寻找第九行星，天文学家凝视深渊

加州理工学院天文学家迈克·布朗和康斯坦丁·巴特金做出爆炸性声明已经两年多了：根据柯伊伯带（海王星以外的区域，是冥王星和其他冰冷天体的家园）中天体的轨道运动，必定存在一个非常大的东西，它位于更遥远的地方，除了对太阳系其他部分的微妙引力牵引外，都隐藏了起来。

布朗和巴特金的最佳模型将这个神秘天体的质量定为地球的10倍左右，可能比海王星距太阳远20倍，目前在猎户座附近的某个天空区域漂移，轨道周期可能为20,000年。布朗和巴特金称其为“第九行星”，将其提升到曾经由冥王星占据的位置（冥王星在2006年被降级为“矮行星”地位，当时布朗发现了多个类似冥王星的世界，位于海王星之外）。几个月内，一小批理论家和观测者投身于搜索之中——到目前为止，一无所获。第九行星仍然顽固地缺席。

远离太阳的未知行星并不是一个新想法；它们在天文学中常年涌现。此类说法可以追溯到19世纪，并促成了海王星和冥王星的发现。第九行星的不同之处在于，我们现在对太阳系外围了解得更多——这是一个广阔而黑暗的深渊，在其中隐藏一颗行星仍然是可能的，尽管难度越来越大。在那里，从我们太阳系早期时刻遗留下来的冰冻碎片在旋转。一颗大行星的引力可以像秤上的拇指一样，微妙但实质性地调整这些所谓的跨海王星天体 (TNO) 的运动。随着天文学家使用新的望远镜和其他仪器快速绘制太阳系最后前沿的地图，他们不断发现似乎是第九行星形状的空洞。

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布朗和巴特金提出的行星很容易解释在一些 TNO 中观察到的轨道异常。在他们的最初的论文中，这对组合展示了最近发现的一群 TNO 如何被一个遥远隐藏的世界的引力诱导并保持在那里，这些 TNO 的轨道奇怪地几乎垂直于已知行星的平面。其他新发现的 TNO 以轨道共振的明显丝状结构运动，周期性地在复杂的模式网络中相互扰动，暗示着与某些巨大的、看不见的质量的进一步相互作用。第九行星的引力影响甚至可以作为一种解决方案，来解决长期存在的太阳自转轴为何相对于内行星轨道倾斜六度的谜团。

第九行星也与一种新兴的认识相吻合，即太阳系的早期是一个混乱的局面，其中早期木星和土星的形成将较小和更早期的世界散射到太阳或星际空间中。在这种情况下，第九行星可能是一个外向世界，它犁过足够的碎片以减速并被困在太阳系的内陆地区。或者它可能是一个来自另一颗恒星的外星流浪者，当它游荡得太靠近我们自己的恒星时被引力捕获。以一种间接的方式，它甚至可能对我们的存在负责——向内而不是向外散射，它可能会扰乱地球的轨道，阻止这里生命的起源。

更进一步说，对围绕其他恒星运行的行星的调查表明，我们星系中最常见的世界与假定的第九行星——所谓的“超级地球”——有着相似之处，它们的大小介于地球和海王星之间，并且出现在我们检查的大多数恒星周围。如果第九行星是真实存在的，那么它可能不仅仅是另一个行星；它可能是我们熟悉的太阳系与我们现在在银河系其他地方看到的太阳系之间的缺失环节。

“我尽量不对自己的结果抱有宗教般的态度。保持怀疑的眼光很重要，”巴特金说。“但我实际上感觉比两年前更安心，因为该理论仍然完美地成立。我们看得越多，就越看到一个没有第九行星就毫无意义的太阳系。”

太阳系中最神秘的天体

在宣布后的几个月里，许多第九行星最热情的寻找者（其中最主要的是布朗）预测它可能会在接下来的冬天结束前被发现——也就是现在。今年一月，布朗仍然信心十足：基于“统计上严谨的计算”，纳入所有可用数据，行星不在那里，等待被发现的可能性只有万分之一，他在推特上写道。换句话说，布朗的最佳猜测是第九行星有99.99%的概率是真实的。

位于华盛顿特区卡内基科学研究所的第九行星猎人斯科特·S·谢泼德最近估计，赔率为 85%——这个估计与他更保守的研究风格一致。在布朗和巴特金的重磅炸弹发布前两年（并且没有引起那么多关注），谢泼德和双子座天文台天文学家查德·特鲁希略发表了他们自己关于在太阳系外围一颗未被发现的超级地球的声明。

谢泼德和特鲁希略的工作涉及可能仅次于第九行星的太阳系中第二神秘的天体：一个直径 1,000 公里的 TNO，名为赛德娜，由布朗、特鲁希略和另一位同事在 2003 年发现。

赛德娜占据了一个奇怪的 11,400 年的“偏心”轨道：一个细长的椭圆，它比冥王星远 20 多倍 ，并且永远不会比海王星距太阳距离的两倍更近。如此极端的轨道很可能是暴力过去的伤疤，这是一个迹象，表明很久以前赛德娜从其标准轨道上被引力抛射到一个狂野的新轨迹上。在太阳系外围，此类轨道往往在一端与最初抛掷它的任何巨行星相连。但赛德娜的轨道没有连接到海王星。它似乎与一切都分离了，并且没有其他绕太阳运行的天体与其共享奇怪的轨道特性——也就是说，直到谢泼德和特鲁希略发现了第二个分离且偏心的类似赛德娜的天体（但小得多），2012 VP113。

一个“赛德诺”可能只是一个侥幸；两个则暗示存在大量鲜为人知的分离天体。它们是如何到达那里的？布朗和其他人早期提出的一个可能性是，这种奇怪的轨道来自我们太阳系初期与一颗过路恒星的偶然近距离相遇。但一个不起眼的细节让谢泼德和特鲁希略认为，原因是隐藏的行星：赛德诺与其他几个最近报告的“极端”TNO 共享一种不可思议的排列方式。所有天体都生活在相对于已知行星存在的盘状平面的高角度偏心轨道上，周期性地在轨道中穿过该平面——并且所有天体都在最接近太阳时穿过该平面。在天文学的神秘术语中，它们聚集在一个共同的“近日点幅角”周围。

“通常近日点幅角应该是随机的，在可能的方向的完整 0 到 360 度范围内具有任何角度。但这些都非常不可能地聚集在一起，”特鲁希略回忆道。“可以将它们限制在如此狭窄范围内的因素之一是更远处的巨大行星的存在……斯科特和我做了一些简单的模拟，表明这是一种可能性，但我们没有深入研究——我们主要只是报告了 2012 VP113 的发现。”

两年后，布朗和巴特金的论文横空出世，建立在谢泼德和特鲁希略的工作基础上，通过数百个模拟预测了可能世界——行星狩猎天文学家的藏宝图 ——的质量和轨道。第九行星假说诞生了，随之而来的是一直持续到今天的友好但激烈的竞争。

“这就是最优秀的科学，”谢泼德说。“我们注意到那里发生了一些奇怪的事情，并展示了为什么这可能是由于一颗大行星造成的。然后他们以此为基础，实际得到了这个东西的轨道。我不认为我们有什么要证明的，但是找到这颗行星会很有趣。无论谁在正确的时间将他们的望远镜指向正确的地点，都会做到这一点。”

在天体干草堆中寻找针

大多数猎人都同意，如果第九行星位于最靠近太阳的点附近的任何地方，它应该足够明亮，早就被发现了。相反，它可能靠近远日点——其轨道的最外层扫掠，在那里它移动最慢，因此花费的时间最多。在地球的天空中看到，它现在可能看起来像一个比冥王星中等大小的卫星略暗的小点，几乎难以察觉地在星光背景下滑动。已经发现了更暗的 TNO，这意味着第九行星应该在世界各地许多望远镜的观测范围内。但是，正如巴特金所说，“行星可以隐藏的真实空间量是天文数字般的巨大。”这意味着大约 400 平方度的天空，或满月覆盖面积的 2,000 倍。

为了在这个巨大的空间内有体面的发现机会，人们需要一面非常大的聚光镜来深入天空寻找暗淡的天体，以及一个宽广的视野来快速扫描大块天空，以便在天体干草堆中寻找针。地面上只有少数望远镜（并且还没有太空望远镜）同时拥有这两者。

布朗和巴特金使用了最适合这项搜索的设备——位于夏威夷莫纳克亚山顶一座休眠火山上的 8.2 米斯巴鲁望远镜。谢泼德和特鲁希略也这样做，同时还利用其他几台大型望远镜的观测结果来对冲他们的赌注。使用斯巴鲁新的宽视场、8.7 亿像素的超广角主焦点照相机，任何一个团队每次成像都可以覆盖六个满月大小的天空。每个团队都会连续几个晚上拍摄天空的照片，然后使用计算机查找任何未编目的、缓慢改变位置的天体。

搜索只能在一年中的特定时间进行，主要是在北半球的秋季和冬季，那时第九行星可能居住的一般区域位于高空中。因此，这些竞争对手倾向于几乎背靠背地进行观测，一个团队几乎在另一个团队收拾行装离开时到达。早些时候，这两个团队共享数据并将调查区域划分为一个或另一个团队将观测的地块。但现在他们保持各自为政，盲目地重叠他们对任何给定天空区域的监测——不是出于不信任，而只是为了确保集体搜索尽可能彻底。竞争对手没有只对任何给定的天空区域观测一次，而是选择通过他们的独立性来对每个区域观测两次或更多次。

高海拔天气有时会破坏狭窄的观测窗口，而且这两个团队最近在斯巴鲁的观测会议都非常不幸。去年 12 月，布朗和巴特金在一次徒劳的运行中，几乎持续不断的冰雪天气遮蔽了天空；他们最后一个晚上尤其糟糕，当时冻结在斯巴鲁保护穹顶上的冰壳阻止了他们甚至进入望远镜。在 1 月的另一次旅行中，恶劣天气阻止了谢泼德和特鲁希略进行 70% 的计划观测。在布朗和巴特金最近在 2 月的出行中，持续的高海拔风将恒星涂抹成煎饼状，破坏了搜索。“我喜欢煎饼，”布朗在 Twitter 上打趣道，“但不是这么多。”由于恶劣天气的困扰，最初冲刺终点的比赛已经变成了一场更长的苦战。

来自档案

现在缩小第九行星可能隐藏地点的最全面的数据集之一根本不是来自望远镜搜索——而是来自 NASA 在土星的卡西尼轨道飞行器，该飞行器在 2017 年在环状行星中坠毁 [在 9 月]。这足够长的时间让航天器记录下遥远的行星可能在土星绕太阳运动中引起的任何微弱扰动。在巴特金和布朗宣布之后，NASA 喷气推进实验室的一个团队，由物理学家威廉·M·福克纳领导，在卡西尼号任务期间发回的位置数据中寻找此类异常，但没有发现。这意味着，如果第九行星存在并且质量约为地球的 10 倍，那么它必须位于比想象的更长、更偏心的轨道上，并且接近远日点，远日点可能比 2016 年首次预测的远两倍。如此远的距离会使其更难看到。或者，它可能比地球质量小 10 倍，并且仍然靠近布朗和巴特金的规范预测轨道。

或者它可能根本不存在。

“这里令人痛苦的可能性是，第九行星太他妈远了，然后我们必须等待新一代更好的望远镜来找到它，”巴特金说。“我尽量不去想的另一种可能性是它在银河系平面中。”那是银河系的圆盘，像发光的脊梁一样在夜空中弯曲。第九行星提出的轨道的一部分穿过这个区域，在那里，昏暗、缓慢移动的行星点可能会隐藏在浓雾般的背景恒星中。

只有一种近期的设施可以轻松穿透银河系的发光面纱：大型综合巡天望远镜 (LSST)，这是一个庞然大物般的天文台，配备 8.4 米宽视场反射镜和一个 30 亿像素的相机。LSST 目前正在智利建造，计划于 2022 年开始其巡天，在每个夜晚的观测中，LSST 将捕获 20 太字节的全景天空视图，以创建前所未有的深度和细节的天体延时电影。其广阔的视野很可能会发现数百个（如果不是数千个）额外的极端 TNO，从而提供大量硬数据来进一步检验布朗和巴特金的假设。即使第九行星相当暗淡，特别遥远并且位于银河系平面前方，支持或反对其存在的关键证据也应该在 LSST 的巨大数据库中弹出，在巡天首次亮相后的几年内——假设在此之前没有被发现。

与此同时，卡西尼号并不是唯一用于正在进行的搜索的档案数据。密歇根大学天文学家大卫·格德斯领导的一个团队正在采取不同的方法：在暗能量巡天 (DES) 的累积图像中寻找这颗行星，该项目目前已进入第五个也是最后一个年头。DES 旨在绘制八分之一夜空的地图，其视野恰好与布朗和巴特金对第九行星大致天体位置的最佳猜测相重叠。该项目的主力是暗能量相机，这是一种 5.7 亿像素的仪器，其视场是斯巴鲁望远镜的两倍。它安装在智利安第斯山脉托洛洛山美洲天文台的四米维克多·M·布兰科望远镜上，距离 LSST 的施工现场仅一小段路程。DES 设备在任何给定的快照中可以覆盖斯巴鲁望远镜两倍的天空。但由于它的望远镜大约只有一半大小，因此必须进行更长时间的曝光——这种情况可以说让斯巴鲁望远镜略占优势。

其他广泛类似的基于档案的搜索正处于不同的完成阶段——主要是加州大学伯克利分校天体物理学家彼得·纽金特使用帕洛玛天文台的一架小型望远镜的数据监督的一个，以及伯克利天文学家亚伦·梅斯纳及其同事使用 NASA 的太空广域红外巡天探测器 (WISE) 的数据进行的另一个。甚至还有一个“公民科学”网站，致力于让任何人——甚至是你，亲爱的读者——仔细研究 WISE 图像以寻找这颗难以捉摸的行星。在所有观测的背后，一个庞大而多样的数值模拟生态系统在强大的超级计算机上嗡嗡作响，试图通过模拟第九行星在数十亿年时间尺度内对太阳系的引力影响，进一步缩小对第九行星的搜索范围。

“我们正在对天空进行地毯式轰炸，看看会掉出什么东西，”格德斯说。“两年过去了，关于第九行星我们可以说的第一件事是它不是唾手可得的果实，但我们仍在摇晃这棵树。”

克服偏见

因此，搜索仍在继续，并受到较小发现的稳定涓涓细流的支撑：具有奇怪轨道的 TNO，似乎符合理论家坚持认为这样的行星会创造的模式。

许多来自外太阳系起源调查 (OSSOS)，这是一个最近完成的项目，使用加拿大-法国-夏威夷望远镜上的 3.87 亿像素相机，该望远镜位于莫纳克亚山的斯巴鲁望远镜附近。在为期四年的运行中，OSSOS 通过深入凝视几百平方度的天空区域，发现了几个新的极端 TNO。当然，那么，第九行星在太阳系外围天平上的隐喻拇指应该已经在 OSSOS 数据上留下了指纹。事实上，在去年夏天发表的论文中，OSSOS 团队宣布他们新发现的三个极端 TNO 与支持第九行星假说的聚类模式一致——但第四个不一致。将这个异常值纳入他们的分析并考虑他们观测中的潜在偏差，该团队得出结论，谢泼德和特鲁希略在 2014 年首次确定的 TNO 聚类很可能只是幻觉。

也就是说，由于莫纳克亚山和其他主要山顶天文台的观测运行的季节性和恶劣天气，OSSOS 和其他巡天可能更容易在支持第九行星假说的天空区域中找到极端 TNO。如果是这样，考虑到已知极端 TNO 的总数仍然非常低——在 10 个到略低于 30 个之间，具体取决于使用的定义——此类天体的真实、更典型的分布只有在发现更多天体并考虑任何偏差后才会变得清晰。“我们不能用我们的新发现拒绝[极端 TNO 的]均匀分布，”贝尔法斯特女王大学的天文学家和 OSSOS 团队成员米歇尔·班尼斯特说。“我们不能说没有第九行星，但我们可以说，其提出的效应在我们的独立数据集中没有以统计学上的显着水平存在……现在所有这些巡天都已完成，继续在那里隐藏一颗 10 个地球质量的行星的要求越来越高。”

然而，很少有或根本没有著名的第九行星猎人被动摇。布朗和巴特金拒绝了 OSSOS 团队的暗示，即其他 TNO 搜索由于模糊定义的偏差而不可靠，他们指出，即使偏差猖獗，当集体考虑具有广泛不同方法论的巡天时，它们的效应应该会平均化。他们说，如果除了一项巡天 (OSSOS) 之外的所有巡天都显示出聚类，那么这种聚类很可能是真实的。

档案 DES 搜索的负责人格德斯承认，目前的所有巡天都存在一定程度的观测偏差，必须仔细考虑。但他说，关于它们的重要性，陪审团仍在讨论中。根据他的团队在 2017 年进行的一项分析，他们在极端 TNO 中观察到的轨道排列在没有第九行星的情况下发生的可能性只有百分之几。“‘百分之几’是大还是小？”格德斯问道。“这取决于你的定义——如果下雨的可能性只有百分之几，你就会继续野餐。如果所有航空公司航班中有百分之几坠毁，你永远不会登上飞机。”

如果奖品是一颗新行星——以及随之而来的对太阳系的全新理解——即使是第九行星的反对者也承认，失败的重大机会也值得冒险。“你必须对最诱人的假设最为谨慎，”班尼斯特说。“它们很诱人，因为它们很美丽。拥有一颗额外的行星来研究将是令人着迷的——令人惊叹的。我们将用我们所有的望远镜观察它。我们将撰写提案，以便尽快向那里发射宇宙飞船。但我们不能忘记，我们正在谈论的太阳系领域仍然很难探索。我们必须小心数据试图告诉我们的内容，因为我们正在绘制深处的地图。”

班尼斯特说，无论第九行星是否存在，其展开的故事实际上都是一个关于发现我们宇宙的小角落是如何真正形成的的故事。“我们将根据我们在未来几年在那里发现的东西来撰写我们太阳系的历史书，并且已经很清楚，我们今天看到的系统与它形成时不同，”她说。“无论我们有九颗行星而不是八颗行星，这都不会改变。”