太阳系里有几颗行星？我们居然到现在还不知道

撰文｜王昱

翻译｜二七

2015 年 7 月 14 日，“新视野”号（New Horizons）探测器飞掠冥王星时，它一定会回想起 9 年前国际天文联合会（IAU）剥夺这颗天体行星称号的那个下午。2006 年 9 月 13 日，IAU 决定将冥王星归为矮行星（dwarf planet）。那时“新视野”号才刚起飞 1 年多，项目负责人阿兰・斯特恩（Alan Stern）对这个决定表达了不满：“这是个糟糕的决定…… 对这个决定我只能表示嘲笑。”（尽管就是他在 1991 年创造了“矮行星”这个名词）

太阳系中有几颗行星？从那时起，这个问题的标准答案从 9 变成了 8。但是太阳系中真的只有 8 颗行星吗？这个问题天文学家其实至今还没有确定的答案。

行星 X 的重生

1930 年，美国天文学家克莱尔・汤博（Clyde Tombaugh）确认了冥王星的存在。之所以说是“确认”而不是“发现”，是因为天文学家根据观测中海王星的轨道异常，推断出海王星外侧一定存在一颗“行星 X”（Planet X），影响了海王星的轨道。当汤博将望远镜指向预测的方向时，冥王星就出现在了那里。从那时起，太阳系中的行星数量就从 8 上升到了 9—— 直到 2006 年又降回了 8。

让冥王星“蒙羞”的原因有很多。最主要的原因是类似冥王星的天体太多了。冥王星轨道和太阳的平均距离比海王星轨道的半长轴（30.1 倍地日距离，也称 30.1 天文单位，30.1AU）还要长，天文学家将这类天体称为海王星外天体（trans-Neptunian object，TNO）。2005 年时，天文学家发现了一颗大小和冥王星相当的 TNO—— 阋神星。如果冥王星是第九大行星，那天文学家很快就能整理出来第十大行星、第十一大行星、第十二大行星…… 所以，2006 年天文学家制定了新的行星标准，将冥王星归为矮行星。当年，plutoed（冥王星的英文为 Pluto）也被美国方言学会评选为了年度词汇，意为“被降级”了。

不过，这也不是冥王星第一次让人“失望”了。上文所讲述的冥王星的发现过程，其实存在一个漏洞 —— 冥王星的质量比预测的行星 X 小了很多，根本无法对海王星的轨道造成显著影响。而更致命的 bug 是：行星 X 其实根本不存在。1989 年，“旅行者”2 号飞船飞掠海王星，几年后天文学家根据旅行者号的轨道矫正了海王星的质量，发现海王星实际的质量应该比之前预测的低 0.5%—— 这直接导致海王星的轨道异常“消失”了，根本没有行星 X 存在的必要。而汤博在那片天区发现冥王星的过程，并非是天文学集根据牛顿引力“大显神威”，而是单纯的巧合。

虽然冥王星不再是行星，由海王星轨道预测的行星 X 也没有必要存在，但并不意味着行星 X 这个概念就此消失了。2014 年，美国天文学家查德・处基罗（Chadwick A. Trujillo）和史考特・雪柏（Scott S. Sheppard）在《自然》（Nature）杂志上发表了一篇论文，他们发现几个 TNO 的轨道存在一定的相似性 —— 简单来说，这些 TNO 的轨道都是椭圆，并且椭圆的朝向相似。但如果存在一颗我们还没观测到的行星 X，就能解释这些 TNO 的椭圆轨道。2016 年，一篇发表在《天文学报》（The Astronomical Journal）上的论文更是分析了 6 个柯伊伯带天体（KBO）的轨道，发现他们轨道的朝向非常相似，这种现象是偶然产生的概率只有 0.007%，为了解释这种微小的可能，或许可以引入一颗更遥远的行星 X—— 或者说，第九行星。

对于这个颗全新的行星 X，天文学家对其参数的预测为：质量在地球的 10 倍左右，近日点约为 200AU，远日点约为 1200AU，半长轴约 400 到 1500 个 AU，围绕太阳运行周期约 15000 年。与之对比，海王星的运行周期仅为 165 年。

天马行空的行星 X

人类已经观测过了银河系中的几十亿颗恒星，观测到了百亿光年外的星系，甚至还知道整个宇宙大致的诞生过程。太阳系甚至已经承载不下科幻作家的想象力，不少科幻作品都将恒星际旅行视作家常便饭。但现实却是，连“太阳系中有几颗行星”这个基本的问题，人类至今都不能确定。

行星本身不发光，而行星 X 距离太阳太远，反光也很微弱。没有光，人类自然就观测不到这颗行星。当然，我们仍然可以通过行星的热辐射来寻找它，但那些足以捕捉到这微弱红外线的望远镜往往是为了深空探索而设计，视场非常小，用它们来寻找行星 X 无异于大海捞针 —— 还是代价非常昂贵的大海捞针，因为这些望远镜的机时都非常宝贵。

所以，我们目前还不知道行星 X 是否存在。既然我们不知道它是何物，那就不能阻拦天文学家提出各种天马行空的猜想。而行星 X 也确实值得天文学家倾付自己的想象力，因为在目前的行星形成理论中，这颗遥远的行星 X 根本就不应该存在。行星的形成需要原料，这些原料来自太阳诞生时留下的吸积盘。但在目前的理论中，行星 X 所在的位置，根本不应该存在足以形成它的原料。

一个自然的想法是，行星 X 是太阳系捕捉的“流浪行星”。但和天文学家后续提出的“离谱”猜想相比，这种想法还是太过常规。

2019 年，一篇发表于《物理评论快报》（Physics Review Letters）的论文提出，我们没有发现行星 X，或许并不是因为观测能力不够，而是因为我们找错了方向。第九行星可能根本就不是一颗行星，它可能是一颗黑洞。

你可能会感到奇怪 —— 黑洞的质量不应该很大吗？如果太阳系中有黑洞，那地球为什么会绕着太阳转，而不是绕着黑洞转呢？的确，按照一般的恒星形成理论，黑洞是大质量恒星演化末期的产物，质量最低也要有太阳质量的 3 倍。但是，恒星并非是形成黑洞的唯一途径，在宇宙诞生时，物质能量的密度超高，或许仅仅是物质分布的一点随机波动，就足以形成一颗黑洞。这样诞生的黑洞被称为原初黑洞，并不存在什么质量下限。物理模拟表明，它的质量完全可能只有地球质量的 10 倍。

当然，这种猜想也能和前面的猜想结合一下，这颗原初黑洞完全可能一直在宇宙中流浪，只是在经过太阳系时碰巧被太阳引力捕获，从而影响了那些 KBO 的轨道。物理学家表示，我们或许可以通过太空中移动的伽马射线及 X 射线源来验证这一猜想。

而 2020 年，在一项发表于《天体物理学报通讯》（The Astrophysical Journal Letters）的研究中，哈佛大学的天文学家亚伯拉罕・洛布（Abraham Loeb，顺带一提，他老人家提出过不少“离谱”的理论）和本科生阿米尔・希拉吉（Amir Siraj）又提出了另一种离谱的解释：太阳系中可能曾经有第二颗恒星。

这个理论听上去十分激进，但在一些天文学家看来其实并不意外。论文作者希拉吉表示：“绝大多数类日恒星在形成之初都是双星系统中的一员。”按照这个理论，太阳在星团阶段曾有一颗质量相近的伴星，随后，“一颗路过的恒星通过其引力作用，将‘第二个太阳’移走了。”洛布表示。

太阳系曾经的第二颗恒星现在在哪呢？很遗憾，我们已经无法追踪了，它可能位于银河系的任何位置。不过我们可以推测的是，如果这颗恒星的确曾经处于外太阳系的某个位置，那么行星 X 所在的位置无法形成行星的矛盾就能得到解释 —— 因为那里可能原本有另一颗恒星。

行星 X 真的存在吗？

但是，并非所有天文学家都认为行星 X 真的存在。他们直接将矛头指向了提出行星 X 的最初理由 ——KBO 的轨道一致性偏离。有的天文学家认为，之前的研究并不严谨。具体来说，寻找观测 KBO 的过程会引入很多观测带来的偏差，而先前的研究并没有充分考虑这些偏差。比如天文学家的观测地点。地球上最强大的望远镜位于夏威夷和智利 —— 因为那里有全球最好的天文观测条件 —— 但就算在这些地方，天文观测条件也是有季节分布的。这会导致天文学家只能观测到特定方向的 KBO。并且对这些有限的 KBO 而言，天文学家最有可能在它们的近日点看到这些天体，因为它们在这时是最亮的，最容易观测到，而近日点的位置就决定了椭圆轨道的朝向，这样就能解释 KBO 轨道特定的偏离方向。

2017 年，《天体物理学报》（The Astrophysical Journal）发表了外太阳系起源巡天（简称 OSSOS）耗时 4 年的研究成果。他们统计了 830 个新的柯伊伯带天体，并用计算机模拟了他们的轨道。研究结果是，他们并不能说第九行星不存在，但是也没有足够的证据支持它的存在。

2022 年，又有两位天文学家在《皇家天文学会月刊》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）上发表论文，他们分析了红外天文卫星（IRAS）和 AKARI 空间望远镜的数据，这两份数据相隔 23.4 年，如果行星 X 真的存在，在这两个卫星的红外图像中，它应该能发生一些移动。天文学家在其中找到了 535 个候选体。但是这些候选体的红外线最主要是星际气体，没有一个候选体符合天文学家对行星 X 的想象。天文学家更是直言：“没有一个候选体有足够的说服力来保证后续调查。”

当然，这并不意味着天文学家完全放弃了寻找行星 X。比如即将投入使用的薇拉・鲁宾天文台（Vera C. Rubin Observatory，LSST）就有可能找到行星 X。它的探测精度更高，并且视场很广，每 3 晚就能巡视一遍整个天空。如果行星 X 真的存在，这台望远镜或许就能在多次更新的红外夜空图像中发现它移动的痕迹。

但是，对于目前的人类而言，太阳系中究竟有几颗行星，行星 X 究竟是否存在，这仍是一个无法回答的问题。

参考链接：

• https://www.nature.com/articles/nature13156

• https://iopscience.iop.org/article/10.3847/0004-6256/151/2/22

• 神出鬼没的 X 行星，《中国国家天文》

• https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.051103

• https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/abac66

• https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/aa7aed

• https://academic.oup.com/mnras/article-abstract/515/4/4828/6652122?redirectedFrom=fulltext&login=false

• https://mp.weixin.qq.com/s/KVi9H47u-7cYA5tTw6Z3ww

• https://en.wikipedia.org/wiki/Planet_Nine

本文来自微信公众号：环球科学 （ID：huanqiukexue）

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