塞德纳和拜登的第三个最极端的天体,它也排成一排,进一步减少了这种排列是随机巧合的想法。

2016年,布朗和他的合作者康斯坦丁·巴蒂金(Konstantin Batygin)发表了他们自己对这些数据的分析。巴蒂金也来自加州理工大学。他们在行星的大小和距离上与谢泼德和特鲁希略意见一致,甚至提出了一个他们认为可能找到它的天空区域。

宾夕法尼亚大学的博士生佩德罗·H·贝尔纳迪内利(Pedro H Bernardinelli)意识到,谢泼德的数据并不是人们可以寻找遥远世界的唯一地方。因此,他求助于一项宇宙学调查的一些初始数据,该调查旨在通过观察遥远的星系来测量宇宙正在膨胀的方式。他搜索数据,寻找相当于光弹的天体,寻找恰好挡住相机的遥远太阳系物体。他找到了七个。

乍一看,这些世界似乎也像预期的那样排列在一起,但贝尔纳迪内利对数据的分析越严格,他感觉到的排列就越弱。“我们不认为我们在我们的数据中看到了信号,”贝尔纳迪内利说,尽管他承认他还不能确定排除这颗行星的可能性,而且还没有对全部调查数据进行分析。“下次我们这样做时,我们的答案可能会改变,”他说。

这些天来,在夏威夷莫纳克亚,人们经常可以用日本的斯巴鲁望远镜找到谢泼德,他耐心地在天空中搜寻更多关于行星9的证据,甚至可能希望他能看到这颗行星本身。这项任务的规模是巨大的。这真的是大海捞针。这颗行星--如果它真的在那里的话--非常昏暗,天空非常广阔。但鲁宾天文台的形式正在提供帮助。

鲁宾是一个会吞噬天空的怪物。虽然大多数望远镜需要几个月或几年的时间才能观测到整个天空,但鲁宾只需三个晚上就能完成这一任务。然后一遍又一遍地做,看看有什么变化,这样就能捕捉到移动的物体。

建造工作即将完成,该望远镜将于今年晚些时候首次打开它的巨眼。然后,调试和调整还需要几年时间。

“这项调查将改变我们所知的太阳系科学,”谢泼德说。如果9号行星还在外面,鲁宾应该能看到它。

“我们可以探测到大约1000AU的地球质量的行星,”贝尔法斯特女王大学的梅格·施瓦布(Meg Schwamb)说,他是鲁宾天文台太阳系科学合作项目的联合主席。这让谢泼德的世界轻而易举地进入了它的视线。“如果其他人在我们的调查开始之前没有看到过行星9,那么我想,所有人的目光都集中在鲁宾天文台上了,”施瓦姆说。

即使望远镜无法直接看到这颗行星,它也会探测到更远的迷你世界,这些世界都可以用来更精确地对行星的位置进行三角测量,从而有助于缩小搜索区域。如果9号行星真的存在,那么后果将是巨大的。

天文学家认为太阳系是由围绕太阳的物质盘形成的。该物质凝聚成较小的天体,然后相互碰撞形成较大的天体。在这个过程的最后,行星诞生了。但这个圆盘中的物质在离太阳更远的地方变薄了,这意味着没有足够的原材料在遥远的太阳系形成一颗大行星。

为了挽救标准理论,一些人认为,行星9曾经注定要成为像木星或土星一样的气体巨星,因此正在与它们一起形成。然而,引力的相互作用阻碍了它的生长,把它扔到了黑暗中。

但达勒姆大学的雅各布·肖尔茨对此表示怀疑。“这是可能的,”他说,“但实际上需要相当多的巧合。”这是因为单一的引力相互作用不能完成这项工作。取而代之的是,需要一系列的相互作用才能把它放在永远不会回到它形成的地方的轨道上。

肖尔茨有一个更具异国情调的想法。他与芝加哥伊利诺伊大学的合作者詹姆斯·昂温(James Unwin)一起提出,包围这些遥远世界的物体不是一个失踪已久的行星,而是一个黑洞。

如果是这样的话,即使是鲁宾也看不到它,因为黑洞根本不发光-它们只是吞噬光线和任何碰巧穿过它们路径的东西。这是一种诱人的可能性,因为肖尔茨的黑洞必须是长期怀疑但从未证实的黑洞群体的一部分,这些黑洞是在宇宙形成后不久形成的。

但就目前而言,大多数其他天文学家似乎不满足于这样的想法,即黑暗中有一颗大行星,正等待着在接下来的几年里出现在人们的视线中。

如果9号行星真的在那里,那么也许谢泼德第一次通过望远镜看到它时,他将最终体验到类似于尤里卡时刻的东西。