在冥王星之外，似乎正在发生一些非常奇怪的事情。天文学家在二十多年前就已经知道，这颗曾经的微小行星并非孤单地处于太阳系边缘：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轨道运行）不同，少数柯伊伯带天体（KBOs）的轨道异常怪异。首先，它们围绕太阳的路径异常细长，这与大多数行星天体的近圆形轨道不同。
这些行为异常的天体，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，它们以一定角度绕煎饼状的行星居住平面运行，一部分时间升到煎饼上方，然后俯冲穿过并在其余时间降到下方。但是，与它们的冰冷同胞不同，这些天体都在它们最接近太阳的近日点同时穿过行星平面。
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，你会期望近日点幅角在太阳系的生命周期中已被随机化。” 也许这仅仅是一个巧合，这些少数天体最终具有相同的 AOP：这种情况纯粹是偶然发生的几率不到百分之几。这种几率就像抛硬币连续得到 10 次正面：非常不寻常，但绝非不可能。
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但是，这 10 次正面也可能意味着您的硬币有问题，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型——而这种东西可能是一颗巨大的、未知的行星，质量明显大于地球，潜伏在太阳系边缘：一颗超级地球（超级地球是质量大约是地球 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，它的轨道将至少比海王星离太阳远 10 倍——太远太暗，以至于迄今为止任何望远镜都无法发现。然而，它相当大的质量将对太阳系的其他部分产生引力效应——这些效应可能解释天文学家所看到的奇怪轨道。
卡内基研究所的行星形成理论家内森·凯布说：“我们还没有确凿的证据表明那里存在行星质量的天体。” “但是，我们不理解的奇怪的事情正在发生。” 越来越多的天文学家开始相信曾经被嘲笑的关于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，关于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，即使是那些援引它作为可能性的人也表示，他们尚未完全信服。天文学史充满了看不见的神秘行星，它们的存在是从其他天体的奇特轨道推断出来的。有些最终被证明是重大发现。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好。如果那里存在 X 行星，那将需要彻底改写太阳系历史的一些关键章节。
寻找隐藏的世界之路
首次寻找绕太阳运行的隐藏行星是在 1800 年代初期，当时科学家们越来越相信，音乐家出身的天文学家威廉·赫歇尔在 1781 年意外发现的天王星，其轨道运行并不完全符合牛顿万有引力定律的描述。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·伽勒基本上在他法国同事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 年就用他简陋的望远镜看到了海王星，但认为它是一颗恒星。）
1900 年代初期，波士顿贵族帕西瓦尔·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中的异常，指向了另一颗未见的巨行星的存在。1930 年初，洛威尔天文台的一位年轻助手克莱德·汤博发现了一颗或多或少在计算位置上的行星——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，可能比木星更大，距离 4,000,000,000 英里，符合预测。”
但事实并非如此。在几十年内，人们清楚地认识到，冥王星远非木星的大小，实际上比地球的卫星月球还要小。它微弱的引力不可能解释海王星和天王星轨道中的异常——事实证明，这也没什么大不了的，因为这些异常在进一步的检查中消失了。从这个意义上讲，冥王星是一次虚惊一场。
然而，从大局来看，它的发现非常重要。到 1980 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冻的外围区域轨道运行的微小行星，而只是一个天体密集的区域柯伊伯带中最亮的成员。1992 年，在夏威夷的一架望远镜中发现了第一个柯伊伯带天体（除了冥王星之外），此后，观测者又统计了大约 1,500 个。2005 年发现的阋神星，其大小与冥王星相当，质量超过冥王星，有可能打开闸门，可能会在现有的九大行星名单中增加几颗行星。这一幽灵促使国际天文学联合会在 2006 年将冥王星从行星降级为矮行星。
重塑太阳系
反过来，柯伊伯带的发现为最新寻找 X 行星的行动增添了可信度，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在现在海王星所处的区域附近形成。一定有什么东西将它们甩到更远的地方（或散射它们，用专业术语来说），到达它们目前的位置。这一观察结果使天文学家推测，在新生的行星从围绕新生太阳旋转的“原行星盘”气体和尘埃中凝聚出来后不久的混乱时期发生了一次扰动。在这个动荡的时期，木星、土星、天王星和海王星很可能从它们的初始轨道移动了数亿公里，它们的引力将柯伊伯带天体向外甩出。一些模拟甚至指向可能存在第五颗气态巨行星，当其他行星调整它们的位置时，它完全被 eject 出太阳系。
很有可能，如果存在超级地球，它也可能在这个普遍混乱的时期被甩到外围。并且由于超级地球已被证明在过去几十年在其他恒星周围发现的约 2,000 颗系外行星中很常见，因此也有理由认为，曾经有一颗超级地球围绕我们的太阳运行。考虑到这一点，犹他大学的本·布罗姆利（他与哈佛-史密森天体物理学中心的斯科特·肯扬合作）说：“我们运行了一些模拟，模拟一颗超级地球从今天木星和土星所在的区域散射出来会发生什么。” 在大多数情况下，他们发现超级地球会被甩入高度椭圆轨道，该轨道会逐渐变得越来越拉长，直到行星完全被 eject 出太阳系。但是，如果散射发生得足够早——在行星形成后约 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[引力]相互作用，并在偏远地带稳定下来，形成或多或少的圆形轨道。”
这种情况是制造洛威尔在 1900 年代初期着手寻找的那种巨大的 X 行星以及伽勒和勒维耶半个世纪前合作发现海王星的那种行星的一种方法。肯扬和布罗姆利发现，另一种方法是让超级地球在离太阳或许 200 天文单位 (AU) 的地方原位形成，也就是说，是太阳到地球距离 9300 万英里的 200 倍。（相比之下，海王星在离太阳约 30 天文单位的地方轨道运行。）只有当有足够的行星形成物质——鹅卵石大小的岩石和冰块——在那么远的地方运行时，原位形成才有可能。
没有直接证据表明在我们自己的太阳系中曾经发生过这种情况，但有相当好的证据表明，这种情况发生在非常像太阳的恒星身上。然而，肯扬说，“如果你看看附近的类太阳恒星，其中一些恒星有碎片盘，其物质延伸到离恒星本身约 200 天文单位的地方。因此，这并非史无前例。” 尽管没有证据表明超级地球在如此远的距离围绕这些附近的恒星形成，但他表示，“至少你拥有基本成分。” 当肯扬和布罗姆利大约十年前开始研究这些模拟时，所有这些模拟都纯粹是推测性的。没有人看到哪怕一丝暗示表明超级地球实际上就在那里。
赛德娜登场
这种情况从赛德娜开始发生变化。2003 年，加州理工学院的迈克·布朗与两位同事一起，发现了迄今为止可能发现的最奇异的太阳系天体。它是一个冰冷的天体，现在估计直径约为 1,000 公里，并且在许多方面与冥王星、阋神星和其他柯伊伯带天体相似。* 然而，它的轨道以前从未见过。赛德娜在其高度细长的 11,400 年轨道上，永远不会比离太阳 76 天文单位更近，是海王星距离的两倍多，并且在其最远点退行到超过 930 天文单位的地方——是海王星距离的 31 倍。
夏威夷双子座天文台的共同发现者查德·特鲁希略说：“赛德娜真的令人惊讶，因为它完全无法解释。” 它的拉长轨道类似于长周期彗星的轨道，但与赛德娜不同，这些彗星的一个轨道末端被巨行星的引力牢牢锚定。赛德娜似乎没有锚定到任何东西。“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 10 个其他较小的天体，它们的轨道也是细长的，并且永远不会接近海王星。就其本身而言，这并没有特别值得注意：它们都没有像赛德娜那样极端，无论是在轨道形状还是在它的近日点离海王星有多远方面——也就是说，它最接近太阳的距离。但是，它们所有天体，连同赛德娜本身，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，在太阳系平面之上或之下的距离。这似乎……很奇怪。
2014 年，当特鲁希略和谢泼德在《自然》杂志上宣布，在寻找类似天体十年后，他们发现了第二个类似赛德娜的天体，大约只有赛德娜本身一半大小，事情变得更加奇怪。“如果你是一位生物学家，” 特鲁希略说，“你发现了一些奇异的生物，你非常肯定那里肯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为我们不理解的原因被抛入了这个轨道，” 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。
暂定名为 2012 VP113，它的偏心、4,300 年轨道近日点为 80 天文单位，远日点——它离太阳最远的地方——为 446 天文单位。像赛德娜一样，2012 VP113 在引力上完全脱离海王星。至关重要的是，它的近日点幅角与赛德娜的非常相似，也与少数其他不太像赛德娜的柯伊伯带天体的近日点幅角非常相似。正是最后一个因素导致了《自然》杂志论文中深藏的挑衅性语句。“这表明，” 特鲁希略和谢泼德写道，“可能存在巨大的外太阳系扰动者。” 他们假设，这个扰动者可能是一颗超级地球，在离太阳 250 天文单位的地方轨道运行，其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，在此之前，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使其发挥了作用。”
然后，在 2014 年 9 月，西班牙两位相对默默无闻的天文学家，马德里康普顿斯大学的劳尔和卡洛斯·德拉富恩特·马科斯兄弟在《皇家天文学会月刊快报》上发表了一篇论文，加码了赌注。基于赛德娜、2012 VP113 和较小天体的轨道，他们认为可能不止一颗超级地球。他们的分析“强烈暗示”可能至少在冥王星之外存在两颗行星。“我们未发表的计算，” 劳尔说，“表明假想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·马科斯兄弟并没有声称做出确凿的预测。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，天文学家对自己完全了解我们太阳系的信心将被颠覆。
疑虑仍然存在
虽然隐藏的 X 行星是赛德娜及其同类的轨道怪异现象的一种诱人的解释，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，赛德娜、2012 VP113 和其余天体是在太阳仍然是其原始诞生星团（由单一气体云凝聚而成的数千颗恒星）的一部分时，被抛入它们独特的轨道的。在星团解散之前，这些恒星会足够近以至于可以扭曲外太阳系天体的轨道，将它们送入内部，进入细长的轨道。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接近更高密度区域时，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像这样的模拟，” 谢泼德说，“但什么也没显示出来。因此，它看起来不太可能，但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它们的椭圆轨道，但只有超级地球假说才能使它们具有如此密切匹配的近日点幅角。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，但考虑到柯伊伯带天体有数百万个，谢泼德说，“这是一个统计上边缘化的数字。”
如果你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，那么从赛德娜及其同伴的奇怪轨道来看，支持 X 行星的论据就更加边缘化了。“我们最近完成的工作，” 施瓦姆说，“表明实际上只有四个像赛德娜这样的天体。” 她说，其余 12 个天体并没有那么接近海王星，但它们足够接近以至于它们可能感受到它的引力。因此，海王星本身可能是解释它们密切匹配的近日点幅角的 X 行星。如果 12 个天体被认为是统计上边缘化的，那么四个就更加边缘化了——尽管科学中的“边缘化”与日常世界中的含义略有不同。“剩余四个天体的排列，” 布拉瑟说，“偶然发生的几率只有 1%。” 然而，低概率并非板上钉钉。“仅仅因为你可以说行星是可能的，” 施瓦姆说——她同意这一点——“并不能排除它。”
行星科学家已经不止一次地吸取了教训。在 20 世纪 80 年代，加州大学伯克利分校物理学家理查德·穆勒认为，他可以通过援引一颗昏暗的恒星或一颗褐矮星——一种质量小于恒星但大于行星的天体——在离太阳大约 100,000 天文单位或大约 1.5 光年的距离上绕太阳运行，来解释地球上过去许多物种的大规模灭绝。** 该理论认为，大约每 2600 万年一次，他称之为复仇星的天体将一团彗星从奥尔特云中踢出来，奥尔特云是一个仍然是假想的冰冷天体外壳，它围绕着太阳系，远超赛德娜或天文学家见过的任何东西。奥尔特云彗星向太阳系内部坠落。其中一些撞击地球，我们星球上大部分物种就此消失。
但就像今天关于 X 行星的论据一样，该理论也只是勉强说得过去，并且对复仇星的搜索一直空手而归。最近，路易斯安那大学拉法叶分校的约翰·马特斯和丹尼尔·惠特迈尔假定在外太阳系遥远区域存在一颗木星大小的行星，以解释似乎从天空的一个方向涌入过多的长周期彗星。施瓦姆说：“那是文献中的一篇论文，” 这是科学界的简称，意思是“我从一开始就没相信”。果然，美国宇航局广域红外巡天探测器（WISE）望远镜的灵敏巡天什么也没看到。“我们本应能够看到小到木星的天体，最远可达离太阳约 30,000 到 40,000 天文单位的地方，” 进行搜索的宾夕法尼亚州立大学的凯文·卢曼说，“并且我们本应能够看到小到土星的天体，最远可达离太阳约 10,000 或 15,000 天文单位的地方。” 他们什么也没找到。超级地球大小的 X 行星会近得多但也暗得多，以至于不会出现在这次巡天中。
所以它在那里还是不在那里？
行星科学家最多只能用 12 个不寻常的天体来引导他们，因此目前无法确定我们的太阳系是否拥有超级地球。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去年 11 月宣布的新天体感到如此兴奋的原因。被称为 V774104，它的近日点甚至比赛德娜的还要远。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未发现巨行星的可能性还为时过早。对于谢泼德团队同时发现的约 40 个其他遥远天体，现在也还为时过早，无法说太多，他称之为“有史以来对外太阳系进行的最深入、最广泛的巡天”。但是，研究人员发现的越多，他们就越有可能明确地说明是否有巨大的天体潜伏在那里。
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 2018 年在智利北部上线。它不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区。目前，特鲁希略说，天文学家已经巡天了大约 10 平方度的天空——相比之下，满月覆盖四分之一平方度——以搜索微弱、遥远的天体。他说，LSST “将能够巡天数万平方度”。
如果超级地球在那里，并且如果它足够大且足够亮，LSST 可能会找到它。或者也许别人已经找到了。去年 12 月，观测者声称他们已经使用智利阿塔卡玛大型毫米/亚毫米波阵列拍摄了可能是另一颗超级地球的直接图像。他们的大多数同事都对此表示高度怀疑，但更多的观察可能会改变这一点。或者，也许一些其他望远镜无意中拍摄了我们本地的超级地球。“也许它正躺在某人的硬盘上，他们只是从未注意到它，因为他们没有寻找它，或者他们没有用正确的方式寻找，” 特鲁希略说。“人们倾向于只看到他们正在寻找的东西。”
*/**编者注（2016 年 4 月 8 日）：印刷版文章中的这两句话在发布后进行了编辑，以分别纠正赛德娜的估计大小和假想的复仇星的拟议距离中的错误。