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太阳系暗藏超级地球?

环球科学迈克尔-D-勒莫尼克2016年05月03日10:23

[摘要]在太阳系的边缘,可能藏着一颗比地球更大的行星。

太阳系暗藏超级地球?

冥王星轨道之外似乎有一些非常奇怪的现象。20多年前,天文学家就已经知道这颗小小的“前行星”并非孤身一人游荡在太阳系边缘,而是一大群冰质天体中的一员,这些天体组成了柯伊伯带。不过,与其他柯伊伯带天体、行星以及大多数轨道在火星和木星之间的小行星都不同,少数柯伊伯带天体(KBO)的轨道非常奇怪。比如说,它们环绕太阳的轨道特别扁长,跟大多数行星类天体的近圆轨道迥然不同。

这些奇特的天体(数量为4或12个,不同研究者给出的数量有所不同)还有另外一个共同的轨道特征。与大多数柯伊伯带天体一样,它们的轨道相对行星们所在的薄饼状平面有个倾角,故而部分时间在薄饼上方,部分时间则会穿过薄饼到其下方运动。但这些天体与其他冰冻的同胞有一点不太一样:它们都是在最靠近太阳的时候穿越行星平面的。

或者,我们可以用一个连天文学家都觉得晦涩的术语来描述这种现象:这些天体的近日点角距(AOP)都非常接近。“通常情况下,”美国卡内基研究所的行星科学家斯科特•谢泼德(Scott Sheppard)说,“太阳系经过长时间的演化,天体的近日点角距应当是随机的”。也许,这些天体拥有相同的近日点角距仅仅是一个巧合:这种事是有可能发生的,但概率仅有几个百分点。就像你抛硬币,连续10次都正面向上——很反常但并非不可能。

但是,抛10次硬币都正面向上,也可能意味着你的硬币重量不均匀;同样的道理也适用于这些柯伊伯带天体。可能是某个因素导致这些天体进入了这种奇特的轨道——而这个因素可能是一个未被探测到的大行星,其质量明显超过地球,隐藏在太阳系边缘。如果这样一个有时会被称为“X行星”的隐藏天体真的存在,它到太阳的距离至少是海王星的10倍——太远太暗,现在的望远镜是观测不到它的。然而,它较大的质量能够对太阳系其余天体产生影响,这也许能解释天文学家观测到的奇特轨道现象。

“我们还没有获得决定性的证据,来证明那里有一颗质量达到行星水平的天体,”卡内基研究所的行星形成专家内森•凯布(Nathan Kaib)说,“但的确出现了我们不能理解的有趣现象。”而且,有来越多的天文学家开始赞同这个曾被认为很荒谬的理论,即太阳系中还存在一个超级地球,X行星。

正如凯布所指出的,有关隐藏行星的证据还远远不够。许多天文学家仍然对这一想法心存怀疑,甚至那些提出X行星可能存在的科学家都说自己还不能完全确定。在天文学的历史上,研究者曾提出过许多观测不到的神秘行星,他们根据其他天体的特殊轨道推断有这些行星存在。其中一些最终被证明是重大发现,但剩下的大都是虚惊一场。也许我们对太阳系的了解并不像我们想象的那样多。如果太阳系外围真的存在X行星,那么太阳系演化史的一些重要章节就需要整个重写了。

太阳系暗藏超级地球?

追踪隐藏的世界

对太阳系隐藏行星的第一次搜寻开始于19世纪早期,当时科学家越来越确信,天王星(从音乐界转行过来的天文学家威廉•赫歇尔在1781年偶然发现了这颗行星)的轨道并不符合牛顿引力定律的预言。有些科学家猜测,这种异常是一颗尚未发现的大行星的引力作用导致的。1846年,德国天文学家约翰•伽勒(Johan Galle)发现了这颗气态巨行星海王星,其位置大致与他的法国同行于尔班•勒威耶(Urbain Le Verrier)计算的结果相符。(有证据表明伽利略早在1612年就用他的小型简易望远镜看到过海王星,但他认为那是颗恒星。)

20世纪早期,波士顿贵族珀西瓦尔•洛厄尔(Percival Lowell)开始在他设于亚利桑那州的私人天文台搜索另一颗隐藏行星。这颗隐藏的巨行星存在的证据来自天王星和海王星的轨道异常。1930年初,洛厄尔天文台的一位年轻助理克莱德•汤博(Clyde Tombaugh)发现了一颗位置大致与计算符合的行星,重现了海王星的发现过程。据《纽约时报》在1930年3月14日的报道:“这颗可能比木星大的球状天体距离地球4000000000英里,与预测相符。”

然而事实并非如此。几十年内人们就发现冥王星远远小于木星,实际上比月球还小。它微小的引力不能解释天王星和海王星的轨道异常——但这并不重要,因为在进一步观测中,这些异常逐渐消失了。从这个角度说,冥王星是一个误报。

但从更高的层面上看,冥王星的发现是极其重要的。到20世纪80年代,行星科学家开始怀疑冥王星并不仅仅是一个在太阳系冰冷的外缘孤单运动的行星,而是被称为柯伊伯带的天体聚集区中最亮的一颗天体。1992年,天文学家利用位于夏威夷的望远镜发现了第一颗柯伊伯带天体(冥王星之外的),从那以后,观测者已经记录了大约1500颗KBO。2005年发现的阋神星(Eris)大小与冥王星差不多,质量则明显超过了冥王星,这意味着可能需要在当时的九大行星名单中加入更多的成员。由此引起的担忧使得国际天文学会在2006年将冥王星从行星降级到了矮行星。

重组太阳系

柯伊伯带的发现反过来提高了最近的X行星搜索行动的可信程度,因为它可以解释为什么这样一个天体会离太阳如此之远以至于我们从未观测到它。计算机模拟表明,柯伊伯带的冰质天体应该形成于现在的海王星轨道附近。某个天体将它们扔(或者用专业词汇来说,散射)到了现在的位置。天文学家根据这一观测结果提出了一种理论:在由尘埃和气体组成、围绕新生太阳运动的原行星盘中,行星逐渐生成,在这之后太阳系曾陷入一片混乱。在这个动荡时期,木星、土星、天王星和海王星很可能从初始轨道向外移动了数百万千米,而它们的引力作用把柯伊伯带天体推向了太阳系外侧。有些模拟甚至显示可能存在第五个气态巨行星,在其他气态巨行星调整位置时,这个行星被彻底弹出了太阳系。

同理可以推测,如果存在一个超级地球,它也有可能在这场骚乱中被抛向外面。而且,因为在过去几十年中发现的数千颗太阳系外行星中,超级地球很常见,所以认为太阳系曾经也有一颗是合理的。考虑到这一点,犹他大学的本•布罗姆利(Ben Bromley)说:“我们做了数次大型模拟,考虑一个超级地球从现在的木星和土星轨道附近散射出去后会发生什么。”他和哈佛-史密森尼天体物理中心的斯科特•凯尼恩(Scott Kenyon)合作发现,在大多数情况中,超级地球会进入一个狭长的椭圆轨道,而且这个轨道会逐渐拉长直到行星完全脱离太阳系。但如果散射发生的足够早——大约在行星形成后的1 000万年内,也就是在原行星盘的气体消散之前,布罗姆利说,“超级地球可能会(通过引力)与气体相互作用,最后停留在太阳系偏远区域的某条近圆轨道上。”

这是20世纪早期洛厄尔寻找的那个大质量X行星形成的一种途径,而伽勒和勒威耶在半个世纪前找到的海王星也可能是通过这种途径形成的。凯尼恩和布罗姆利发现,X行星的另一种形成途径是让超级地球直接诞生于距离太阳大约200天文单位(AU)的地方,也就是日地距离(9300万英里)的200倍。(作为比较,海王星到太阳的距离为30 AU。)直接在原处形成X行星有一个必要条件:在距离太阳如此遥远的地方仍有足够多的原材料,如鹅卵石大小的石头和冰块,可以让行星形成。

没有直接证据表明我们的太阳系符合这一条件,但有充分的证据证明,在中央恒星与太阳非常相似的行星系统中存在这种情况。“如果你观测邻近的太阳型恒星”,凯尼恩说,“会发现某些恒星的碎屑盘一直延伸到了距离恒星大约200 AU的地方。所以这并非没有先例。”尽管没有证据表明在那些邻近恒星周围同样距离处形成了超级地球,但“至少有了基本的材料。”不过,凯尼恩和布罗姆利在10年前开始做这方面的研究时,这些模拟都还只是纯粹的猜测,从未有人观测到超级地球的确存在于那里的迹象。

发现赛德娜

这种状况因赛德娜的发现而改变了。2003年,加州理工学院的麦克•布朗(Mike Brown)和两位同事发现了当时最奇特的太阳系天体。它是一个冰质天体,直径约965千米,在许多方面与冥王星和阋神星等柯伊伯带天体类似。然而,它的轨道是前所未见的。赛德娜的轨道是一个狭长的椭圆,绕日运转一周需要11400年。它离太阳最近时有76 AU,超过了海王星到太阳距离的两倍,而它离太阳最远时则有930 AU——是海王星到太阳距离的31倍。

“赛德娜确实很令人吃惊,”它的发现者之一、夏威夷双子座天文台的查德•特鲁希略(Chad Trujillo)说,“因为它完全无法解释。”赛德娜的狭长轨道与长周期彗星类似,但与赛德娜不同,长周期彗星轨道的一端都被巨行星的引力牢牢地锚定,而赛德娜好像没有被任何天体锚定。“没人曾想到会有这样的天体存在,”特鲁希略说,“也没人能解释它是怎样到那儿的。”

在接下来的10年间,观测者发现了另外10颗较小的天体,其轨道同样狭长而且从不接近海王星。这本身倒没什么特别值得注意的:它们的轨道形状以及近日点到海王星的距离都没有赛德娜那么极端。但这10颗天体和赛德娜都拥有相似的近日点角距——描述天体在近日点处离太阳系平面有多远的轨道参数。这看上去很奇怪。

事情在2014年变得更奇怪了。这一年特鲁希略和谢泼德在《自然》(Nature)发表文章,宣布他们经过10年的搜索之后, 发现了另一颗和赛德娜类似的天体,大约有赛德娜的一半大小。“如果你是个生物学家,”特鲁希略说,“当你发现了某种特殊生物,你肯定会认为附近有更多同类生物。”在天文学中,情况也类似,他说——除非第一只生物的存在完全是意外。“也许这个天体出于某种我们不知道的原因,被抛到这个轨道上来了,”他说,“但你不能确定,除非能再找到一个。”现在他们找到了。

太阳系暗藏超级地球?

这颗临时命名为2012 VP113的天体轨道偏心率较高,周期为4300年,近日点距离太阳80 AU,远日点距离太阳446 AU。与赛德娜相同,2012VP113也完全脱离了海王星的引力作用范围。重要的是,它的近日点角距与赛德娜非常接近,和那几个相似度略低的柯伊伯带天体一样。由于最后这一点,这篇发表在《自然》上的论文有一句意味深长的话。“这意味着,”特鲁希略和谢泼德写道,“在太阳系外侧可能存在一个大质量的扰动天体。”他们猜测,这个扰动天体可能是一个距离太阳250 AU的超级地球,它的引力对那些小天体施加影响,使后者拥有相近的近日点角距。“我不认为在此之前有人认真考虑过尚未被发现的大质量行星,”耶鲁大学的梅格•施万布(Meg Schwamb)说。“但是特鲁希略和谢泼德的文章让人开始重新考虑这个问题。”

之后,在2014年9月,《皇家天文学会月刊》(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters)发表了一篇支持这一观点的文章,作者为两位名气相对较小的西班牙天文学家,马德里康普顿斯大学的劳尔(Raul)和卡洛斯•德拉富恩特•马科斯(Carlos de la Fuente Marcos)兄弟。基于赛德娜、2012VP113和另外10个较小天体的轨道,他们推断,太阳系中的超级地球可能不止一个。他们的分析“强烈支持”冥王星外侧至少有2个超级地球。劳尔说:“我们未发表的计算成果给出的结论是,那些行星的质量应当大于2个地球质量,但可能小于15个地球质量。”

与谢泼德和特鲁希略类似,德拉富恩特•马科斯兄弟也没有声称这是个可靠的预测。两个研究团队都只是说超级地球是可能存在的。但如果它真的存在,天文学家对自己已充分了解太阳系的信心就会崩溃了。

仍然存疑

尽管用一个隐藏的X行星来解释赛德娜和类似天体的奇特轨道是相当有吸引力的,但这个解释并非唯一的选择。还有另外一种可能,美国西南研究所的行星形成专家哈尔•利维森(Hal Levison)说,赛德娜、2013VP113和其他天体可能是在太阳形成早期进入它们的独特轨道的,那时太阳还是它最初诞生时所在星团的一员,这个星团有数千颗恒星,是由一团气体云形成的。在星团散开之前,这些恒星之间的距离可能近到足以改变太阳系外侧天体的运动轨迹,将它们推入延伸出很远的狭长轨道。或者,谢泼德说,这种狭长轨道可能是由银河系的潮汐作用导致——也就是说,太阳在围绕银河系中心运动的过程中,会穿越一些高密度区域,导致来自一侧的引力作用大于另一侧。“我们已经做了这方面的模拟,”谢泼德说,“但没有得到与观测相符的结果。所以这个解释看上去不太可行,但还有很多其他可能的解释。”

这些效应都可以使天体进入长椭圆轨道,但只有超级地球假设可以给出如此一致的近日点角距。但相似的近日点角距也可能完全是巧合。谢泼德和特鲁希略在文章中举出的12个天体看上去很多,但考虑到柯伊伯带中的天体有数百万个,谢泼德说:“这在统计上实在是个微不足道的数字。”

如果你同意施万布和她在东京理工学院的合作者雷蒙•布拉瑟(Ramon Brasser)的观点,那么根据赛德娜和类似天体得出有X行星存在的推断就更不可信了。施万布说:“我们最近的研究表明,类似赛德娜的天体实际上只有4个。”这12个天体中的其余几个虽然没有特别靠近海王星,但海王星的引力足以产生影响。所以海王星本身就可能是导致它们近日点角距相近的X行星。而且,如果认为12个天体在统计上微不足道,那4个就更加微不足道了——尽管“微不足道”一词在学术上的意义与日常生活有一定区别。“这4个天体近日点角距一致,”布拉瑟说,“如果是巧合,那么发生的概率约为百分之一。”概率很小,但并非绝无可能。“不能仅仅因为一颗行星是可能的解释,就说它肯定存在,”施万布说,虽然她也同意这种解释可行。

太阳系暗藏超级地球?

这三张照片是加利福尼亚的帕洛马天文台拍摄的,拍摄时间间隔大约为一个半小时。照片展示了黯淡的天体赛德娜的运动情况。赛德娜和类似天体的奇特轨道表明,在冥王星之外更远的地方可能隐藏着一颗行星。

行星科学家在这之前已经得到过不止一次教训。20世纪80年代,加利福尼亚大学伯克利分校的物理学家理查德•穆勒(Richard Muller)认为,他找到了导致地球历史上多次物种大灭绝的元凶:一颗距离太阳10000 AU(1.5光年),围绕它运动的黯淡恒星或褐矮星——一种质量介于恒星和行星之间的天体。大约每2600万年,这个被他称为涅墨西斯(Nemesis,意为复仇之神)的天体就会将一批彗星驱逐出奥尔特云。奥尔特云是由环绕着太阳系的冰质天体组成的球壳结构,远在赛德娜或其他太阳系天体之外,天文学家还未真正观测到其中的天体。离开奥尔特云的彗星向太阳方向运动,其中一些撞击地球,导致物种大量灭绝。

但是,与现在支持X行星的主张一样,这种理论仅仅是具备可行性,而且针对涅墨西斯的搜寻从未得到任何结果。最近,路易斯安那大学拉斐特分校的约翰•马泰塞(John Matese)和丹尼尔•惠特迈尔(Daniel Whitmire)假设太阳系外部边缘存在一个木星大小的行星,用于解释长周期彗星的来源方向集中于一个天区的现象。施万布说:“这是一篇资料论文。”这是学术界对“我绝对不会第一时间接受其观点”的简略说法。(她对德拉富恩特•马科斯兄弟的文章给出了同样的评论,但没有这样评价特鲁希略和谢泼德发表在《自然》杂志上的文章。)的确,美国航空航天局的宽场红外巡天探测器(WISE)在一次高精度巡天中没有观测到任何类似的天体。“如果是木星大小的天体,在距离太阳30000~40000AU的范围内都可以被我们观测到,”主导这项巡天工作的宾夕法尼亚州立大学的凯文•吕曼(Kevin Luhman)说,“如果是土星大小的,那么在距离太阳10000~15000AU的范围内可以被观测到。”但他们什么都没有找到。大小相当于超级地球的X行星会近很多,但也要暗得多,这样的巡天观测是发现不了它的。

所以它是否存在?

在只有不超过12个这种特殊天体的情况下,行星科学家现在不能确认我们的太阳系中是否存在一个超级地球。他们只能说这种假设与观测相符。确认更多轨道特征相似的天体是至关重要的,这就是为什么天文学家如此关注2015年11月发现的一颗新天体。此天体被称为V774104,它的近日点到太阳的距离甚至比赛德娜更远。谢泼德领导的一个团队发现了这个天体。他说,现在谈论该天体的轨道证实或证伪了超级地球的存在还为时过早。同样,讨论谢泼德团队同时发现的另外40颗遥远天体也为时过早。他称此次发现这些天体的观测为 “有史以来的最深、最宽的外太阳系巡天项目”。不过,发现的天体越多,天文学家就越有可能最终确定是否有大质量天体隐藏在太阳系外围。

为了进一步推进这一研究,行星科学家正在积极申请大型综合巡天望远镜(LSST,建于智利北部,预计2018年完工)的使用机会。LSST的口径并不比现在运行的大型望远镜更大,但它的视场要宽很多,可以搜寻更大的天区。特鲁希略说,现在天文学家只对大约10平方度的天区(满月相当于四分之一平方度)进行了巡天观测来寻找遥远的暗天体。而LSST,他说,“巡天范围可以达到数万平方度。”

如果超级地球真的在那里,而且足够大且足够亮,那么LSST就可以发现它。或许有人已经看到它了。“没准这颗行星就在某个人的硬盘里,而他们只是从来没有留意过,因为他们并不是在寻找它……”(编者注:麦克· 布朗在最近发表的论文中提出,这几个特殊天体还有另一个特征,它们的轨道长轴大多重叠在一起,就好像有什么东西把它们推到了太阳周围的同一个区域。这个发现进一步支持了X行星假说。)

作者介绍

迈克尔•D•勒莫尼克是《镜像地球:搜索我们行星的双胞胎》(The Search for Our Planet’s Twin ,Walker Books 2012出版)的作者。过去的21年中 ,他一直是《时代周刊》的科学撰稿人。他现在是《科学美国人的》的观点编辑。

译者介绍

季江徽是中国科学院紫金山天文台研究员,主要研究领域为系外行星和小天体动力学。

张翔是中国科学院紫金山天文台博士研究生。

【“《环球科学》太空站”栏目由《科学美国人》中文版《环球科学》独家授权腾讯太空开设,为读者报道天文学、宇宙学、空间科学等领域的最新进展。未经《环球科学》授权,不得转载,摘编等。】

天文学家的圣山争夺战

[责任编辑:sorazhang]
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