[科普中国]-太阳系真的存在未知行星吗？

编者按：
太阳系发现新行星是公众很感兴趣的话题，但这几年都有类似成果声称太阳系可能存在未知行星，本文将对此进行客观理性的全面分析。
由于柯伊柏带天体运行轨道与预期不符，有天文学家提出，太阳系内柯依伯带以远的区域内可能存在未知的大行星。由于这些区域又冷又暗，未知行星反射的太阳光极为微弱，要通过观测确证未知行星非常困难。但未知行星一旦确证，将改变太阳系的疆界，行星的定义可能又要重新修改，太阳系形成模型也要修改。深空探测将在发现大行星的过程中发挥关键作用。
公众感兴趣的话题
2016年1月20日，美国加州理工学院的迈克·布朗和康斯坦丁·巴特金在《天文物理期刊》发表他们的研究成果，宣布发现太阳系柯伊伯带中6颗天体的运行轨道异常，这6颗天体虽然以不同速率运转，但其运行轨道却拥有相同的倾角，且朝向太阳的角度相近，而自然条件下碰巧出现这一情况的几率只有1/14000（0.007%）。在排除其他可能性后，这两位天文学家认为，造成这种现象的原因可能是一颗未知行星在背后默默地发挥引力影响。
据推测，这颗可能的“太阳系第九大行星”的质量约为冥王星的4500倍，地球质量的10倍，因此其引力将显著影响位于柯依伯带几颗“矮行星”的运行轨道。
这颗未知行星沿“奇特的楕圆轨道”绕太阳运行，与太阳之间的平均距离约为320亿千米，远日点约为1600亿千米，而冥王星和太阳之间的平均距离约为59亿千米，远日点约为74亿千米。
这颗未知行星环绕太阳一周需时1至2万年，而冥王星环绕太阳一周需要248年，海王星需要164.8年。
这颗未知行星可能为一颗巨型气态行星。
根据2006年国际天文联合会通过的决议，要成为太阳系的行星，需满足三个条件：一是绕太阳运行；二是质量足够大，才能以自身重力克服刚体力，呈现流体静力平衡状态的圆球体；三是能将邻近轨道上的天体清除。
但是，这两位天文学家也承认，目前还无法通过望远镜观测到这颗未知行星，因为这颗未知行星距离太阳十分遥远，行星表面反射的太阳光极其微弱，所以看起来就像黑屋子中的一颗煤球，极难发现。科学家们寄希望于2021年世界最大光学望远镜——大麦哲伦望远镜建成时，或许有可能观测到这颗未知行星。
当然，这颗未知行星还只是一个预测，并没有任何观测证据的证实，科学家圈子里也还存在很多不一样的声音。虽然法国轨道动力学家亚历桑德罗·摩比德利（Alessandro Morbidelli）表示“完全相信”存在这颗未知行星，美国宇航局首席科学家艾伦·斯托芬（Ellen Stofan）在接受BBC采访时却对这所谓的“第九大行星”表示怀疑，因为开普勒太空望远镜在太阳系外的恒星系统中找到了几千颗类似超级地球的行星，但没有一颗系外行星的大小介于地球和海王星之间。美国西南研究院的行星科学家Hal Levison认为：“在我的职业生涯看到过很多类似研究和说法，但事实证明都是错误的。”
由于未知行星的引力会影响柯依伯带天体的运行轨道发生倾斜，如果未来观测到该区域更多天体的运行轨道发生异常，存在这颗未知行星的结论会更有说服力。

太阳系内可能的未知行星（Planet Nine）

柯伊伯带的天体
柯伊伯带（Kuiper belt）在海王星轨道之外，位于距离太阳约40～50个天文单位的黄道面附近，是一个小天体密集的圆盘状中空区域。柯伊伯带中最著名的天体是直径约2300千米、现已被降级为矮行星的冥王星。在观测到的柯伊柏带天体中，直径数百公里以上的至少有十几颗，且这一数字仍在继续增加。

柯依伯带区域中一些矮行星运行轨道

柯伊伯带的天体主要包括冰冻的小行星、彗星和矮行星。其中：
彗星主要由甲烷、氨和水等冰冻物质组成，也有石块和尘埃。柯伊柏带是短周期彗星的老家，著名的哈雷彗星就产于该带；
柯依伯带的小行星主要由岩石和金属组成，其成分可能非常不同于火星和木星之间小行星带中的小行星，有些小行星可能是彗星中的挥发物逃逸后形成的；
矮行星是直径上千公里、成球体的行星，由于没有足够的小天体供其碰撞、吸积，成为一颗长不大的侏儒行星。在5颗矮行星（冥王星、阋神星、谷神星、鸟神星、妊神星）中，冥王星仍然是柯伊伯带最大的天体。
除此之外，一些巨行星的卫星，如海王星的卫星海卫一、土星的卫星土卫九，可能最早也起源于柯伊柏带，后来受引力摄动才进入巨行星附近。柯伊伯带的天体是太阳系演化的遗迹，记录着太阳系形成之初的信息。
1992年，人类才艰难地首次观测到除冥王星和冥卫一（卡戎，Charon）外的第一个柯伊伯带天体——距离太阳46个天文单位、直径250千米、轨道周期为289年的“1992 QB1”（小行星编号15760），开启了发现柯伊柏带系列天体的序幕。
实际上，“1992 QB1”是当年8月下旬观测到的第27个柯伊柏带天体。如今在柯伊柏带观测到的天体已经超过1000个。那时我们还不知道是否存在柯伊伯带。而现在，深空探测器新视野号已经飞抵那里亲临探测。
柯伊伯带并非太阳系的边界，从太阳向外延伸两光年之远的奥尔特云才是太阳系的边界，奥尔特云是长周期彗星的主要聚集地。除了火星和木星之间的小行星带、柯伊柏带和奥尔特云外，靠近柯伊柏带、且偏离黄道面的一个区域，也离散分布着一些小天体，这些天体被称为“离散柯伊伯带天体”（scattered Kuiper belt object，SKBO）或黄道离散天体（scattered disc objects），这一区域被称为离散盘，其中最知名的是距离地球90个天文单位的阋神星（编号136199 Eris），直径约为2300–2400公里，比冥王星还要大。
未知行星将导致柯依伯带天体的轨道异常
2012年，位于里约热内卢的巴西国家天文台罗德尼·葛姆斯(Rodney Gomes)教授在美国天文学会议上报道了关于未知行星的研究结果。葛姆斯发现，柯伊柏带约有6—7颗天体的轨道都显得非常奇怪，其中包括非常有名的赛德娜(Sedna)，与现有的太阳系模型预测的正常轨道情况不同。虽然导致这些天体运行轨道异常可以有不同的原因，但最简单、最直接的解释就是太阳系中还存在一颗尚未被发现的未知行星。这颗行星的质量足够大，其引力足以影响柯伊伯带天体的运行轨道。
不管如何，如果真的存在这样一颗未知行星，由于距离太阳非常遥远，这颗天体可能非常暗弱。因此很难被望远镜发现，要想找到它将是一项挑战。由于未知行星会对柯伊伯带天体施加引力摄动影响，因此科学家们可以感受到它的存在。
由于不同距离的天体之间都会存在相互作用，因此需要考察尽可能多的天体，才能使得轨道计算更为精确。葛姆斯对92颗柯伊伯带天体的轨道进行了分析，发现如果没有一颗未知行星的扰动，这六颗天体的轨道将运行在一个近乎圆形的绕太阳公转轨道；当假设有一颗未知行星扰动，这六颗天体才有可能运行在如此高偏心率的轨道上，即计算的轨道与实际观测到的轨道吻合。
根据假设，这颗未知行星有两种可能，一种可能是：大小与海王星相当，直径大约为地球的4倍，距离太阳约2250亿千米（1500个天文单位）。另一种可能是：大小与火星相当，直径约为地球的一半，但运行轨道是极高偏心率的椭圆轨道，周期性地运行至距太阳约80亿千米（53个天文单位），这同样也可以影响柯伊柏带天体的运行轨道。
葛姆斯猜测这颗未知的行星可能是被其原先所在的行星系踢出后，成为一颗流浪行星，又在随后被太阳的引力俘获而留下的外来者。或者，也有可能这颗想象中的行星形成于更加靠近太阳的位置，只是后来在与其它太阳系大行星的引力作用下被抛出到了现在的外缘位置。
由于未知行星的一切都是未知的，这颗行星在什么位置，它的运行轨道是圆形还是椭圆形的？轨道偏心率是多少？质量和体积是多大？这些都是假设的，所以这种轨道计算存在很大的不确定性。葛姆斯的计算结果并未能为天文学家搜寻这颗未知行星提供任何位置信息，他说：“它可能在任何位置上。”

目前已经被观测证实的海王星轨道之外的大型天体

未知行星严重缺乏证据
尽管对太阳系未知行星的说法感到很有意思，但大多数天文学家都对此想法持有谨慎态度，他们认为需要更多证据，才会接受太阳系中再次出现第九颗大行星的想法。
罗尼·巴内斯(Rory Barnes)是美国华盛顿大学的天文学家，他说：“很显然，在太阳系中找到另一颗大行星是一件大事，但是我并不认为他已经给出了任何可以证明真的存在这样一颗天体的证据。”相反，他指出，葛姆斯是“给出了一种方法来确定这样一颗行星究竟将如何对我们太阳系外缘区域产生影响。因此目前缺乏证据。我想其中最重要的一点在于他为我们指出了一条道路去发现这样的证据。”
道格拉斯·汉密尔顿(Douglas Hamilton)来自美国马里兰大学，他也同意这样的看法，那就是葛姆斯的计算结果还远远不能算是确定性的。他说：“他所做的概率性计算结果只能是说明这一情形存在的可能性稍大一些。他并没有给出确凿的证据。”
还有海尔·列维森(Hal Levison)，他是美国宇航局西南研究所的研究员，他说他不知道该如何理解葛姆斯的发现。列维森说：“我感到很惊讶，我不能理解一颗像海王星那样大小的天体如何会造成像他(葛姆斯)所观察到的那种影响。”不过他也表示：“我认识罗德尼，我确信他一定是经过了精心计算的。”
未知行星不是一颗，而是至少两颗？
在冥王星以远的太阳系空间，可能至少隐藏着两颗未知行星，其引力影响了海王星外已知天体的轨道。这一结论是西班牙马德里康普顿斯大学和英国剑桥大学的科学家，通过数学计算而得出的。如果得到证实，这个假说可能会颠覆太阳系的模型。
在过去数十年内，天文学家一直对太阳系中是否存在未被发现的未知行星争议不断。按照最近所作的计算，想要解释已知的那些极端海王星外天体（ETNO）的轨道，太阳系里就必须存在不止一颗、至少两颗未知行星。
目前被广泛接受的太阳系理论认为，海王星轨道以外穿行的这些天体，轨道分布应该是随机的。再加上某种观测偏差，它们的轨道必须满足一系列特征：轨道半长轴接近150天文单位（1天文单位相当于地球到太阳的平均距离），轨道倾角几乎为0°，近日点辐角也要接近0°或者180°。
但已发现的十多颗极端海外天体的实际情况却很不相同：它们的轨道半长轴相差极大（介于150天文单位和525天文单位之间），轨道倾角的平均值约为20°，近日点辐角则是–31°，没有任何一个天体接近180°。
这项研究的合作者、马德里康普顿斯大学的科学家卡洛斯·德拉富恩特·马科斯（Carlos de la Fuente Marcos）解释说，“这些天体的轨道参数出人意料，让我们相信有某种不可见的力量在改变这些ETNO天体的轨道参数。最有可能的解释是在海王星和冥王星以外还有其他未知的行星。”
马科斯认为：“考虑到我们掌握的数据非常有限，未知行星的具体数目现在还未知，但我们的计算暗示，在太阳系疆域内至少还有两颗未发现的行星，甚至更多。”
为了从事这项研究，科学家分析了一种被称为“古在机制”（Kozai mechanism）的效应，即一个较大天体施加的引力扰动，会对另一个小得多的遥远天体的轨道施加影响。作为参考，他们以96P彗星梅克贺兹一号（96P/Machholz1）为例，分析了木星的引力如何通过古在机制影响它的轨道。
尽管这些科学家得出的结论让人吃惊，研究者也意味到，他们的数据要面对两个问题。一方面，他们的结论与当前太阳系形成模型的预言相悖。太阳系形成模型宣称，在海王星轨道以外没有任何其他行星沿圆形轨道环绕太阳旋转。
然而，最近阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵（ALMA）射电望远镜已经在金牛座HL星周围超过100天文单位的地方发现了有行星正在其中形成的物质盘。这颗恒星比太阳更年轻，质量也更大。这一发现暗示，行星可以在距离恒星系统的中心上百天文单位以外的地方形成。
另一方面，研究团队承认，他们的分析所依据的样本天体数量太少（确切地说，只有13个），但他们指出，未来数月，会有更多结果陆续发表，样本数量也会更多。德拉富恩特·马科斯说，“如果得到证据，我们的结果可能会是天文学中一场真正的革命。”
2015年，美国双子星天文台和卡内基学会的研究人员在太阳系内发现了一颗“塞德娜式”的天体——2012 VP113。据估算，这颗天体的直径约为450千米，与太阳的最近距离约为80个天文单位。两位发现者推测，这颗天体的轨道可能受到一颗又黑又冷的超级地球的影响，其大小约为地球的10倍。
不管怎样，在天文望远镜观测证实之前，太阳系存在未知行星一切还只能是推测。

在冥王星以远的太阳系空间，可能至少隐藏着两颗未知行星，其引力影响了海王星外已知天体的轨道。冥王星以远的冰冻天体的艺术图