若第九行星真的存在,为何从未有人见过它?

2021年02月23日 09:59 次阅读 稿源:新浪科技 条评论

北京时间2月23日消息,据国外媒体报道,在我们太阳系的外缘,有一些奇怪的现象。似乎有一个十倍地球质量的物体正在将其他物体拉向自己。这是否也是一颗行星呢?人们一直在探索这个谜团。

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其中有一个人叫帕西瓦尔·罗威尔。罗威尔生活在十九世纪,是一个旅行作家兼商人。罗威尔很有钱,常年蓄着小胡子,经常穿着挺括的西服三件套。在读到一本关于火星的书籍之后,罗威尔决定进军天文事业。在接下来的几十年中,他提出了许多疯狂的主张。

首先,他坚信火星上有“人”存在——火星人,并且也认为自己发现了这些火星人(其实并没有)。其他人记录了火星表面斑驳的奇怪线条,罗威尔因此认为,这些线条其实就是运河,是濒临灭绝的火星人为了从极地冰盖汲水所做的最后努力。他自己出钱建造了一整个天文台,只为更好地观察火星。事实证明,这些“运河”实乃光学错觉。透过低质量的望远镜,火星上的山川、陨石坑变得模糊,看起来像是一条条运河。

罗威尔还认为,金星有辐条。他在笔记中描绘了这些从金星中心延伸出来的蜘蛛状线条(这也是错的)。尽管他的助手努力试图找到这些线条,但似乎能看到这些神奇细节的只有罗威尔他自己。如今,人们普遍认为,这些线条其实是他在用望远镜观察金星时,他自己的眼睛虹膜产生的阴影。

但最重要的是,罗威尔一心想要找到我们太阳系中的第九颗行星——假想的“行星X”。在罗威尔那个年代,人们认为是行星X,导致太阳系已知最遥远行星——蓝色大冰球天王星和海王星的轨道变得不寻常。在他生命的最后十年,罗威尔从未放弃寻找这个神秘的星球,但未能如愿。在经历了几次神经崩溃后,罗威尔抱憾离世,享年61岁。

但他不知道的是,2021年,人们将再次踏上行星X的寻觅之旅,只不过此“行星X”非彼“行星X”。

错误的线索

寻找行星X的事业并未因罗威尔的去世而停滞。在遗嘱中,他拿出一百万美元用于这项未竟的事业。尽管中间发生了一些小插曲——与罗威尔的遗孀对簿公堂,但他的天文台一直在继续寻找行星X。

仅14年之后,在1930年的2月18日,一位年轻的天文学家在观察两张星空照片时,注意到其中有一个小点。这是一个迷你的星球。后来,这位年轻的天文学家将其命名为冥王星。曾有一度,人们相信,这颗星球就是神秘的行星X。

2006年,冥王星被降级为矮行星,为新的第九行星腾出位置。

2006年,冥王星被降级为矮行星,为新的第九行星腾出位置。

可惜的是,它不是行星X。很快,科学家们发现,冥王星不是罗威尔要找的行星X。它的大小不足以使得海王星和天王星偏离它们的原有轨迹。冥王星只是偶然闯入了这片区域。

1989年,行星X的寻找事业遭遇致命打击。当时,旅行者2号航天器飞越海王星时,发现这颗行星比大家原本设想的要轻一些。基于这一发现,NASA的一名科学家最后经过计算得出,外太阳系行星的轨道一直以来都没有问题。罗威尔的行星X寻找事业,似乎注定是一场空。

然而,就在旅行者2号的发现终结了神秘行星观点的同时,奠定行星X“复活”的基础也在悄然积累。

旅行者2号的另一个重大发现是柯伊伯带的存在。这个由冰冻物体组成的宇宙甜甜圈一直延伸到海王星的轨道之外,是太阳系内最大的特征之一。柯伊伯带十分庞大,人们认为,其中包含成千上万个直径在100公里以上的物体,以及多达一万亿颗彗星。

科学家们马上意识到,冥王星不太可能是太阳系外缘唯一的大型天体。他们开始怀疑,冥王星到底是不是一颗真正的行星。接着,科学家们发现了“赛德娜”(约为冥王星大小的40%)、“创神星”(约为冥王星大小的一半)和“阅神星”(几乎和冥王星一样大小)。毫无疑问,天文学家需要一个新的名称,来定义这一类天体。

2006年,国际天文学联合会通过投票,同意将冥王星降级,并和其他新发现的天体一起归类为“矮行星”。加州理工学院的行星天文学教授麦克·布朗,曾带领团队发现了阅神星,他自封为“杀死冥王星之人”。自此之后,太阳系第九行星的名额又空了出来。

捉摸不定的特征

与此同时,这些物体的发现又揭示了寻找隐藏行星的重要新线索。

事实证明,赛德娜的公转轨道和大家期望的有点不同。人们期望的是一个在柯伊伯带之内,围绕太阳呈椭圆形的轨道。然而,这颗矮行星的路径有点异乎寻常,在近日点距离太阳76个天文单位(大约110亿公里),而在远日点则距离太阳900多个天文单位(大约1350亿公里)。赛德娜的公转轨道是如此曲折,以至于其公转周期长达11000年。也就是说,上一回赛德娜运行到当前位置时,人类才刚刚开始发展农业。

罗威尔在亚利桑那州弗拉格斯塔夫建造了一个天文台,以观察火星文明。最终,这个天文台发现了冥王星。

罗威尔在亚利桑那州弗拉格斯塔夫建造了一个天文台,以观察火星文明。最终,这个天文台发现了冥王星。

这一切似乎在表明,有一股神秘力量在拖曳赛德娜,使其偏离了自己的轨道。

这就为我们的太阳系引入了一个新的假想成员,但和先前的假想成员不太一样。2016年,废除冥王星“行星”身份的麦克·布朗和同事康斯坦丁·贝提金(也是加州理工的一位行星科学教授)共同发表了一篇论文,介绍了一颗大质量行星,其质量大约在五倍到十倍的地球质量之间。

他们之所以得出这样的观点,是因为他们发现,赛德娜并非唯一一个公转轨道异常的天体。另有六个天体,它们的轨道均向同一个方向偏离。当然还有其他线索,比如这几个天体的自转轴也都朝着完全相同的方向微微倾斜。布朗和贝提金通过计算认为,所有这六个天体受到同一个方向的引力影响并具有相同倾角的概率仅为0.007%。

贝提金说:“我们觉得,’这非常有意思——这怎么可能呢?’这个现象非常神奇,因为如果只是与行星引力相互作用的结果,那么只要时间足够长,这样的集中现象就会消失。”

对此,布朗和贝提金认为,第九行星或许在我们的太阳系外缘留下了神秘痕迹,其引力扭曲了周围天体的轨道。几年之后,符合偏心轨道模式与倾角的天体数量仍在不断增加。贝提金说:“我们现在一共观测到19个这样的天体。”

虽然到目前为止,仍没有人见过这颗假想的行星,但我们可以推断出它的很多信息。就像柯伊伯带之外的许多其他物体一样,新的第九行星的公转轨道也会十分扭曲,远日点距离预期是近日点的两倍,即600个天文单位(900亿公里)和300个天文单位(450亿公里)。科学家们还对这颗新行星的外貌进行了大胆猜测,可能和天王星或海王星类似,坚固核心之外,包裹着厚厚的冰层。

接下来就要回答一个棘手的问题:第九行星可能来自哪里?到目前为止,流行的观点有三个。第一个观点是,第九行星当前的隐藏位置就是其诞生之处。但是,贝提金认为这个可能性不大。如果是这样的话,那么早期的太阳系也得延伸到如此遥远的位置。

也有人猜想,这个第九行星其实是外来的冒牌货,是很久以前太阳仍处于其诞生的恒星团时,从其他恒星那里偷来的天体。贝提金说:“这个说法也站不住脚,因为下一次相遇时,其他恒星很可能会把这个冒牌货要回去。所以,从统计学上讲,这个模型存在问题。”

海王星目前是我们太阳系中已知最遥远的行星,但柯伊伯带之外可能还藏着另一颗行星。

海王星目前是我们太阳系中已知最遥远的行星,但柯伊伯带之外可能还藏着另一颗行星。

最后一个观点最受贝提金看好,不过他也承认该观点“未必完全可靠”。在这个假设中,第九行星诞生在十分靠近太阳的位置,彼时太阳系仍处于早期阶段,且太阳系中的行星也刚刚开始从周围的气体和尘埃中成形。贝提金说:“可能一开始它就在大行星诞生的区域附近,渐渐地它被木星或土星挤走,然后路过的恒星改变了它的轨道。”

无人知晓的藏身之处

当然,以上种种猜测都指向一个更为直观的问题:如果第九行星真的存在,为什么从没有人发现它?

贝提金说:“在我跟麦克一起用望远镜寻找它时,我才真正理解,寻找第九行星有多难。搜寻工作如此困难,是因为大多数天文研究并不是在寻找某个特定东西。”

例如,天文学家通常会寻找一类的物体,比如特定类型的行星。哪怕这类物体十分稀少,但是只要你搜索的范围足够广泛,你总会发现一些蛛丝马迹。但是寻找某一个特定物体——比如第九行星,就全然是另一回事情了。贝提金说:“整个天空中,只有在那一小块的地方可能找到我们的目标。”贝提金还表示,合适的望远镜的预订使用时间也是一个影响因素。

他说:“眼下,唯一可以用来寻找第九行星的设备是昴星团望远镜。”昴星团望远镜的主镜直径有8.2米,坐落在夏威夷休眠火山毛纳基山山顶。该望远镜可以捕捉到遥远天体的微弱光线。这使得昴星团望远镜十分适合用于寻找第九行星,因为该神秘莫测的行星距离太阳十分遥远,反射太阳光的可能性很低。

贝提金说:“我们只有一台可以使用的设备,然而我们一年能使用这台望远镜的时间也不过三个晚上。”上周,贝提金刚刚“霸占了”该望远镜的三个使用夜晚。他说:“不过,好消息是,再过几年,薇拉·鲁宾天文台将投入使用。到时候,他们或许有机会找到第九行星。”位于智利的薇拉·鲁宾天文台是目前正在建设中的新一代广视野巡天反射望远镜,可以每隔几个夜晚系统性地巡视夜空——拍摄整个视野,以研究夜空中的天体。

一个有趣的选择

不过,也有一种几乎令人难以置信的特殊情况。在这种情况下,我们或许永远也找不到这颗所谓的第九行星。也许,它不是行星,而是一个黑洞。

夏威夷的昴星团望远镜在搜寻第九行星的过程中,已经找到了太阳系中已知最遥远的天体,绰号“Farfarout”。

夏威夷的昴星团望远镜在搜寻第九行星的过程中,已经找到了太阳系中已知最遥远的天体,绰号“Farfarout”。

芝加哥伊利诺伊大学物理学教授詹姆斯·安文说:“存在这样一个物体的一切证据都跟引力有关。”安文和都灵大学的博士后研究员雅库布·舒尔茨率先提出了黑洞假说。他说,虽然我们都知道行星可以施加强大的引力,但是“还有其他天体也可以产生引力”。

其他可以替代第九行星的合理假设,包括一小团超密实的暗物质或一个原初黑洞。鉴于黑洞是宇宙中最密实的天体之一,安文解释说,完全有可能的是,一个原初黑洞扭曲了外太阳系遥远天体的公转轨道。

我们最为熟悉的黑洞往往包括“恒星”黑洞,其质量至少是三个太阳质量以上;以及“超大质量”黑洞,其质量可以达到数百万或数十亿个太阳质量。“恒星”黑洞诞生于垂死恒星自身的坍缩,而超大质量黑洞则要神秘得多——可能始于恒星簇的爆炸,然后通过吞噬周围一切物质(包括其他黑洞等)逐渐累积越来越多的质量。

原初黑洞则不一样。虽然从未被观察到,但人们普遍认为这些原初黑洞起源于大爆炸后第一秒内形成的能量与物质的热汤中。在这个能量不均匀的环境中,宇宙某些部分的密度更高,进而压缩成质量与行星差不多、但体积要小很多的天体。

安文指出,隐藏天体为恒星演变而来的黑洞,这个可能性几乎为零,因为这类黑洞本身也具有强大的引力。即便是最小的恒星黑洞,也有三倍的太阳质量。因此,如果是恒星黑洞的话,那就几乎相当于有三个额外的太阳在扰动我们太阳系内的行星。简而言之,如果是这种情况,我们早就观察到异常了。

安文和舒尔茨说,恒星黑洞的可能性虽然为零,但原初黑洞的可能性却是有的,因为原初黑洞的质量要小很多。舒尔茨说:“由于这些黑洞诞生于宇宙形成之初,形成这些黑洞的高密度区域可能非常小。因此,这个黑洞的质量其实是有限的,比恒星要小得多。原初黑洞的质量,甚至可能就几磅,和一块岩石差不多。”这更加符合人们对第九行星的质量推测——大约十个地球的质量。

未发现的大质量行星施加的引力或许可以解释矮行星赛德娜的不寻常轨道。

未发现的大质量行星施加的引力或许可以解释矮行星赛德娜的不寻常轨道。

那这个黑洞是什么样的呢?我们应该为此担心吗?会不会比发现新的行星更令人兴奋?

首先,即便是原初黑洞,它的密度也足够捕获任何光线。它们是黑洞的最真实形式。这意味着,这类黑洞不会被现有的任何望远镜观测到。如果你望向一个原初黑洞,那么它存在的唯一痕迹将是一个空白的虚空——繁星满天的夜幕中一点微小的虚空。

这下事情真的棘手了。尽管这个黑洞的质量或许跟假设的第九行星质量接近——十倍的地球质量,但是它的大小可能跟一个橘子差不多。在广袤的宇宙中找寻一个橘子,我们得另辟蹊径。

到目前为止,研究人员的建议包括寻找物体落入该原初黑洞时所释放的伽马射线,或发射数百个微型飞船——如果我们足够幸运的话,在足够靠近这个黑洞时,它们会被引力吸引,并产生可检测的加速度。

由于神秘的引力来自于太阳系边缘最遥远的地方,探测器必须得通过地基激光阵列发送,这可以使得探测器的速度达到20%的光速。如果飞行速度再慢一点的话,它们可能需要几百年的时间才能到达潜在的目的地。这样一个实验,毫无疑问,需要数代人的努力。

碰巧的是,另一个雄心勃勃的任务已经在开发这些充满未来主义的飞船。Breakthrough Starshot项目,旨在将飞船送往4.37光年外的南门二星系。

安文说,如果我们发现的是一个隐藏的黑洞,而不是一个冰冻的巨行星,我们就无需惊慌。他解释说:“我们的银河系中心就有一个超大质量黑洞。但我们从来不必担心太阳系被吸进黑洞内,因为我们处于该黑洞周围的稳定轨道上。”所以,即便一个原初黑洞会吞噬接近它周围的一切物质,但我们的地球不在其中,其他内太阳系行星也不在其中。这些行星甚至都没有机会接近该黑洞。

安文说:“这不像真空吸尘器。”他解释说,对我们地球人来说,太阳系内有一个未被发现的黑洞,和有一个隐藏的行星,没什么区别。

不过,尽管恒星黑洞和原初黑洞本质上几乎相同,但原初黑洞从未被发现,也没有被研究过,而且尺寸上的差异或许会导致一些奇怪的现象。舒尔茨说:“我认为,小型黑洞比大型黑洞更加有趣。”

2019年,事件视界望远镜(EHT)捕捉到M87星系中心的超大质量黑洞阴影图像。

2019年,事件视界望远镜(EHT)捕捉到M87星系中心的超大质量黑洞阴影图像。

一个例子是非常形象的“意大利面条化”过程。人们经常用旅行到黑洞事件视界边缘的宇航员来解释这个过程。任何进入事件视界的物质——哪怕是光——都无法逃离。靠近这个边缘的宇航员,会头朝前先栽进去。虽然她从头到脚可能就一米多,但作用在宇航员身上的引力差异之大,会将她拉成一条又细又长的意大利面。

有趣的是,黑洞越小,意大利面条化效应越显著。舒尔茨解释说,关键在于相对距离。如果你的身高是两米,然后你落入一个距离原初黑洞中心只有一米的事件视界,那么你的头和脚之间的位置差异将比黑洞的直径更大。此时,你承受的拉伸力,要比落入一个巨大的恒星黑洞事件视界时承受的拉伸力,大许多。

舒尔茨还说:“小黑洞也足够奇特,更加有意思。”科学家已经通过望远镜观察到意大利面条化现象。当一颗恒星十分接近距离地球2.15亿光年外的恒星黑洞时,这颗恒星被撕裂。但是,如果我们的太阳系内就有一个原初黑洞的话,天体物理学家将有绝妙的机会去近距离研究意大利面条化的行为,以及其他现象。

那么,贝提金怎么看待人们长期以来寻找的第九行星其实可能是黑洞的这件事呢?贝提金认为:“这是一个很有创意的想法,而且我们也无法限定这个天体的性质。我觉得,这可能更像是我自己作为行星科学教授的一个偏见。不过,行星说似乎更普遍一些……”

安文和舒尔茨比较坚持原初黑洞说,并希望基于此开展实验,而贝提金仍在努力寻找一颗巨行星,他的理由是在整个银河系,质量与第九行星相当的天体类型最为常见。

他说:“与此同时,大多数绕恒星运行的系外行星,都位于这个奇怪的范围内,比地球大但比海王星和天王星却要小很多。”如果科学家真的可以找到这颗隐藏的行星,他们将有机会去研究银河系中其他的相似行星。

当然,只有时间知道,这一次人们会不会成功。但是贝提金相信,他们的事业存在根本区别。他说:“对于提出的这一切假说,无论是他们想要去解释的数据,还是他们用来解释该数据的机制,都很不一样。”

但是,不管是哪一种假说,我们对神秘的第九行星的探索已经改变了我们对太阳系的认识。在谜团解开之前,我们或许还会邂逅更多新事物。(匀琳)

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