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科学家在太阳系边缘搜索第九行星
来源:中国科学报      作者:冯丽妃      时间:2016-03-23 01:10      关键词:科学家,太阳系,边缘,搜索,第九行星
摘要:天文学家Scott Sheppard打算在美国夏威夷莫纳克亚山用昴星望远镜观测一整夜的星空,工作开始前他核对了一遍清单:山顶的空气非常清新,望远镜运行良好,3太字节的硬盘已经清空准备接收未来数小时的新数据洪流。



天文学家Scott Sheppard 正在系统地寻找遥远的行星,其中之一可能是隐身的行星X,即太阳系第九颗行星。图片来源:Chris Maddaloni


天文学家Scott Sheppard打算在美国夏威夷莫纳克亚山用昴星望远镜观测一整夜的星空,工作开始前他核对了一遍清单:山顶的空气非常清新,望远镜运行良好,3太字节的硬盘已经清空准备接收未来数小时的新数据洪流。


在观测室的一面墙上,三个钟表分别记录着夏威夷、东京以及协调世界时。显示屏上显示着山顶的天气动态状况:风向、温度以及湿度。现在,一切状况都很好,尤其是天空的恒星也相对稳定。“没有比这更好的了。”该团队成员、希洛双子星天文台天文学家Chad Trujillo说。来自卡内基科学研究所的Sheppard是该团队中唯一一名来自美国大陆的科学家。看到天体状况一切良好,他拿出了日志,开始为接下来10小时要做的事列出提要。


现在,一切状况都很好,尤其是天空的恒星也相对稳定。在黄昏和黎明之间,他需要指引昴星望远镜直径8.2米长的巨大镜面(全世界最大的望远镜之一),一个接一个地深度观测每片天域。数小时后,他会再次观看同一天域,然后第三次观看该天域。通过对比那些晃动的图像,研究人员可以狩猎那些数小时内移动非常缓慢的天体。那些都是比冥王星更远的遥远世界,位于太阳系最边缘的地带。这个区域正是长期以来天文学家搜寻行星X的范围。


隐踪匿迹


“它在那里。看到它了!”Sheppard说。灰色屏幕上的是一个浅色的点,在各种恒星的背景中跃然而出。这正是他此前看到的那个目标,该目标随后进入了他的日志:这个图像在计算机芯片上的编号是104,域编号为776,他们曾发现一个90天文单位(AU,地球与太阳间的平均距离,约为9300万英里)之外的天体。但是目前尚不清楚这个天体有多大,或者它是否具有科学重要性,但它却是太阳系已经观测到的最远天体之一。


天文学家已在其他恒星周围发现2000多颗系外行星。然而,太阳系最遥远的边界至今仍未探索过,间接观测技术并不适用于观测地球的这些远邻,这些远离太阳的行星光线过于暗淡,只有世界上最强大望远镜才能瞥见其踪影。Sheppard等人一直在寻找充斥着那片遥远天域的冰冷世界。其中非常紧要的一个目标就是太阳系最后一个伟大发现——环绕太阳公转的、比地球更大、比冥王星更远的第九颗行星。


有关行星X的观点已经存在了一个多世纪,但是那些假设常常经不住进一步检验。2014年,Trujillo和Sheppard通过观察到的一些极遥远的天体,让行星X的假设再度活跃。今年1月,帕萨迪纳加州理工学院两名天文学家经过精确计算,推断了其在太阳系中的可能位置,从而让这一假说再次被关注。他们称其为“第九行星”,这个名字还有在2006年冥王星从行星被降格为矮行星的深层含义。


现在,狩猎第九行星或潜伏在其他轨道上的隐形行星的工作已经开始。这一探索很可能揭示太阳系在46亿年前如何形成以及此后如何演化。“如果这个大质量天体确实在那里,它会从根本上改变我们对太阳系的认知。”Sheppard说。


未知区域


当Sheppard和Trujillo开始跟踪遥远的天体时,他们希望沿着其他伟大天文学家的脚印向前走。1846年,德国天文学家约翰·格弗里恩·伽勒首先发现距离太阳大概30个天文单位的太阳系第八颗行星海王星,并希望研究它如何对天王星形成引力干扰。1930年,美国天文学家克莱德·汤博发现了冥王星在距离太阳约40个天文单位的地方公转。1992年,夏威夷大学天文学家大卫·朱维特和加州大学伯克利分校天文学家刘丽杏发现了甚至更加遥远的天体,从而开启了对柯伊伯带小行星区域的探索之旅。


从那时起,天文学家发现柯伊伯带蕴含着数以千计的天体:一些距离太阳30~50个天文单位、体积类似冥王星的冰冷小行星。此外还有古老天文图上类似“龙出没”的天体,科学家有时称其为外层柯伊伯带或奥尔特云最深处——即太阳系的下一个区域,据了解其广度至少可以伸展10万个天文单位。“太阳系还有一整块空间我们并不完全了解。”中国台湾“中央研究院”行星天文学家Meg Schwamb说,“这是太阳系最后一块未被探索的区域。”


这正是Sheppard和Trujillo探索星空的原因。根据此前发现的2012 VP113和赛德娜星的轨迹,两人表示在距离太阳约250个天文单位的地方可能潜伏着一个超大行星。今年1月,加州理工学院的Konstantin Batygin和Mike Brown通过对比这两颗小行星和另外4颗遥远的柯伊伯带小行星的轨迹,计算了这颗行星可能潜伏在哪里。


这6颗小行星有一个共同特征:当经过近日点时,它们相对太阳系星盘来说会从北向南运转。如果它们之间相互没有联系,那么就不可能都向着同一方向运行。其次,这6颗行星从物理上讲在宇宙中也形成一个团簇。“它们均指向同一方向,并朝着同一角度倾斜。”Batygin说,“这个现象很奇怪。”


他和Brown认为,一定有一颗看不见的第九行星让它们形成这样的团簇。其质量大约是地球质量的5~10倍,近日点为200个天文单位,而远日点达到1200个天文单位。


寻找“老九”


很多天文学家都在通过计算推断第九行星在这一特殊轨道上存在的几率,以及如果它不在那里,又可能在哪里。


一些答案可能会来自一个正在进行的项目——外太阳系起源调查(OSSOS)。该项目研究人员正在一片较小的天域设法寻找并研究所有可观测到的柯伊伯带天体的详细情况,比如跟踪这些天体的轨道、对其颜色进行归类等。如果OSSOS能够在这个区域找到一颗被假设行星否定的遥远天体,那么这项工作就有可能排除Batygin和Brown的第九行星假说。


其他天文学家也提出了寻找第九行星的其他方法,如分析围绕海王星运转的“卡西尼”号飞船的数据,了解该行星轨道是否受到引力的小幅干扰,或是利用南极天文望远镜观测一颗行星的微弱辐射物。Sheppard和Trujillo在利用他们的方法观察天空的同时,也在关注着Batygin和Brown曾描述过的行星X可能潜伏的空间。这对加州理工学院的科学家也在利用昴星望远镜追逐这颗潜伏的行星。“如果那里没有行星,我会觉得诧异。”亚利桑那大学理论物理学家Renu Malhotra说。Malhotra的团队通过4个柯伊伯带的天体演算认为,这颗看不见的行星每隔1.7万年会围绕太阳公转一次。


但是如果那里有一颗大质量行星,要利用现有技术看到它还需要一些运气。对于寻找该天体的团队来说,它需要处于近日点一端,如果该行星非常小、光线过于黯淡或是距离过于遥远,那么可能永远不能从地球上看得到它。“这比在稻草堆里找一根针还要难。”Malhotra说,“它更像是在稻草堆里寻找一根针的断尖。”


如果第九行星存在,它可能会让这幅图像变得更加复杂。它将意味着,赛德娜星和2012 VP113星的轨道并非是在早期形成的,而是受到第九行星引力拖拽的活跃影响,即便今天也是如此。那将需要理论学家重新改写过去46亿年里太阳系很多天体彼此互动的观点。“那样将很难预测我们的想象会向哪个方向发展。”Malhotra说。


现在,科学家试图回答这些问题的最佳方式是寻找更加遥远的行星。这正是Sheppard和Trujillo在智利与夏威夷孜孜不倦地致力于这项工作的原因,这些地方仅覆盖了不足10%的他们希望观测的天域。这意味着他们需要在望远镜前度过更长的夜晚。“现在,每一次新发现都是试图理解那里正在发生什么的巨大机遇。”Sheppard说。(冯丽妃)


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