打开主菜单

第九行星

一顆假想海王星外行星

第九行星(英語:Planet Nine),又稱第九顆行星,是對於太陽系外圍邊界,可能存在的一顆假想海王星外行星的稱呼。據推測,「第九行星」可能是大小至少為地球兩倍的超級地球[5]雖然目前並沒有任何證據足以證明這顆行星確實存在,但大部分的科學家相信如果是真的,便可以合理解釋太陽系邊緣古柏帶歐特雲內數顆海王星外天體不尋常的軌道。

第九行星[1]
Planet nine artistic plain.png
藝術家所想像的第九行星。海王星的軌道在太陽周圍顯示為一個小橢圓形。(見標籤版本。)
軌道參數
遠日點 1200 AU (估计)[2]
近日點 200 AU (估计)[3]
半長軸 400–800 AU (估计)[4]
離心率 0.20.5 (估计)[4]
軌道週期 10,000 至 20,000 年[3]
軌道傾角 15°25°黄道 (估计)[4]
近日點參數 150° (估计)[1]
物理特徵
平均半徑 13,000 km - 26,000 km (估计)[3]
2–4倍地球半径
質量 5–10倍地球质量 (估计)[4]
6×1025 kg (估计)
視星等 >22.5 (估计)[2]
对六颗海王星外天体的轨道统计导致了这个假说。

發現歷史编辑

在2014年,美國天文學家查德·處基羅史考特·雪柏在《自然》期刊發表他們近十年來的研究成果,文中提到兩位天文學家在太陽系外圍發現一顆稱為2012 VP113的天體。這顆大小約只有月球十分之一的小天體引起注意的原因在於,它和十一年前同樣在內歐特雲附近發現的賽德娜很像,都具有極度狹長的軌道,而且兩者的近日點都比太陽海王星距離的兩倍還多,換句話說,兩者特殊的運行軌道都不在海王星的影響範圍內,意味著這不是受海王星重力影響而形成。為此,在這篇論文中兩位科學家寫道:「這顯示,或許外太陽系有一個巨大的障礙物在搗亂。」[6][7][註 1]

處基羅和雪柏假設這個障礙物是一顆離太陽遠達250AU超級地球,它的重力會影響附近許多小天體的運行[6]。這個說法在2016年一月由加州理工學院的天文學家康斯坦丁·貝提金英语Konstantin Batygin(Konstantin Batygin)和麥克·布朗(Michael Brown)以冥王星轨道外的六颗軌道極度不規則天體的研究作為基礎,透過電腦模擬的結果而得到進一步的支持。文中提出了「第九行星」具體的軌道參數,估算出這顆行星質量約為地球十倍(冥王星質量的5000倍),直徑是地球的二到四倍,並且以大約1萬5000年的公轉週期繞行著狹長的橢圓軌道[1][7]

名稱由來编辑

嚴格來說,「第九行星」並不是學術上正式的名稱。這個假說最初被提出時,貝提金和布朗以「干擾者」(Perturber)稱呼這顆行星[1],後來他們也用「Jehoshaphat」、「George」暱稱它,「第九行星」這個稱號也在此時出現,布朗更曾表示:「我們彼此交談時甚至會說它是『大塊頭』(Fatty)」[8]

根據國際天文學聯合會(IAU)對於天體命名的規則,若「第九行星」的存在得到證實,將優先考慮以發現者提出的名字作為正式的名稱。依照以往的慣例,名稱最有可能取自羅馬希臘神話中的人物[9]

可能特徵编辑

軌道编辑

根據目前的假設,「第九行星」沿著軌道離心率極高的軌道繞行太陽,並具有高達30度(30°±10°)的傾角[2][3][10],軌道周期介於1萬至2萬年間(這是最符合古柏帶外圍天體公轉周期的範圍)[11]。軌道的半長軸大約為700AU(相當於海王星到太陽距離的20倍左右);受到高離心率的影響,行星的近日點約在200至350AU之間[12],而遠日點最遠可以到達1200AU(冥王星的遠日點只有49AU)[13][14]

若對於地球上的觀察者而言,當「第九行星」在遠日點(軌道中離太陽最遠的點)時,會出現在獵戶座金牛座[15];而在近日點(軌道中離太陽最近的點)時,大致位於巨蛇座的蛇頭蛇夫座天秤座方向的交界附近[16][17]

根據布朗的推測,在第九行星存在的假設之下,如果從地球發射探測器,並利用重力助推效應沿著繞行太陽的軌道航行,則到達第九行星最少只需要大約二十年的時間[18]

大小和成分编辑

 
第九行星被假定為地球直徑的二至四倍;[2][5]類似天王星海王星冰巨行星[19]

這顆行星的質量估計是地球的10倍,直徑是地球的2到4倍[5][20]。先前在可見光下的調查並未排除與海王星直徑相同的物體。寬視場紅外測量探測器(WISE)的紅外測量可能具有探測第九行星的能力,取決於它的位置和特徵[21][22]WISE過去的調查並未排除第九行星的存在,自2017年以來的一項新調查尚未發現第九行星。

布朗認為,如果第九行星存在,其質量足以在46億年內清除其大型物體的軌道(半長軸和質量的某些組合可能例外)並且其重力主導太陽系的外緣,按現行定義,足以使它成為一顆行星[23]。Jean-Luc Margot還表示,第九行星滿足了他的標準,它將有資格成為一顆行星[24][25]

布朗推測,第九行星很可能是一顆被拋出太陽系的冰巨行星,與天王星和海王星的成分相似:岩石和冰的混合物與一部分氣體。事實上,如果它曾經在木星與海王星之間運行過,那麼這顆行星可能會蘊含氫氣氦氣

證據编辑

 
六顆遠距離越海王星天體之間的軌道相關性導出第九行星假設

查德·處基羅和史考特·雪柏首先描述極端越海王星天體的軌道分類,他們指出小行星90377和2012 VP113的軌道相似性。如果沒有第九行星存在,這些天體的軌道應隨機分佈,不偏向於任何方向。經過進一步的分析,處基羅和雪柏觀察到12顆近日點大於30AU且半長軸大於150AU的越海王星天體聚集在零度附近,意味著當它們最接近太陽時會通過黃道上升。處基羅和雪柏提出,這種軌道是由海王星以外一顆巨大的未知行星藉由古在機制造成的。對於類似的半長軸天體,古在機制使天體近心點幅角限制在接近0度或180度附近,當它們距離太陽相同的距離時,將在行星上方或下方通過。

貝提金和布朗希望反駁處基羅和雪柏提出的機制,也研究了極端越海王星物體的軌道。在消除處基羅和雪柏原始分析中因接近海王星而不穩定或受海王星平均運動共振影響的天體後,巴蒂金和布朗確定其餘六顆天體的近心點幅角(小行星90377、2012 VP113、2004 VN1122010 GB1742000 CR1052010 VZ98)聚集在318°±8°附近。這一發現與古在機制導致天體傾向於0°或180°的近心點幅角並不一致。

貝提金和布朗還發現半主軸大於250 AU和近日點超過30 AU的六顆天體軌道的近日點在大致相同的方向,導致它們的近日點出現經度聚合。六顆天體的軌道也相對於黃道軌道傾斜近似共面,產生升交點黃經聚集。他們確定這種排列組合只有0.007%的可能性是偶然發生。六座不同的望遠鏡通過六次不同的調查發現這六顆天體,故這種現象不太可能是觀測偏差,例如將望遠鏡指向特定方向。觀察到的聚合現象應該被天體在幾億年內的進動消除。這表明不可能是遙遠過去的某種事件所導致,如恆星通過,最有可能是由圍繞太陽軌道運行的天體造成。

處基羅和雪柏在後來的文章中注意到近日點的經度與半長軸大於150 AU的越海王星天體近日點之間存在相關性。具有0-120°的近日點經度的天體具有280-360°之間的近日點,具有180°和340°之間的近日點經度的天體有0°和40°之間的近日點,該相關性的統計學顯著性為99.99%。他們認為這種相關性是由於這些天體的軌道為了閃避軌道上方或下方的大行星所產生。

模擬编辑

貝提金和布朗發現,在公轉軌道上使用10倍地球質量的行星來模擬能最佳地重現六顆遠距離越海王星天體的軌道分佈:

  • 半長軸a≈700AU(軌道周期18,520年)
  • 偏心率≈0.6(近日點≈280AU,遠日點≈1,120AU)
  • 傾角i≈30°(與黃道夾角)
  • 升交點黃經Ω≈94°
  • 近日點ω≈114°和近心點經度ϖ = 235°±12°

爭議编辑

美國太空總署行星科學部主任吉姆·格林支持麥克·布朗的說法,他認為“現在的證據比之前更強”。但格林警告說,對遙遠海王星外天體觀察到的運動有其他的可能性,並引用卡爾·薩根的話「非凡的要求需要非凡的證據」。

湯姆·萊文森得出的結論是「就目前而言,第九行星似乎是現在所知道的太陽系外圍區域唯一令人滿意的解釋」。亞歷山德羅·莫爾比德利(Alessandro Morbidelli)評論《天文期刊》的研究文章時表示同意,他說「我看不到其他解釋可以取代貝提金和布朗所提出的」。

美國天體物理學家伊桑·西格爾(Ethan Siegel)對太陽系中存在尚未發現的行星持懷疑態度,但他推測太陽系至少有一顆超級地球,這種星球在其他行星系統中很常見,但尚未在太陽系中被發現。超級地球在太陽系早期的動力不穩定期間可能已經從太陽系中彈出。行星科學家哈爾·萊維森(Hal Levison)認為被彈出太陽系的超級地球最終落入奧爾特雲的可能性僅為2%左右,並推測如果該星球進入穩定的軌道,許多物體必須被拋出奧爾特雲。

天文學家預計,第九行星的發現將有助於人類理解太陽系和其他行星系統形成的過程,了解太陽系非比尋常-因為缺乏地球與海王星之間質量的行星。

註解编辑

  1. ^ 原始內容:This suggests that a massive outer Solar System perturber may exist and restricts ω for the inner Oort cloud objects.(ω 在天文學中為升交點黃經的代號)

参见编辑

参考资料编辑

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 Batygin, Konstantin; Brown, Michael E. Evidence for a distant giant planet in the Solar system. The Astronomical Journal. 20 January 2016, 151 (2). doi:10.3847/0004-6256/151/2/22. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 Where is Planet Nine?. The Search for Planet Nine. 20 January 2016. (原始内容存档于30 January 2016). 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 Alexandra Witze. Evidence grows for giant planet on fringes of Solar System. Nature. 2016-01-20. 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 Batygin, Konstantin; Adams, Fred C.; Brown, Michael E.; Becker, Juliette C. The Planet Nine Hypothesis. Physics Reports. 2019. Bibcode:2019arXiv190210103B. arXiv:1902.10103. doi:10.1016/j.physrep.2019.01.009. 
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 Achenbach, Joel; Feltman, Rachel. New evidence suggests a ninth planet lurking at the edge of the solar system. The Washington Post. 20 January 2016 [20 January 2016]. 
  6. ^ 6.0 6.1 Trujillo, Chadwick A.; Sheppard, Scott S. A Sedna-like body with a perihelion of 80 astronomical units (PDF). Nature. 27 March 2014, 507 (7493) [2016-12-31]. PMID 24670765. doi:10.1038/nature13156. (原始内容 (PDF)存档于2014-12-16). 
  7. ^ 7.0 7.1 雷蒙尼克(Michael D. Lemonick). 神秘行星X(The Search for Planet X) 169. 科學人中文版. 2016年3月. ISSN 1682-2811.  內容節錄
  8. ^ Burdick, Alan. Discovering Planet Nine. The New Yorker. 20 January 2016 [20 January 2016]. 
  9. ^ Totten, Sanden. Planet 9: What should its name be if it's found?. 89.3 KPCC. 22 January 2016 [7 February 2016]. 
  10. ^ Fesenmaier, Kimm. Caltech Researchers Find Evidence of a Real Ninth Planet. California Institute of Technology. 20 January 2016 [20 January 2016]. 
  11. ^ YouTube上的貝提金解說第九行星,始於2分22秒(英文)
  12. ^ 天文學家找到了第九行星的新證據. Hsszn 讚新聞. 2016-03-31. 
  13. ^ Drake, Nadia. Scientists Find Evidence for Ninth Planet in Solar System. National Geographic. 20 January 2016 [2016-07-15]. 
  14. ^ Plait, Phil. More (and Best Yet) Evidence That Another Planet Lurks in the Dark Depths of Our Solar System. Bad Astronomy. 21 January 2016 [22 January 2016]. 
  15. ^ YouTube上的布朗於格里斐斯天文台解說第九行星,始於4分40秒(英文)
  16. ^ See RA/Dec chart at Batygin, Konstantin; Brown, Mike. Where is Planet Nine?. The Search for Planet Nine. 20 January 2016 [24 January 2016]. (原始内容存档于30 January 2016). 
  17. ^ See embedded video simulation at Lemonick, Michael D. Strong Evidence Suggests a Super Earth Lies beyond Pluto. Scientific American. 20 January 2016 [22 January 2015]. 
  18. ^ Becker, Adam; Grossman, Lisa; Aron, Jacob. How Planet Nine may have been exiled to solar system's edge. New Scientist. 22 January 2016 [25 January 2016]. 
  19. ^ Williams, David R. Planetary Fact Sheet - Ratio to Earth. NASA/Goddard Space Flight Center. 18 November 2015 [2016-07-18]. 
  20. ^ Watson, Traci. Researchers find evidence of ninth planet in solar system. USA Today. 20 January 2016 [18 July 2016]. 
  21. ^ Lakdawalla, Emily. The Planetary Society Blog: "WISE Guys". The Planetary Society. 27 August 2009 [26 December 2009]. 
  22. ^ Luhman, Kevin L. A search for a distant companion to the Sun with the Wide-Field Infrared Survey Explorer. The Astrophysical Journal. 2014, 781 (4): 4. Bibcode:2014ApJ...781....4L. doi:10.1088/0004-637X/781/1/4. 
  23. ^ Brown, Mike. Is Planet Nine a "planet"?. The Search for Planet Nine. 19 January 2016 [7 February 2016]. 
  24. ^ Margot, Jean-Luc. Would Planet Nine Pass the Planet Test?. University of California at Los Angeles. 22 January 2016 [18 July 2016]. 
  25. ^ Margot, Jean-Luc. A Quantitative Criterion for Defining Planets. The Astronomical Journal. 2015, 150 (6): 185. Bibcode:2015AJ....150..185M. arXiv:1507.06300. doi:10.1088/0004-6256/150/6/185.