探索太阳系的第九大行星

太阳系中遥远的，具有奇特轨道的小型星体能否将我们引向一个重大发现？ 行星天文学家迈克尔·E·布朗（Michael E. Brown）提出了一个新的巨型行星的存在——它潜伏在我们太阳系的远处——并向我们展示了其存在的痕迹，而它也可能正在远远地注视着我们。

我要给你们讲述一个
从 200 年前开始的故事。

1820 年，法国天文学家
阿列西·布瓦尔（Alexis Bouvard）

差点成为了人类历史上
第二个发现行星的人。

他当时在用原始的星表
追踪夜间天王星

划过天空的位置，

然而天王星并没有像他预测的那样

围绕着太阳转。

有时，它转得有点太快了，

有时，又转得有点太慢。

布瓦尔知道他的预测是完美的，

因此这一定是陈旧星表的
不准确性所导致的。

那天，他跟天文学家们说，

“做更好的测量。”

于是他们照做了。

天文学家们花费了将近 20 年，

一丝不苟的追踪
天王星划过天空的轨迹，

但是结果仍然
和布瓦尔的预测不一样。

直到 1840 年，事情变得很明显：

问题不是出在那些陈旧的星表上，

而是在于那些预测。

同时，天文学家们
知道这是为什么。

他们意识到，
一定是有一个遥远的巨大行星，

刚好在天王星轨道的后面，

影响着天王星的运行速度。

有时推着它，导致它移动得太快，

有时又会拽住它，
减慢它的运行速度。

回到 1840 年，科学家一定很崩溃，

因为你能看到这些
相距遥远的巨行星重力效应，

却还不知道如何找到它。

相信我，这真的很让人崩溃。

（笑声）

但是到了 1846 年，
另外一个法国天文学家

奥本·勒维耶（Urbain Le Verrier），

通过数学计算，

找到了如何预测行星位置的方法。

他把他的预测结果发给了柏林天文台，

他们打开了望远镜，

然后就在第一天晚上，
观测到了一个很微弱的光点，

缓慢的从天空划过，

然后发现了天王星。

它的位置和勒维耶的预测结果
在天空中就只差这么一点。

这段关于预测、区别、新理论

以及成功发现的故事堪称经典，

勒维耶也因此成名，

那些试图进入该领域的人
也立马行动了起来。

在过去的 163 年里，

数十位天文学家
利用所谓的轨道偏差，

来预测太阳系中是否存在新行星。

但他们的预测
却一直出现各种问题。

最有名的一个错误预测

来自于帕西瓦尔·罗威尔
（Percival Lowell），

他坚信，在天王星和海王星后，
一定还有一个行星，

在干扰那些轨道。

因此在 1930 年冥王星被发现于

洛厄尔天文台时，

所有人都以为，那颗行星
一定就是罗威尔曾预测的那颗。

但他们错了。

结果表明，天王星和海王星
就在它们应该在的地方。

这件事花费了 100 年的时间，

但是最终，人们发现布瓦尔是对的。

天文学家们需要做更好的测量。

他们这么做了之后，

那些更好的测量表明，

在天王星和海王星的轨道后面
并没有行星的出现，

并且冥王星的体积
比预测的要小几千倍，

以至于对那些轨道
不会产生任何影响。

因此，尽管冥王星后来被证实

并非本意想要预测的那颗行星，

但这是目前对在已知行星外轨道上

存在的数千个微小的
结冰天体（柯伊伯带）的首次发现。

这里你可以看到木星、

土星、天王星和海王星的轨道，

以及在那个小圆圈里，
最中间的地方就是地球，

和太阳，以及所有
你知道并喜爱的一切。

那些边缘发黄的圈，

是在行星外围的结冰天体。

这些结冰天体

会因为行星的重力场，

按照完全可预测的方式被推拉。

所有的行星基本上都在
以它们该有的方式

围绕着太阳转。

在 2003 年，

我发现了

当时在太阳系中探测到
的最遥远的已知天体。

很难忽视远方那颗孤独的天体，

然后说，是的， 罗威尔错了，

海王星之外并没有其他行星，

但这一颗——这一颗可能是新的行星。

我们真正要问的是，

它以什么样的轨道围绕着太阳转？

它是否就像其他行星一样

绕着太阳以圆形的轨道旋转？

还是就像冰带中
其他典型的结冰天体一样，

只是先前不小心被抛出去了，
现在在回归原轨道的路上？

这正是在 200 年前，

天文学家在研究天王星时
努力想要解答的问题。

他们是利用在发现天王星的 91 年前

所被忽略的观测资料，

从而找到它的整个轨道的。

我们无法追溯回那么早的资料，

但是我们在 13 年前的资料里
找到了对目标天体的观测记录。

这些资料让我们弄清了
它是如何绕太阳转的。

那么问题是，

它是像行星一样
在圆形的轨道上绕着太阳转呢，

还是像那些结冰天体一样

在回程途中？

答案是，

皆非。

它拥有非常巨大的椭圆轨道，

使它绕太阳一周需要一万年的时间。

我们将这个天体
命名为塞德娜（Sedna），

是因纽特人海洋女神的名字，

以致敬它一生都在冰冻的环境中。

我们现在知道塞德娜的体积

约是冥王星的三分之一，

且是海王星外的那些结冰天体中，

相对比较典型的一个天体。

相对比较典型，
但不包括它的奇特的轨道。

你看着这个轨道可能会说，

“绕着太阳能走一万年确实很奇特”，

但这还不是它奇特的地方，

奇特的是，在那一万年中，

塞德娜完全不接近
太阳系中的任何其他东西。

即使是在它离太阳最近的位置，

塞德娜和海王星的距离

也比海王星和地球之间的距离更远。

假如塞德娜有这样的轨道：

绕行太阳一圈就会和
海王星的轨道接触一次，

那这就很容易解释了。

那它就是在结冰天体

的区域中以圆形轨道
绕行太阳的天体，

有一瞬间太靠近海王星，

因此被弹了出去，

现在正在返回的途中。

但是塞德娜从未接近过
太阳系中任何已知的东西，

不可能造成那样的弹射。

既然不是海王星造成的，

那一定有别的原因。

这是自 1845 年以来

我们第一次看到了在外太阳系的
某个东西产生了重力效应，

但不知道它是什么。

我曾经以为自己知道答案。

的确，它有可能是外太阳系一颗

很遥远的巨大行星，

但在这个情况中，这个想法很荒谬，

完全不足为信，

所以我没有很严肃的对待它。

但在 45 亿年前，

当太阳在其它上百个天体的
包裹下形成时，

那些天体中的任何一个

都有可能太靠近塞德娜，

从而影响它，
让它进入现今的这个轨道中。

当那群天体消散在星系中，

塞德娜的轨道应该会变成
太阳最早期历史中

的化石记录。

这个想法让我很兴奋，

这表示我们可以去研究

太阳诞生的化石历史，

于是我用接下来十年的时间，

去寻找更多有着
类似塞德娜轨道的天体。

在那十年间，我一个也没找到。

（笑声）

但我的同事，查理·楚基罗
和史考特·雪柏，有了些发现。

他们现在已经找到了
好几个轨道类似塞德娜的天体。

这非常令人兴奋。

但更让人激动的是，

他们发现，所有这些天体，

不仅是在遥远，椭圆形
的轨道上运行，

而且具有相同的复杂轨道参数特征。

在天体力学中，
我们把这个参数称为近日点幅角。

当他们发现那些特征参数
集聚在近日点幅角时，

立即手舞足蹈起来，

因为他们认为一定有个
遥远的巨大行星存在。

这真的让人很兴奋，
只是完全不合理罢了。

让我试着用一个比喻
来解释为什么。

试想，一个人走在广场上，

看向他右边 45 度的方向。

这可能有很多理由，

很容易解释，不是什么大事儿。

现在试想，有很多不同的人

都在广场上朝不同的方向走，

但都看向他们行进方向的 45 度角。

大家行进的方向不同，

大家看去的方向也不同，

但他们看去的
都是行进方向的 45 度处，

这个现象背后的原因会是什么？

我不知道。

非常难想象出任何理由
会造成这个现象。

（笑声）

基本上，这就是
一堆相近的近日点幅角

告诉我们的事。

科学家们很受挫，
他们认为一定是侥幸

和不佳的观测造成的。

他们告诉天文学家，

“把观测做得更好一点”。

我其实非常仔细地
研究过这些测量值，

但它们是对的。

这些天体真的都用

同样的近日点幅角值，

但是这不应该。

背后一定有原因。

谜团的最后一片出现在 2016 年，

当我和隔壁办公室的同事

康斯坦丁·巴蒂金意识到

大家之所以那么受挫

是因为近日点幅角只是
故事的一部分。

如果你用对的方式
来观察这些天体，

它们实际上在宇宙中
呈队列排布，并面朝同样的方向，

以同样的角度倾斜。

就好像在广场上的那些人们
都朝向相同的方向行进，

并且他们都看向右边 45 度。

这很容易解释。

因为他们都在看向某个东西。

在外太阳系的这些天体都
受到某个东西的影响。

但那是什么呢？

我和康斯坦丁花了一年的时间，

尝试去找出一个不同的解释，
不同于在外太阳系中

有遥远且巨大行星的解释。

我们并不想要成为第 33 和 34 位
提出这个行星存在

又被告知弄错了的人。

但一年后，

真的没有别的选择。

除了之前的那个解释，

我们想不出其他的解释了：

可能有个遥远的巨大行星
沿着椭圆的轨道运行，

倾斜向这个太阳系的其他部分，

从而被迫形成这些

外太阳系天体的模式。

猜一下这样的行星还会做什么？

还记得塞德娜那奇特的轨道吗？

那个轨道似乎被朝着
一个方向拉离太阳。

这样的一个行星会
不分昼夜地产生那样的轨道。

我们知道事情有些眉目了。

这就把我们带到了今天。

我们的处境基本上
就是 1845 年的巴黎。

（笑声）

我们看到遥远的巨大行星
造成的重力效应，

于是我们试着计算出

望远镜应该转向的方向，

希望能找到这个行星。

我们做过大量的电脑模拟，

投入无数个月做分析计算，

目前我能告诉各位的是：

首先，我们把这颗行星
称为第九行星，

因为它就是第九个。

第九行星的质量是地球的 6 倍。

这并非“它比冥王星小一点，

争论一下它是不是行星”的情形。

这是我们整个太阳系中
第五大的行星。

我先让各位对比一下
这些行星的大小。

在后方，你可以看到
巨大的木星和土星。

在它们旁边是稍小一点
的天王星和海王星。

在上面角落的是类地行星：
水星、金星、地球、火星。

你甚至可以看到

海王星外面的结冰带，
而且冥王星也是其中一员。

看看你们能不能分清谁是谁。

这里是第九行星。

第九行星很大。

第九行星大到

你应该纳闷，为什么
我们还没有找到它。

第九行星的确很大，

但它也非常、非常的远。

它所在的位置可能
比海王星还要远十五倍。

这同时意味着它的亮度
比海王星还要微弱五万倍。

此外，天空真的是一个很大的空间。

我们已经把它的定位范围

缩小成天空中相对很小的一块区域。

但我们仍然要花数年的时间

才能系统性地覆盖到整个区域，

而且还得使用很大的望远镜

才能看到那么遥远，那么微弱的行星。

幸运的是，我们可能不用这么做。

就像布瓦尔使用

在天王星被发现的 91 年前
未能识别出天王星的观测资料，

我敢说一定有那些
未能识别出的影像

可以显示出第九行星的位置。

这势必要用到非常大量的计算

才能分析完所有的旧资料，

并挑出那一个亮度微弱的移动行星。

我们正在做这件事了，

并且我认为
我们离成功越来越近了。

所以，我要说的是，准备好。

我们并不是要追赶勒维耶的记录：

“做一个预测，

第一个晚上就在离预测位置

不远处找到了行星”。

但我敢说，在接下来几年内，

某地的某个天文学家

会发现一个微弱的光点

缓慢的在天空中移动，

并得意洋洋地宣布
一颗新行星的发现，

而且可能还不是我们太阳系中

·真实存在的最后一颗行星。

谢谢。

（掌声）