“发现新行星”如今就像“狗咬人”一样，算不上什么激动人心的头条新闻。在很大程度上要归功于太空基的开普勒任务，天文学家在过去二十年中已经识别出大约 2,000 个新世界，它们围绕着距离地球数十甚至数百光年的恒星运行。总的来说，这些在科学上很重要，但由于数量如此之多，列表中任何单一的增加都不太可能成为什么大事。但是，加州理工学院今天发布的一项新的行星公告却非常不同，因为它描述的世界并非围绕遥远的恒星运行。它是我们太阳系的一部分——你可能会认为我们现在已经探索得很透彻的地方。
显然并非如此：在《天文学杂志》接受发表的一篇分析中，加州理工学院的行星科学家康斯坦丁·巴特金和迈克·布朗提出了他们所说的强有力的间接证据，证明存在一颗非常巨大的、尚未被发现的行星，其质量可能是地球的 10 倍，在太阳系冥王星以外的黑暗外围轨道上运行。科学家们从他们可以看到的少数较小天体的轨道异常中推断出它的存在。“我已经很久没有对任何事情感到如此兴奋了，”加州大学圣克鲁兹分校的行星形成和动力学专家格雷格·劳夫林说，他没有参与这项研究。
研究人员暂时命名为“第九行星”的天体，距离太阳最近也有 305 亿公里左右，或者说是冥王星平均距离的五倍。作者表示，尽管它体积巨大，但它会非常暗淡，以至于没有人发现它也就不足为奇了。
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如果它存在的话。“遗憾的是，”布朗说，“我们还没有实际探测到它。”但证据足够有力，以至于其他专家都非常重视。“我认为这很有说服力，”夏威夷双子座天文台的查德·特鲁希略说。科罗拉多州博尔德市西南研究院 (SwRI) 的太阳系理论家大卫·内斯沃尼也印象深刻。“这些人真的很棒，”他说。“他们提出了一个很好的理由。”
奇怪的轨道
巴特金和布朗并不是第一个主张在我们的太阳系中存在一颗额外行星的人。2014 年，卡内基科学研究所的特鲁希略和斯科特·谢泼德在《自然》杂志上论证说，他们自己发现的一个小得多的天体，称为 2012 VP113，以及外太阳系中少数先前识别的天体的存在，暗示那里可能存在行星大小的东西。证据在于它们的轨道，特别是一个晦涩的参数，称为“近日点幅角”——天体最接近太阳的时间与它穿过太阳系平面的时间之间的关系。特鲁希略和谢泼德识别出的天体都具有惊人相似的近日点幅角，这可能意味着它们受到一个未被观测到的世界的引力控制。“我们注意到了一些奇怪的事情，”特鲁希略说，“并说‘应该有人进一步探索这个问题。’”（《大众科学》是自然出版集团的一部分。）
几个小组确实这样做了，并且一致认为，隐藏行星的案例是合理的，但仍然相当具有推测性。（请参阅当前《大众科学》中的“寻找 X 行星”）。然而，新的分析大大加强了这一论点。事实证明，近日点幅角的相似性“只是冰山一角”，巴特金说。
他说，他和布朗做的第一件事就是用全新的眼光分析特鲁希略和谢泼德的数据。“我们注意到的是，”巴特金说，“这些天体的轨道长轴落在天空的同一个象限中。”换句话说，它们指向相同的方向。这种结果并非必然；即使两个天体的轨道在其他方面并不物理相似，它们也可能具有相似的近日点幅角。但是，当布朗和巴特金绘制这些外太阳系天体的轨道时，他们注意到它们高度椭圆形的轨道形状非常一致。“难道这样的事情不应该很容易被错过吗？”布朗问道。“是的，你可能会这么认为。这是一个我们埋头于数据中，从未退后一步并从上方观察太阳系的案例。我简直不敢相信我以前从未注意到这一点，”他说。“这太荒谬了。”
轨道的方向性更强烈地暗示着有什么东西在物理上驱赶着这些遥远的天体。“起初，”布朗说，“我们说‘那里不可能有行星——这太疯狂了。’”因此，他们检查了最可能的替代方案——冥王星以外的柯伊伯带冰冷天体自然而然地将所有天体聚集成团，就像星系从宇宙云中引力地将自身拉成形状一样，宇宙云是从大爆炸中产生的气体。
作者意识到，这种情况的问题在于柯伊伯带缺乏使其发生的质量。然而，当科学家们转向“疯狂”的行星概念时，他们的模拟产生了恰好合适的对齐轨道。他们还揭示了其他一些东西：一颗巨行星的引力应该导致一组完全独立的天体，这些天体的轨道彼此不对齐，但与行星的轨道相比，倾斜度却很大——偏离太阳系平面高达 90 度甚至更多。“这似乎真的很令人费解，”巴特金说。“但随后迈克说，‘我想我在数据中看到了类似的东西。’”果然，观测者已经发现了大约六个这样的天体，但没有人对它们是如何到达那里的提出过好的解释。现在，巴特金和布朗的模拟正在提供一种解释。“事实上，他们现在正在为一颗假设的行星调集两条新的、独立的证据线，”劳夫林说，“这使他们的案例更加有力。”
一颗假设的第九行星的引力可以解释冥王星以外两组不同天体的奇特轨道。
该图表是使用 WorldWide Telescope 创建的。
加州理工学院/R. Hurt (IPAC)
超级地球
最符合数据的行星质量约为地球的 10 倍——将其归为所谓的“超级地球”类别，其中包括许多围绕其他恒星运行的行星，但到目前为止，我们自己的太阳系中还没有——并且小于海王星，海王星是已知的第四大绕太阳运行的行星，其质量约为地球的 17 倍。它最可能的轨道是一个高度拉长的轨道，使其在最近点（“那是它造成所有破坏的地方，”布朗说）距离太阳 350 亿公里以内，而在最远点则远三到六倍。
即使在如此遥远的距离上，原则上也可以用现有望远镜发现第九行星——最容易的是夏威夷的日本 Subaru 望远镜，它不仅拥有巨大的反射镜来捕获微弱的光线，而且还具有宽广的视野，可以使搜索者有效地扫描大片天空。“不幸的是，我们不拥有 Subaru，”布朗说，“这意味着我们不太可能是发现它的人。所以我们正在告诉其他人去哪里寻找。”
在实际看到它之前，天文学家无法明确地说第九行星是真实存在的。“我往往非常怀疑太阳系中存在额外行星的说法，”SwRI 的哈尔·莱维森说。“在我的职业生涯中，我见过很多这样的说法，但所有说法都是错误的。”他承认轨道对齐是真实的。“有些东西正在创造它。但需要更多地探索那是什么东西。”
然而，总的来说，行星科学家显然对我们可能正处于如此重大发现的边缘感到兴奋。“当我长大的时候，”谢泼德说，“我们认为所有的大行星都已经找到了。得知我们错了将是非常令人兴奋和非常惊讶的。”
劳夫林说，天文学界的氛围完美地捕捉到了英国天文学家约翰·赫歇尔在 1846 年 9 月 10 日向英国科学促进会发表的演讲中所说的话。天王星的轨道中发现了不规则性，表明一颗未知的、巨大的行星的引力正在拉扯它。在谈到这个神秘天体时，赫歇尔说
“我们看到它就像哥伦布从西班牙海岸看到美洲一样。它的运动沿着我们分析的深远路线被感受到，其确定性几乎不亚于亲眼所见。”仅仅两周后，海王星被发现，就在理论家的计算所说的位置。