冥王星之外似乎正在发生一些非常奇怪的事情。天文学家们二十多年来一直知道，这颗曾经的微小行星并非孤单地处于太阳系的边缘：它是被称为柯伊伯带的广阔冰冷天体云的一部分。但是，与它们的大多数同伴以及行星和大多数小行星（它们在火星和木星之间运行）不同，少数柯伊伯带天体（或 KBO）的轨道非常怪异。首先，它们围绕太阳的路径异常拉长，这与大多数行星天体大致呈圆形的轨道不同。
这些行为不端的天体，根据计数方式的不同，数量在 4 到 12 个之间，也具有另一个轨道特性。像大多数 KBO 一样，它们以一定的角度围绕行星所在的煎饼状平面运行，一部分时间上升到煎饼之上，然后猛地穿过并下降到下方。但是，与它们冰冷的同类不同，这些天体都在同一时间穿过行星平面，即它们最接近太阳的时候。
或者，用一个即使许多天文学家也觉得晦涩难懂的术语来说，它们具有非常相似的近日点幅角 (AOP)。卡内基科学研究所的行星科学家斯科特·谢泼德说：“通常情况下，你会期望近日点幅角在太阳系的生命周期中变得随机化。” 也许这仅仅是一个巧合，这些少数天体最终具有相同的 AOP：纯粹出于偶然，这种情况发生的几率应该不到百分之几。这种几率就像连续抛硬币 10 次正面朝上：非常不寻常，但远非不可能。
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但那 10 次正面朝上也可能意味着您的硬币被做了手脚，这些 KBO 也是如此。可能有什么东西迫使这些天体进入这种奇怪的构造——而这个东西可能是一颗巨大的、未知的行星，比地球质量大得多，潜伏在太阳系边缘：一颗超级地球（超级地球是质量约为地球 10 倍的行星）。如果这样一个隐藏的天体——有时被异想天开地称为“X行星”——存在，它将至少在海王星以外 10 倍远的地方绕太阳运行——太遥远也太微弱，以至于迄今为止任何望远镜都无法发现。然而，它巨大的质量将对太阳系的其他部分产生引力影响——这些影响可能解释天文学家所看到的奇怪轨道。
俄克拉荷马大学的行星形成理论家内森·凯布说：“我们还没有确凿的证据证明那里存在行星质量的天体。” “但是有些奇怪的事情正在发生，我们不明白。” 越来越多的天文学家开始相信曾经被嘲笑的在我们中间存在超级地球（X行星）的说法。
正如凯布所暗示的那样，隐藏行星的证据远非确凿。许多天文学家仍然怀疑这个想法，甚至那些将其作为一种可能性来提及的人也表示，他们尚未完全信服。天文学史上充满了隐形的神秘行星，它们的存在的推断来自于其他天体的奇特轨道。有些已被证明是重大发现。另一些则是虚惊一场。可能我们对太阳系的了解远不如我们想象的那么透彻。如果真的存在 X行星，那将需要彻底改写太阳系历史的一些关键章节。
追踪隐藏的世界
首次寻找环绕太阳的隐藏行星是在 19 世纪初，当时科学家们越来越确信，音乐家转行天文学家威廉·赫歇尔在 1781 年意外发现的天王星，其轨道与牛顿的万有引力定律所说的并不完全一致。几位科学家假设，一颗巨大的、未被发现的行星的引力是罪魁祸首——1846 年，德国天文学家约翰·加勒基本上在他法国同事于尔班·勒维耶计算出的位置发现了气态巨行星海王星。（有充分的证据表明，伽利略早在 1612 年就用他简陋的小望远镜看到了海王星，但认为它是一颗恒星。）
20 世纪初，波士顿贵族珀西瓦尔·洛威尔开始在他位于亚利桑那州弗拉格斯塔夫的私人天文台寻找另一颗隐藏的行星。这一次，证据来自天王星和海王星轨道的异常现象，指向了另一颗未被观测到的巨大行星的存在。1930 年初，洛威尔天文台的一位年轻助手克莱德·汤博发现了一颗行星，或多或少位于计算结果所预测的位置——重演了海王星的发现。《纽约时报》在 1930 年 3 月 14 日宣布：“这个球体，可能比木星还大，距离 40 亿英里，符合预测。”
但事实并非如此。几十年后，人们清楚地认识到，冥王星远非木星那么大，实际上比地球的卫星还小。它微弱的引力不可能解释海王星和天王星轨道中的异常现象——事实证明，这也很正常，因为这些异常现象在进一步检查中消失了。从这个意义上说，冥王星是虚惊一场。
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来源：扬·威廉·图尔普；数据来源：国际天文联合会小行星中心的外海王星天体列表（柯伊伯带天体数据）；斯科特·S·谢泼德卡内基科学研究所（极端外太阳系天体数据）
然而，从大局来看，它的发现非常重要。到 20 世纪 80 年代，行星科学家开始怀疑，冥王星并非一颗孤零零地在太阳系冰冷的外围轨道上运行的微小行星，而只是一个被称为柯伊伯带的广阔、人口稠密区域中最亮的一员。1992 年，第一颗 KBO（冥王星除外）在夏威夷的一架望远镜中被发现，此后，观测者又统计了大约 1500 颗。2005 年发现的阋神星在大小上与冥王星相当，并且明显超过了冥王星的质量，这可能会打开闸门，使现有的九颗行星名单中再增加几颗行星。这一幽灵促使国际天文联合会在 2006 年将冥王星从行星降级为矮行星。
重组太阳系
柯伊伯带的发现反过来又为最新的 X行星 搜索提供了可信度，因为它有助于解释这样一个天体是如何最终离太阳如此之远的，以至于我们仍然没有看到它。计算机模拟表明，柯伊伯带的冰冷天体应该形成在海王星现在所占据的某个区域。一定有什么东西将它们抛得更远（或者说分散了它们，用专业术语来说），到达了它们现在的位置。这一观察结果使天文学家推测，在新生行星从围绕新生太阳旋转的气体和尘埃“原行星盘”中凝结后不久的混乱时期发生了一次扰动。在这个动荡不安的时期，木星、土星、天王星和海王星很可能从最初的轨道移动了数亿公里，它们的引力将 KBO 向外抛射。一些模拟甚至指向可能存在第五颗气态巨行星，它在其他行星调整位置时完全被太阳系弹射出去。
如果存在超级地球，它也很可能在这个普遍混乱时期被抛射出去。而且，由于超级地球已被证明在过去几十年中围绕其他恒星发现的约 2000 颗系外行星中很常见，因此也有理由认为，我们自己的太阳曾经也可能有一颗超级地球在环绕运行。犹他大学的本·布罗姆利与哈佛-史密森天体物理学中心的斯科特·凯尼恩合作，他说：“我们运行了一些模拟，模拟了从今天木星和土星所在区域散射出来的超级地球会发生什么情况。” 在大多数情况下，他们发现超级地球将被抛入高度椭圆轨道，该轨道将逐渐变得越来越拉长，直到行星完全被太阳系弹射出去。但是，如果散射发生得足够早——大约在行星形成后 1000 万年内，在原行星气体消散之前，布罗姆利说，“超级地球可能会与气体发生[引力]相互作用，并在荒凉地带稳定下来，形成或多或少呈圆形的轨道。”
这种情况是制造洛威尔在 20 世纪初开始寻找的那种巨大 X行星 以及加勒和勒维耶在半个世纪前合作发现海王星时找到的那种 X行星 的一种方法。凯尼恩和布罗姆利发现的另一种方法是让超级地球在距离太阳可能 200 个天文单位 (AU) 的位置就地形成，也就是说，是太阳-地球距离 9300 万英里的 200 倍。（相比之下，海王星在距离太阳约 30 AU 的轨道上运行。）只有在存在足够的行星形成物质——鹅卵石大小的岩石和冰块——在那么远的地方绕轨道运行时，这种原位形成才有可能。
没有直接证据表明这种情况曾经在我们自己的太阳系中发生过，但有相当充分的证据表明，这种情况发生在与太阳非常相似的恒星中。然而，凯尼恩说：“如果你观察附近的太阳型恒星，它们中的一些恒星拥有碎片盘，其物质延伸到距离恒星本身约 200 AU 的地方。因此，这并非史无前例。” 尽管没有证据表明超级地球已经在这些附近恒星周围如此远的距离形成，但他表示，“至少你拥有基本成分。” 大约十年前，当凯尼恩和布罗姆利开始研究这些模拟时，所有这些模拟都纯粹是推测性的。没有人看到哪怕是一点点超级地球实际存在的迹象。
塞德娜登场
随着塞德娜的出现，这种情况开始发生变化。2003 年，加州理工学院的迈克·布朗与两位同事一起观测到了当时可能是有史以来发现的最奇怪的太阳系天体。那是一个冰冷的天体，现在估计直径约为 1000 公里，在许多方面与冥王星、阋神星和其他 KBO 相似。然而，它的轨道以前从未见过。塞德娜在其高度拉长的 11400 年轨道上，永远不会比距离太阳 76 AU 更近，也就是不会比海王星的两倍距离更近，并且在最远时会退到 930 AU 以上——是海王星距离的 31 倍。
现在的夏威夷双子座天文台的共同发现者乍得·特鲁希略说：“塞德娜真的令人惊讶，因为它完全无法解释。” 它拉长的轨道类似于长周期彗星的轨道，但与塞德娜不同，这些彗星的一个轨道端点被巨行星的引力牢牢地锚定。塞德娜似乎没有锚定在任何东西上。“没有人认为像这样的天体可能存在，”特鲁希略说，“也没有人解释它是如何到达那里的。”
在接下来的十年左右，观测者发现了另外 10 个较小的天体，它们的轨道也是拉长的，并且永远不会靠近海王星。就其本身而言，这并没有什么特别值得注意的：它们中没有一个像塞德娜那样极端，无论是在轨道的形状还是在它的近日点（即它最接近太阳的点）离海王星有多远方面。但是，它们所有天体，连同塞德娜本身，都具有相似的近日点幅角，这是一个不寻常的轨道参数，描述了天体到达近日点时在太阳系平面上方或下方多远。这看起来……很奇怪。
当特鲁希略和谢泼德在 2014 年在《自然》杂志上宣布，经过十年的寻找，他们发现了第二个类似塞德娜的天体，大约是塞德娜本身的一半大小时，情况变得更加奇怪。“如果你是一名生物学家，”特鲁希略说，“当你发现一些奇怪的生物时，你非常肯定那里一定有更多类似的生物。” 他说，天文学也是如此——除非第一个生物完全是侥幸。“也许这个天体碰巧因我们不理解的原因而被抛入这个轨道，”他说，“但在你找到另一个之前，你真的不知道。” 现在他们找到了。
暂时被称为 2012 VP113，它偏心的 4300 年轨道的近日点为 80 AU，远日点（即它离太阳最远的点）为 446 AU。与塞德娜一样，2012 VP113 在引力上完全脱离海王星。至关重要的是，它的近日点幅角与塞德娜的以及少数其他不太像塞德娜的 KBO 的近日点幅角非常相似。正是最后一个因素导致了埋藏在《自然》论文深处的一个挑衅性的观点。“这表明，”特鲁希略和谢泼德写道，“可能存在一个巨大的外太阳系扰动者。” 他们假设，这个扰动者可能是一颗在距离太阳 250 AU 以内的轨道上运行的超级地球，它的引力可能影响了较小的天体，并同步了它们的近日点幅角。耶鲁大学的梅格·施瓦姆说：“我认为以前没有人真正认真地考虑过一颗巨大的、未被探测到的行星。” “但特鲁希略和谢泼德的论文确实将其提上了议事日程。”
然后，在 2014 年 9 月，两名相对默默无闻的西班牙天文学家，马德里康普顿斯大学的劳尔·德拉富恩特·马科斯和卡洛斯·德拉富恩特·马科斯兄弟在《英国皇家天文学会月刊》上发表了一篇论文，提高了赌注。根据塞德娜、2012 VP113 和较小天体的轨道，他们认为可能不只一颗超级地球。他们的分析“强烈暗示”冥王星以外可能至少存在两颗行星。“我们未发表的计算，”劳尔说，“表明假设的行星应该至少有两颗，但可能少于 15 个地球质量。”
像谢泼德和特鲁希略一样，德拉富恩特·马科斯兄弟也没有声称在做出可靠的预测。两个团队都只表示，超级地球的存在是合理的。然而，如果它存在，天文学家对其完全了解我们自己的太阳系的信心将被颠覆。
疑虑依然存在
虽然隐藏的 X行星 是解释塞德娜及其同类天体怪异现象的诱人解释，但它并非唯一的选择。西南研究所的行星形成理论家哈尔·莱维森说，另一种可能性是，塞德娜、2012 VP113 和其余天体在太阳仍然是其最初的由数千颗恒星组成的诞生星团的一部分时，被抛入了它们独特的轨道，这些恒星是从单一的气体云中凝结而成的。在星团分散之前，这些恒星会足够近，足以扭曲外太阳系天体的轨道，将它们向内发送到漫长、拉长的轨迹上。或者，谢泼德说，轨道拉长可能来自银河系潮汐——也就是说，当太阳在其围绕银河系中心运行的轨道上靠近更高密度区域时，来自一个方向的拉力比来自另一个方向的拉力更强。“我们已经运行了一些类似的模拟，”谢泼德说，“但什么也没出现。因此，这似乎不太可能，但在那里还有许多其他类似的可能性。”
这些效应中的任何一种都可能使这些天体进入其椭圆形轨道，但只有超级地球假设才能使它们具有如此接近的近日点幅角。或者纯粹是偶然。谢泼德和特鲁希略在他们的论文中引用的 12 个天体听起来可能很多，但考虑到有数百万个柯伊伯带天体，谢泼德说，“这是一个统计上边缘的数字。”
如果您同意施瓦姆和她的合作者、东京工业大学的拉蒙·布拉瑟的观点，那么从塞德娜及其同伴的奇怪轨道推断 X行星 的案例就更加边缘化了。“我们最近所做的工作，”施瓦姆说，“表明实际上只有四个像塞德娜这样的天体。” 她说，其余的 12 个天体并没有那么接近海王星，但它们足够接近，它们可能会感受到海王星的引力。因此，海王星本身可能就是解释它们近日点幅角如此接近的 X行星 。如果 12 个天体被认为是统计上边缘的，那么 4 个天体就更是如此了——尽管科学中的“边缘”与日常世界中的“边缘”略有不同。“剩余四个天体的对齐，”布拉瑟说，“偶然发生的几率仅为 1%。” 然而，高赔率并不是板上钉钉。“仅仅因为你可以说一颗行星是可能的，”施瓦姆说——她同意这是可能的——“并不意味着它就存在。”
行星科学家已经不止一次地吸取了这个教训。在 20 世纪 80 年代，加州大学伯克利分校的物理学家理查德·穆勒认为，他可以通过援引一颗昏暗的恒星或一颗棕矮星——一个质量小于恒星但大于行星的天体——在距离太阳大约 10 万 AU 或约 1.5 光年的轨道上运行来解释地球上过去的许多物种大灭绝。根据该理论，大约每 2600 万年，他称之为复仇女神星的天体就会将一团彗星从奥尔特云中踢出，奥尔特云是一个仍然是假设的冰冷天体壳，它围绕着太阳系，远远超出塞德娜或天文学家曾经见过的任何东西。奥尔特彗星向太阳方向坠落。它们中的一些撞击地球，我们星球上的一大部分物种就此消失。
但就像今天关于 X行星 的论点一样，该理论也只是勉强合理，并且对复仇女神星的搜索一直空手而归。最近，约翰·马特斯和丹尼尔·惠特迈尔在路易斯安那大学拉斐特分校工作时，假设在遥远的外太阳系中存在一颗木星大小的行星，以解释似乎有过多的长周期彗星从天空的一个方向飞来。“这，”施瓦姆说，“是文献中的一篇论文”，这是科学界对“我从一开始就从不相信它”的简写。果然，美国宇航局的广域红外巡天探测器（WISE）望远镜进行的敏感调查一无所获。宾夕法尼亚州立大学的凯文·卢曼（他进行了这项搜索）说：“我们本可以探测到小到木星的天体，距离太阳大约 30000 到 40000 AU，并且我们本可以探测到小到土星的天体，距离太阳大约 10000 或 15000 AU。” 他们什么也没发现。超级地球大小的 X行星 会更近，但也更暗淡，以至于不会出现在这次调查中。
所以它在那里还是不在那里？
由于只有不超过 12 个不寻常的天体来指导他们，行星科学家目前无法断言我们的太阳系是否是超级地球的宿主。他们只能说，该假设与观测结果一致。识别更多具有相似轨道特征的天体至关重要，这就是为什么天文学家对 2015 年 11 月宣布的一颗新天体如此兴奋的原因。它被称为 V774104，它的近日点甚至比塞德娜的更远。领导发现团队的谢泼德说，现在判断它的轨道是证实还是否定了一颗未被发现的巨行星的可能性还为时过早。对于谢泼德团队同时在他们所谓的“有史以来对外太阳系进行的最深入、最广泛的调查”中发现的大约 40 个其他遥远天体，现在说些什么也为时过早。但是，研究人员发现的越多，他们就越有可能明确地说出那里是否潜伏着什么巨大的东西。
为了进一步提高他们的机会，行星科学家渴望获得大型综合巡天望远镜（LSST），该望远镜计划于 2019 年在智利北部上线。它不会比目前使用的最大望远镜更大，但它的视场将宽得多，使其能够搜索更广阔的天空区域。特鲁希略说，目前，天文学家已经调查了大约 10 平方度的天空——相比之下，满月覆盖了四分之一平方度——以寻找微弱、遥远的天体。他说，LSST“将能够调查数万个”。
如果一颗超级地球在那里，并且它足够大且足够明亮，LSST 可能会发现它。或者也许其他人已经发现了。2015 年 12 月，观测者声称他们已经使用智利的阿塔卡玛大型毫米/亚毫米波阵列直接拍摄了可能是另一颗超级地球的图像。他们的大多数同事对此高度怀疑，但更多的观测可能会改变这一点。或者，也许其他一些望远镜已经无意中拍摄了我们本地的超级地球。“也许它就在某人的硬盘上，他们只是从未注意到它，因为他们没有寻找它，或者他们没有以正确的方式寻找，”特鲁希略说。“人们往往只看到他们正在寻找的东西。”
编者注：就在这篇文章首次在我们的二月刊上发表时，加州理工学院的天文学家迈克·布朗和康斯坦丁·巴蒂金宣布了更强的证据，证明 X行星 正在冥王星以外的黑暗中运行——他们缩小了天文学家应该寻找的天空区域。针对这个未被观测到的世界的定向搜索现在正在进行中。