太陽系第九顆行星藝術(shù)概念圖。

6顆柯伊伯帶天體與可能存在的第九顆行星軌道示意圖。

新聞背景

國際著名雜志《科學(xué)》與《自然》在進(jìn)行2017年科學(xué)展望時(shí)，都把尋找太陽系第九大行星列入其中。那么，這個(gè)問題是如何提出的？天文學(xué)家們又為此付出了怎樣的努力？

2016年對(duì)于太陽系來說是繼“冥王星降級(jí)”后又一個(gè)行星紛爭的年份，剛好在10年前的2006年，全世界的天文學(xué)家齊聚布拉格召開國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)大會(huì)，以投票的方式重新定義冥王星為矮行星。導(dǎo)致這一重大事件的直接原因之一，就是美國加州理工大學(xué)的麥克·布朗發(fā)現(xiàn)了比冥王星質(zhì)量更大的鬩神星。因此至今仍有很多人視布朗為“冥王星殺手”。再看看2016年1月布朗個(gè)人推特上的一條十分有趣的留言——“好吧好吧，現(xiàn)在我樂意承認(rèn)：我堅(jiān)信太陽系有九大行星。”這究竟是怎么回事呢？

一篇“驚世駭俗”的論文

2016年1月20日的《天文學(xué)雜志》上刊登了一篇“驚世駭俗”的論文，作者是美國加州理工大學(xué)的麥克·布朗和康斯坦丁·巴蒂金。他們根據(jù)6顆軌道怪異的柯伊伯帶天體（太陽系內(nèi)位于海王星軌道外，距離太陽約30到50個(gè)天文單位的小天體）數(shù)據(jù)，用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法得出結(jié)論：太陽系很可能存在第九顆行星，其質(zhì)量約為地球的10倍，與太陽的平均距離大約是海王星的20倍，軌道是非常扁的橢圓，而且近日點(diǎn)（行星軌道上與太陽距離最近的位置）與其他行星相對(duì)，完成一整圈繞日公轉(zhuǎn)約需要1萬年到2萬年的時(shí)間。

布朗這樣描述6顆軌道奇特的柯伊伯帶天體：想象一個(gè)有6枚指針的表盤，每枚指針的運(yùn)動(dòng)速度都不同，但在某一刻你看表盤時(shí)，驚訝地發(fā)現(xiàn)6枚指針都指向同一個(gè)方向。論文的作者認(rèn)為，一顆尚待發(fā)現(xiàn)確認(rèn)的行星，剛好能夠解釋這些柯伊伯帶天體的奇特軌道。

布朗和巴蒂金的論文發(fā)表后，引來了極大的關(guān)注，但也引來了不同的意見。西班牙的卡洛斯兄弟和英國劍橋大學(xué)的斯威爾·阿塞思提出，如果第九顆行星的質(zhì)量和軌道如布朗和巴蒂金所言，那么反推它對(duì)6顆柯伊伯帶天體的引力影響，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這6個(gè)天體的軌道都是不穩(wěn)定的，在短于15億年的時(shí)間里，它們?nèi)慷伎赡茈x開太陽系。因此在這個(gè)西班牙-英國團(tuán)隊(duì)看來，最有可能的情況是太陽系外圍存在不只一顆行星，而是有多顆，這樣才能讓奇特的柯伊伯帶天體軌道保持穩(wěn)定。

需要至少三年才可能找到它？

布朗和巴蒂金分析的6顆柯伊伯帶天體中有一顆特別引人注意，它的編號(hào)為2012VP113，是美國卡耐基研究所的斯考特·謝帕德和雙子天文臺(tái)的查得威客·特魯吉羅共同發(fā)現(xiàn)的已知距離最遠(yuǎn)的太陽系內(nèi)天體。

作為尋找第九顆行星強(qiáng)有力的競爭團(tuán)隊(duì)，謝帕德和特魯吉羅團(tuán)隊(duì)利用位于智利和美國夏威夷的超大型望遠(yuǎn)鏡，已經(jīng)搜索了大約全天10%的區(qū)域，但仍未找到第九顆行星的蛛絲馬跡，因?yàn)槟壳暗臄?shù)據(jù)只能給出這顆可能存在行星的大致軌道，如果正好位于近日點(diǎn)，那么它的亮度有可能被地面望遠(yuǎn)鏡探測到，如果運(yùn)氣不好，這顆可能存在的行星剛好位于遠(yuǎn)日點(diǎn)附近，那么只有世界上最大口徑的幾臺(tái)望遠(yuǎn)鏡才有機(jī)會(huì)捕捉到它的光亮。需要搜尋的天區(qū)面積實(shí)在是太大了，布朗和巴蒂金的樂觀估計(jì)也需要至少三年時(shí)間才有可能找到它。

莫衷一是的爭論

天文學(xué)家們大都認(rèn)為，搜尋證認(rèn)第九顆行星將會(huì)是漫長的等待。就在布朗和巴蒂金宣布第九顆行星可能存在后一個(gè)月，大西洋彼岸的法國傳來喜訊。巴黎天文臺(tái)的艾格尼絲·費(fèi)恩加和雅庫思·拉斯卡團(tuán)隊(duì)在《天文學(xué)和天體物理學(xué)快報(bào)》上發(fā)表論文，宣稱他們利用最高精度計(jì)算太陽系行星運(yùn)動(dòng)的INPOP程序，比對(duì)了卡西尼探測器自2004年進(jìn)入土星觀測軌道后的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)如果在數(shù)值模型中引入第九顆行星，能夠解釋數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值的部分偏差，特別是通過這種數(shù)據(jù)比對(duì)，該小組可以限定出第九顆行星不可能存在的天區(qū)，甚至給出了第九顆行星存在的最可能方向。換句話說，雖然第九顆行星是否真的存在只能由直接的觀測來證實(shí)，但法國天文學(xué)家的結(jié)論能夠?qū)⑿行强赡艽嬖诘奶靺^(qū)范圍縮小一半，這對(duì)于搜尋觀測來說真是事半功倍！

然而，美國噴氣實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)卡西尼探測器項(xiàng)目的威廉姆·?？思{隨即發(fā)表聲明，認(rèn)為從2004年到2016年的卡西尼探測器軌道數(shù)據(jù)全部都能用現(xiàn)有數(shù)學(xué)模型解釋，不存在“無法解釋”的理論數(shù)值與觀測數(shù)據(jù)的偏離。如果真的存在第九顆行星，那么它的引力或許會(huì)影響土星的軌道，但不會(huì)對(duì)卡西尼探測器的軌道產(chǎn)生任何影響。

法國天文學(xué)家則認(rèn)為，如果卡西尼探測器的軌道數(shù)據(jù)能持續(xù)到2020年，很可能會(huì)對(duì)第九顆行星的軌道測得給出非常有力的限定，但很可惜，卡西尼探測器因?yàn)槿剂虾谋M，將于2017年晚些時(shí)候墜入土星光榮退役！

三種可能的形成機(jī)制

即使我們更傾向于相信第九顆行星存在，那么問題又來了：第九顆行星到底是怎樣形成的呢？美國哈佛史密松天體物理中心的李和弗萊德·亞當(dāng)斯考慮了三種可能的形成機(jī)制，其中概率最高的圖景是這顆行星在太陽系內(nèi)形成，由于太陽系早期處于星團(tuán)內(nèi)部，很容易受到星團(tuán)內(nèi)其他恒星引力的影響，于是這顆行星逐漸被拉到太陽系邊緣，但這種圖景發(fā)生的幾率最高只有10％。其他兩種圖景分別為：第九顆行星本是一顆系外行星，當(dāng)太陽與行星的母恒星距離接近時(shí)，它被太陽俘獲到太陽系內(nèi)；第九顆行星本是一顆自由的行星，浪跡在星際空間，被太陽俘獲。這兩種圖景發(fā)生的概率更低，都小于2%。

美國猶他州大學(xué)的本杰明·布魯姆利和哈佛史密松的斯考特·肯揚(yáng)的計(jì)算結(jié)果表示，李和亞當(dāng)斯的第一種圖景還是有可能實(shí)現(xiàn)的。他們認(rèn)為第九顆行星很可能是在距離太陽較近的區(qū)域形成，但由于受到木星和土星的引力作用，慢慢被甩到太陽系邊緣，而且如果未來能夠觀測證實(shí)行星存在，通過分析行星的成分可以反推其形成歷史，但這一切都有賴于觀測。

       認(rèn)為第九顆行星很可能是太陽系捕獲的系外行星的天文學(xué)家也大有人在。瑞典隆德大學(xué)的亞歷山德拉·穆斯迪爾就語出驚人，提出第九顆行星是太陽在大約45億年前從近鄰恒星“偷來”的一顆系外行星，當(dāng)然他的理論需要很多“有利因素”同時(shí)存在，例如行星軌道必須很扁，星團(tuán)中恒星間的距離必須較近等等。在穆斯迪爾看來，如果能夠證實(shí)第九顆行星存在而且是被太陽捕獲的系外行星，那么它將是第一顆能夠派遣探測器對(duì)其進(jìn)行近距離觀察的系外行星，因?yàn)槠渌低庑行堑木嚯x都是以光年度量的。 

一百多年后再次算出行星？

正如美國卡耐基研究所的斯考特·謝帕德所述：我們今天所處的情形與19世紀(jì)何其相似！自1781年赫歇爾發(fā)現(xiàn)天王星后，天文學(xué)家就注意到這顆行星的軌道觀測值與理論計(jì)算值之間有偏差，于是有人預(yù)言在天王星軌道外還有一顆行星，正是這顆行星的引力導(dǎo)致天王星軌道的偏差。英國的亞當(dāng)斯和法國的勒威耶分別獨(dú)立計(jì)算出這顆新行星的位置，最終由德國的天文學(xué)家伽勒通過望遠(yuǎn)鏡觀測證實(shí)了海王星的存在。因此海王星也被稱為“筆尖上發(fā)現(xiàn)的行星”。如果在可預(yù)期的未來，大型望遠(yuǎn)鏡能夠觀測確認(rèn)第九顆行星的存在，那么它將是繼海王星之后，又一顆先通過計(jì)算（只是這一次是在計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的幫助下）預(yù)言，再由觀測證實(shí)存在的太陽系行星。

如果真能確認(rèn)發(fā)現(xiàn)太陽系的第九顆行星，不僅能夠解釋柯伊伯帶天體怪異的軌道，還能解釋令天文學(xué)家一籌莫展的“柯伊伯帶懸崖”等一系列難題。太陽系到底有多少顆行星永遠(yuǎn)是最熱門的天文話題。十年前因?yàn)橼ね跣潜惶叱鲂行顷?duì)伍，有多少人唏噓不已，甚至耿耿于懷直至今日。歷史總是驚人的重復(fù)，不知今時(shí)是否會(huì)如100多年前一樣，由于其他天體軌道的異常，先通過計(jì)算再由望遠(yuǎn)鏡觀測發(fā)現(xiàn)，證實(shí)一顆新太陽系行星的存在？讓我們“拭鏡以待”吧。（作者為北京天文館副館長）