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多数天文学家都希望能发现行星,而迈克·布朗(Mike Brown)大概是唯一自豪于终结一颗行星的人。因为他的研究,冥王星从太阳系“行星圣堂”中被除名。公众纷纷对此表示不平——你怎能修改我们的童年?你怎能搞乱天文馆的井然秩序?
约10年前,布朗的女儿(当时10岁左右)给了他一个“赎罪”的建议:找到另外一颗行星作为补偿。“听她这么说,我有点想笑。”布朗说,“我心想,‘这不可能!’”
然而,布朗现在倒是真的有可能实现女儿的愿望。他和其他科学家在过去十年中获得的证据显示,
外太阳系正在发生一件怪事:遥远小天体的轨道似乎被某种未知来源的引力所雕饰、排布
。布朗认为,
这引力就来自太阳系的第九颗行星——一颗质量介于地球和海王星之间的行星
。
迄今为止,还没有人发现这颗行星。即使第九大行星确实存在,也会因为它太远、太暗,任何现有的望远镜几乎都无法发现它。但这种情况即将改变——在智利,
薇拉·鲁宾天文台的机械巨眼(8.4米口径的光学望远镜,原称“大型综合巡天望远镜”,缩写为LSST)即将迎来初光(望远镜建成后第一批观测称为初光)
。届时,从遥远的超新星到地球附近的近地小行星,薇拉·鲁宾天文台将捕捉到数以百万计从未被探测过的天体现象。特别重要的是,该望远镜将看见冥王星附近及更远处数以万计的太阳系新天体。
如果布朗口中这个暗藏的行星真实存在,薇拉·鲁宾天文台几乎肯定能直接找到它,或者找到有力的间接证据证明其存在
。北爱尔兰贝尔法斯特女王大学的行星天文学家梅根·施万布(Megan Schwamb)说:“薇拉·鲁宾天文台开始观测的一两年之内,我们将得知这个问题的答案。”或许,太阳系将再一次拥有第九颗行星。
第九行星的线索
1930年发现的冥王星一直被认为是孤悬于太阳系边缘的独行客,但21世纪初,天文观测者发现它其实有伙伴。
人们对太阳系黑暗边疆的持续搜寻,使得类似冥王星的冰霜覆盖的天体纷纷现身。
2005年,在美国加州理工学院任职的布朗和两位同事利用加利福尼亚州帕洛玛天文台发现了一个遥远的星球——阋神星,它最终改变了我们对太阳系的认知。
阋神星非常遥远——它与太阳的距离是地球的68倍。它的直径约2400千米,比冥王星略大一点。“那天,我发现阋神星并算出了它可能有多大,当时我就觉得,‘好吧,好戏开场了,’”布朗说。要么阋神星将成为一颗新行星,要么冥王星并非我们一直认为的那样(是一颗行星)。
2006年,国际天文学联合会通过官方决议,天体若要获得行星资格,它必须围绕恒星运行,质量必须大到足以靠引力将自身挤压成球形,并且运行轨道必须被清空
。冥王星与附近一群相对更小的天体共享轨道,未能跨过定义的第三条门槛。
冥王星自此成了一颗“矮行星”
——但它和它那些遥远伙伴们对天文学家的吸引力,并没有因为它的降级而降低。
冥王星和阋神星都属于柯伊伯带,这是一个形似甜甜圈的环状区域,其中充满了太阳系形成时遗留下来的冰冷碎片。
柯伊伯带中与冥王星和阋神星相似的天体数不胜数,统称为海王星外天体,但它们却很难被看见。
尽管如此,21世纪初,布朗和另两位阋神星的共同发现者——美国北亚利桑那大学的查德威克·特鲁希略(Chadwick Trujillo)和耶鲁大学的戴维·拉比诺维茨(David Rabinowitz),还是发现了不少这样的天体。2004年他们披露了其中一颗名为赛德娜的天体。该天体与太阳最近的距离是76个“天文单位”(记为AU,相当于地球与太阳之间的平均距离)。这是个遥远到难以置信的距离,站在赛德娜上面的人用一个针头就能遮住太阳。在当时,这是太阳系中发现的最远天体。实际上,它处于柯伊伯带外,只是一个在恒星背景间移动的、勉强可见的模糊小点。有人将赛德娜称为极端海王星外天体(extreme trans-Neptunian object,简称ETNO)。
尽管ETNO还没有非常明确的定义,但它们将在行星九(行星九也被称为行星X,此处X代表未知)的传奇故事中扮演关键角色。
“赛德娜是暗示行星九存在的第一个线索,尽管我们当时并没有意识到,”布朗说。
赛德娜的轨道极其扁长,一定是有某种引力作用将它们安置到那里,并造就其围绕太阳的怪异轨道。
但这个引力源是什么?
它们如此遥远,以至于巨行星(包括离得最近的海王星)的强大引力场对它们都没有任何显著的影响;
唯一能影响它们轨道的似乎只有太阳
。
“这些天体处在一片死寂的区域,”美国华盛顿特区卡内基科学中心的天文学家斯科特·谢泼德(Scott Sheppard)说。
他和另外一些人都认为必须找出一个看不见的引力源来解释这些反常的空间旅行者。
2014年,谢泼德和特鲁希略提出,赛德娜等天体之所以有如此遥远的轨道,可能是因为有一颗隐秘的行星(质量为2到5倍地球质量)在拖拽着它们,随着时间的推移逐渐改变了它们原初轨道的形状和位置。
检验这一说法是否属实的最好方法,就是将这些ETNO和它们的轨道“作为外太阳系的引力源探测器”,谢泼德说。
布朗觉得这个想法非常有吸引力,他将谢泼德和特鲁希略2014年的研究成果介绍给了加州理工学院的天文学家康斯坦丁·巴特金(Konstantin Batygin)。
如果说布朗善于观测夜空,那相对而言巴特金就是一名理论家,他总是想搞清楚太阳系如何演变成今天我们观测到的状态。
“我非常乐于解决观测中的谜题,”他说。
“最令我激动兴奋的是拿出计算结果,让它接受观测数据的挑战和测试。
”
布朗和巴特金的数值计算模型表明,唯一合理的可能性是存在一颗隐藏行星,它的质量为5到10倍地球质量,轨道距离为700 AU
。这颗行星大概是在太阳系混沌的早期从较温暖的区域流放出来的,最终侥幸抓住了太阳引力的救命绳。它在遥远的黑暗中踽踽独行,引力影响了附近经过的六个天体,将它们赶入彼此相似的奇怪新轨道。
自2004年发现赛德娜以来,曾多次出现对这颗大行星隐士的猜测。但在2016年,
布朗和巴特金发表的计算结果无疑为出征吹响了号角:我们确信行星九就在那里,现在需要做的只是找到它
。
不存在的可能
寻找隐秘行星这事,本就非同寻常。施万布说:“太阳系有多少颗行星,这应该是个简单的问题,对吧?但事实并非如此!”
找到第九颗行星可是件大事。除了能给那些仍在为冥王星降级而难过的公众以安慰,还有可能改变我们对太阳系历史的认知
。施万布说:“柯伊伯带中及其外侧的所有天体都是行星形成后的残余物,它们能向我们提供那段基本上已从太阳系中被抹去的隐秘历史。”行星可能在离太阳如此远的地方形成,还是只能在形成之后再迁移到那里?大多数围绕其他恒星的行星系统中都有某种“小海王星”(指质量小于海王星、但大于地球的行星)。施万布说:“我们太阳系中却没有找到这样的行星,这可是很奇怪的。”
如果行星九确实存在,它将会比地球大——布朗猜测其质量最可能是地球的7倍左右
。它的距离太远,超出了大多数望远镜的探测能力。一般来说,望远镜要在两种选择之间做取舍:要么有宽大的视场可以一次覆盖更大的夜空范围,要么用更大的镜面在较小的视场内收集更多的光线,从而看到遥远而微弱的天体。而太空如此广阔,试图通过不断深入、放大每一小块区域以期找到一个天体,成功的可能性是很低的。
许多天文学家——不仅仅是布朗、巴特金、谢泼德和特鲁希略——都尝试过搜寻行星九。这些搜寻工作发现了更多的ETNO,包括2015年万圣节前发现的“哥布林”、“好远”和“好好远”(哥布林是欧洲民间传说中的小妖怪,该天体临时编号为2015 TG387,取其中TG作为首字母称其为The Goblin,现正式名称为Leleākūhonua;“好远”英文为Farout,其发现时距离太阳123 AU;“好好远”英文为FarFarOut,发现时距离太阳132 AU)。虽然它们都是有益于行星九猎手们分析该行星位置的“引力源探测器”,但行星九本尊仍未现身。
当然也还是有一种可能:
天文学家找不到行星九,不是因为它藏得好,而是因为它根本不存在
。过去的十来年中,涌现了多种不同的假设,都试图解释赛德娜及其伙伴们奇怪的轨道聚集现象。
其中一种假设认为:行星九确实存在,但它没有典型行星的特点——它的个头可能很小(只有火星大小),并且也不在太阳系最外层边界处。2017年,美国亚利桑那大学的轨道动力学专家凯瑟琳·沃尔克(Kathryn Volk)指出,多个海王星外天体的轨道暗示柯伊伯带内存在类似火星的天体。但此后,对其他遥远天体的后续观测数据削弱了他们的假设。尽管在天文学会议上,类火星行星九的可能性仍在被讨论,但沃尔克本人现在对此持怀疑态度。她说:“它和更典型的行星九理论模型一样,可能两个都是错误的。我认为任何现有的预测都不对。”
2020年,科学家提出,原始冰碎屑形成的环,只要质量足够大,它们的引力影响也可能导致几个ETNO形成当前的轨道。但布朗注意到,一些恒星周围存在倾斜的冰雪环状结构(此处“冰雪”或“冷”指这些环距离宿主恒星遥远,其组成物质可能温度较低且富含挥发物),但这些环之所以能稳定存在,反而是因为受到大质量行星的引力作用。所以,用这种环状结构来解释ETNO轨道,其实比只用行星九来解释还要复杂。
还有人提出,太空中路过的恒星或流浪行星也可能在很久以前就将赛德娜及其伙伴们拖到当前的怪异轨道。2019年,甚至有研究人员怀疑“罪魁祸首”可能是一个微小的黑洞。当我向布朗求证这种可能性时,他笑着说:“这个黑洞我有!”他离开了一会儿,再次现身时手里拿着一个排球大小的球体。他说:“这就是一个七倍于地球质量的黑洞,我的一个学生用3D打印做给我的。”
如果要争辩的话,行星九面临的最大挑战是赛德娜及其伙伴的轨道可能根本就不奇怪。
天文学家本来就看不清太空的所有区域。如果某个天文台冬天的天气比较恶劣,受此影响夜空中某个角落的数据就会不足。ETNO运动时,其神秘轨道的大部分都非常遥远,只有当最接近太阳时,它们才会在阳光照耀下微微发光。此外还有银河对观测的干扰——太阳系位于银河系的一条旋臂上,当我们看向银河系内部时,我们看到的只有恒星的星光。
星光虽然很美,但对天文学家来说却可能是个麻烦
。“谁也没法在银河系方向找到海王星外天体,”加拿大里贾纳大学天文学家萨曼莎·劳勒(Samantha Lawler)说道,“你要找的是小小的、模糊的、移动的光点,当背景中有如此多的恒星时,找到它们就更困难了。”由于天文学家至今发现的柯伊伯带天体和ETNO太少,
一些对行星九假说持怀疑态度的科学家认为,我们目前根本没有足够的信息来判断像赛德娜这类天体的轨道,到底是真的奇怪还是暂时看起来奇怪
。
争论的关键在于,我们面对的是小样本统计:已知的海王星外天体数量太少,天文学家无法确定哪种统计结果为真
。美国华盛顿大学天体物理和宇宙学数据强化研究所的天文学家佩德罗·贝尔纳迪内利(Pedro Bernardinelli)表示:“不可知论的观点是我们没有足够的数据来证明到底有没有行星九。而我比较肯定行星九不大可能存在,但我相信不去搜寻它也挺傻的。”
值得庆幸的是,这种搜索即将变得比以前更加容易。
即将出现的答案
2024年5月,一台3吨多重、轿车大小的相机从美国加利福尼亚的建造工厂被搬到了智利的一座山顶。
经过10小时的飞行和几天的山路颠簸,这台拥有32亿像素、世界最大的相机完好无损地到达了塞罗帕琼山脉2700米高的峰顶。
如同皇冠上最珍贵的那块宝石,这台价值1.68亿美元的相机准备安装到即将完工的薇拉·鲁宾天文台上。
即
将开放的薇拉 · 鲁宾天文台,位于智利塞罗帕琼山脉的顶部。
薇拉·鲁宾天文台将在2025年初迎来初光
。得益于其巨大的视场,鲁宾天文台将夜复一夜地拍摄整个南半球可见星空的图像。
其如一座房子般大小的主镜结构将能收集极其遥远的星光,这意味着几乎所有闪烁或移动的微光都将被拍摄到。
薇拉·鲁宾天文台由美国国家科学基金会和能源部资助,
以已故的伟大天文学家薇拉·鲁宾(Vera Rubin)的名字命名
。她观察到恒星和星系之间结合的紧密程度无法仅用可见物质的引力解释,这为暗物质的存在找到了有力的证据。以她命名的天文台恰好将用来寻找大量暗藏的天体,从遥远的坍缩的恒星到数以百万计的小行星、甚至包括太阳系中一众来自恒星际的天体。
现在,人们对柯伊伯带的天体数量和柯伊伯带的结构所知甚少,