若第九行星真的存在,為何從未有人見過它?

北京時間2月23日消息,據國外媒體報道,在我們太陽系的外緣,有一些奇怪的現象。似乎有一個十倍地球質量的物體正在將其他物體拉向自己。這是否也是一顆行星呢?人們一直在探索這個謎團。

若第九行星真的存在,為何從未有人見過它?

其中有一個人叫帕西瓦爾·羅威爾。羅威爾生活在十九世紀,是一個旅行作家兼商人。羅威爾很有錢,常年蓄着小鬍子,經常穿着挺括的西服三件套。在讀到一本關於火星的書籍之後,羅威爾決定進軍天文事業。在接下來的幾十年中,他提出了許多瘋狂的主張。

首先,他堅信火星上有「人」存在——火星人,並且也認為自己發現了這些火星人(其實並沒有)。其他人記錄了火星表面斑駁的奇怪線條,羅威爾因此認為,這些線條其實就是運河,是瀕臨滅絕的火星人為了從極地冰蓋汲水所做的最後努力。他自己出錢建造了一整個天文台,只為更好地觀察火星。事實證明,這些「運河」實乃光學錯覺。透過低質量的望遠鏡,火星上的山川、隕石坑變得模糊,看起來像是一條條運河。

羅威爾還認為,金星有輻條。他在筆記中描繪了這些從金星中心延伸出來的蜘蛛狀線條(這也是錯的)。盡管他的助手努力試圖找到這些線條,但似乎能看到這些神奇細節的只有羅威爾他自己。如今,人們普遍認為,這些線條其實是他在用望遠鏡觀察金星時,他自己的眼睛虹膜產生的陰影。

但最重要的是,羅威爾一心想要找到我們太陽系中的第九顆行星——假想的「行星X」。在羅威爾那個年代,人們認為是行星X,導致太陽系已知最遙遠行星——藍色大冰球天王星和海王星的軌道變得不尋常。在他生命的最後十年,羅威爾從未放棄尋找這個神秘的星球,但未能如願。在經歷了幾次神經崩潰後,羅威爾抱憾離世,享年61歲。

但他不知道的是,2021年,人們將再次踏上行星X的尋覓之旅,只不過此「行星X」非彼「行星X」。

錯誤的線索

尋找行星X的事業並未因羅威爾的去世而停滯。在遺囑中,他拿出一百萬美元用於這項未竟的事業。盡管中間發生了一些小插曲——與羅威爾的遺孀對簿公堂,但他的天文台一直在繼續尋找行星X。

僅14年之後,在1930年的2月18日,一位年輕的天文學家在觀察兩張星空照片時,注意到其中有一個小點。這是一個迷你的星球。後來,這位年輕的天文學家將其命名為冥王星。曾有一度,人們相信,這顆星球就是神秘的行星X。

若第九行星真的存在,為何從未有人見過它?

2006年,冥王星被降級為矮行星,為新的第九行星騰出位置。

可惜的是,它不是行星X。很快,科學家們發現,冥王星不是羅威爾要找的行星X。它的大小不足以使得海王星和天王星偏離它們的原有軌跡。冥王星只是偶然闖入了這片區域。

1989年,行星X的尋找事業遭遇致命打擊。當時,旅行者2號航天器飛越海王星時,發現這顆行星比大家原本設想的要輕一些。基於這一發現,NASA的一名科學家最後經過計算得出,外太陽系行星的軌道一直以來都沒有問題。羅威爾的行星X尋找事業,似乎註定是一場空。

然而,就在旅行者2號的發現終結了神秘行星觀點的同時,奠定行星X「復活」的基礎也在悄然積累。

旅行者2號的另一個重大發現是柯伊伯帶的存在。這個由冰凍物體組成的宇宙甜甜圈一直延伸到海王星的軌道之外,是太陽系內最大的特徵之一。柯伊伯帶十分龐大,人們認為,其中包含成千上萬個直徑在100公里以上的物體,以及多達一萬億顆彗星。

科學家們馬上意識到,冥王星不太可能是太陽系外緣唯一的大型天體。他們開始懷疑,冥王星到底是不是一顆真正的行星。接着,科學家們發現了「賽德娜」(約為冥王星大小的40%)、「創神星」(約為冥王星大小的一半)和「閱神星」(幾乎和冥王星一樣大小)。毫無疑問,天文學家需要一個新的名稱,來定義這一類天體。

2006年,國際天文學聯合會通過投票,同意將冥王星降級,並和其他新發現的天體一起歸類為「矮行星」。加州理工學院的行星天文學教授麥克·布朗,曾帶領團隊發現了閱神星,他自封為「殺死冥王星之人」。自此之後,太陽系第九行星的名額又空了出來。

捉摸不定的特徵

與此同時,這些物體的發現又揭示了尋找隱藏行星的重要新線索。

事實證明,賽德娜的公轉軌道和大家期望的有點不同。人們期望的是一個在柯伊伯帶之內,圍繞太陽呈橢圓形的軌道。然而,這顆矮行星的路徑有點異乎尋常,在近日點距離太陽76個天文單位(大約110億公里),而在遠日點則距離太陽900多個天文單位(大約1350億公里)。賽德娜的公轉軌道是如此曲折,以至於其公轉周期長達11000年。也就是說,上一回賽德娜運行到當前位置時,人類才剛剛開始發展農業。

若第九行星真的存在,為何從未有人見過它?

羅威爾在亞利桑那州弗拉格斯塔夫建造了一個天文台,以觀察火星文明。最終,這個天文台發現了冥王星。

這一切似乎在表明,有一股神秘力量在拖曳賽德娜,使其偏離了自己的軌道。

這就為我們的太陽系引入了一個新的假想成員,但和先前的假想成員不太一樣。2016年,廢除冥王星「行星」身份的麥克·布朗和同事康斯坦丁·貝提金(也是加州理工的一位行星科學教授)共同發表了一篇論文,介紹了一顆大質量行星,其質量大約在五倍到十倍的地球質量之間。

他們之所以得出這樣的觀點,是因為他們發現,賽德娜並非唯一一個公轉軌道異常的天體。另有六個天體,它們的軌道均向同一個方向偏離。當然還有其他線索,比如這幾個天體的自轉軸也都朝着完全相同的方向微微傾斜。布朗和貝提金通過計算認為,所有這六個天體受到同一個方向的引力影響並具有相同傾角的概率僅為0.007%。

貝提金說:「我們覺得,』這非常有意思——這怎麼可能呢?』這個現象非常神奇,因為如果只是與行星引力相互作用的結果,那麼只要時間足夠長,這樣的集中現象就會消失。」

對此,布朗和貝提金認為,第九行星或許在我們的太陽系外緣留下了神秘痕跡,其引力扭曲了周圍天體的軌道。幾年之後,符合偏心軌道模式與傾角的天體數量仍在不斷增加。貝提金說:「我們現在一共觀測到19個這樣的天體。」

雖然到目前為止,仍沒有人見過這顆假想的行星,但我們可以推斷出它的很多信息。就像柯伊伯帶之外的許多其他物體一樣,新的第九行星的公轉軌道也會十分扭曲,遠日點距離預期是近日點的兩倍,即600個天文單位(900億公里)和300個天文單位(450億公里)。科學家們還對這顆新行星的外貌進行了大膽猜測,可能和天王星或海王星類似,堅固核心之外,包裹着厚厚的冰層。

接下來就要回答一個棘手的問題:第九行星可能來自哪里?到目前為止,流行的觀點有三個。第一個觀點是,第九行星當前的隱藏位置就是其誕生之處。但是,貝提金認為這個可能性不大。如果是這樣的話,那麼早期的太陽系也得延伸到如此遙遠的位置。

也有人猜想,這個第九行星其實是外來的冒牌貨,是很久以前太陽仍處於其誕生的恆星團時,從其他恆星那里偷來的天體。貝提金說:「這個說法也站不住腳,因為下一次相遇時,其他恆星很可能會把這個冒牌貨要回去。所以,從統計學上講,這個模型存在問題。」

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海王星目前是我們太陽系中已知最遙遠的行星,但柯伊伯帶之外可能還藏着另一顆行星。

最後一個觀點最受貝提金看好,不過他也承認該觀點「未必完全可靠」。在這個假設中,第九行星誕生在十分靠近太陽的位置,彼時太陽系仍處於早期階段,且太陽系中的行星也剛剛開始從周圍的氣體和塵埃中成形。貝提金說:「可能一開始它就在大行星誕生的區域附近,漸漸地它被木星或土星擠走,然後路過的恆星改變了它的軌道。」

無人知曉的藏身之處

當然,以上種種猜測都指向一個更為直觀的問題:如果第九行星真的存在,為什麼從沒有人發現它?

貝提金說:「在我跟麥克一起用望遠鏡尋找它時,我才真正理解,尋找第九行星有多難。搜尋工作如此困難,是因為大多數天文研究並不是在尋找某個特定東西。」

例如,天文學家通常會尋找一類的物體,比如特定類型的行星。哪怕這類物體十分稀少,但是只要你搜索的范圍足夠廣泛,你總會發現一些蛛絲馬跡。但是尋找某一個特定物體——比如第九行星,就全然是另一回事情了。貝提金說:「整個天空中,只有在那一小塊的地方可能找到我們的目標。」貝提金還表示,合適的望遠鏡的預訂使用時間也是一個影響因素。

他說:「眼下,唯一可以用來尋找第九行星的設備是昴星團望遠鏡。」昴星團望遠鏡的主鏡直徑有8.2米,坐落在夏威夷休眠火山毛納基山山頂。該望遠鏡可以捕捉到遙遠天體的微弱光線。這使得昴星團望遠鏡十分適合用於尋找第九行星,因為該神秘莫測的行星距離太陽十分遙遠,反射太陽光的可能性很低。

貝提金說:「我們只有一台可以使用的設備,然而我們一年能使用這台望遠鏡的時間也不過三個晚上。」上周,貝提金剛剛「霸占了」該望遠鏡的三個使用夜晚。他說:「不過,好消息是,再過幾年,薇拉·魯賓天文台將投入使用。到時候,他們或許有機會找到第九行星。」位於智利的薇拉·魯賓天文台是目前正在建設中的新一代廣視野巡天反射望遠鏡,可以每隔幾個夜晚系統性地巡視夜空——拍攝整個視野,以研究夜空中的天體。

一個有趣的選擇

不過,也有一種幾乎令人難以置信的特殊情況。在這種情況下,我們或許永遠也找不到這顆所謂的第九行星。也許,它不是行星,而是一個黑洞。

若第九行星真的存在,為何從未有人見過它?

夏威夷的昴星團望遠鏡在搜尋第九行星的過程中,已經找到了太陽系中已知最遙遠的天體,綽號「Farfarout」。

芝加哥伊利諾伊大學物理學教授詹姆斯·安文說:「存在這樣一個物體的一切證據都跟引力有關。」安文和都靈大學的博士後研究員雅庫布·舒爾茨率先提出了黑洞假說。他說,雖然我們都知道行星可以施加強大的引力,但是「還有其他天體也可以產生引力」。

其他可以替代第九行星的合理假設,包括一小團超密實的暗物質或一個原初黑洞。鑒於黑洞是宇宙中最密實的天體之一,安文解釋說,完全有可能的是,一個原初黑洞扭曲了外太陽系遙遠天體的公轉軌道。

我們最為熟悉的黑洞往往包括「恆星」黑洞,其質量至少是三個太陽質量以上;以及「超大質量」黑洞,其質量可以達到數百萬或數十億個太陽質量。「恆星」黑洞誕生於垂死恆星自身的坍縮,而超大質量黑洞則要神秘得多——可能始於恆星簇的爆炸,然後通過吞噬周圍一切物質(包括其他黑洞等)逐漸累積越來越多的質量。

原初黑洞則不一樣。雖然從未被觀察到,但人們普遍認為這些原初黑洞起源於大爆炸後第一秒內形成的能量與物質的熱湯中。在這個能量不均勻的環境中,宇宙某些部分的密度更高,進而壓縮成質量與行星差不多、但體積要小很多的天體。

安文指出,隱藏天體為恆星演變而來的黑洞,這個可能性幾乎為零,因為這類黑洞本身也具有強大的引力。即便是最小的恆星黑洞,也有三倍的太陽質量。因此,如果是恆星黑洞的話,那就幾乎相當於有三個額外的太陽在擾動我們太陽系內的行星。簡而言之,如果是這種情況,我們早就觀察到異常了。

安文和舒爾茨說,恆星黑洞的可能性雖然為零,但原初黑洞的可能性卻是有的,因為原初黑洞的質量要小很多。舒爾茨說:「由於這些黑洞誕生於宇宙形成之初,形成這些黑洞的高密度區域可能非常小。因此,這個黑洞的質量其實是有限的,比恆星要小得多。原初黑洞的質量,甚至可能就幾磅,和一塊岩石差不多。」這更加符合人們對第九行星的質量推測——大約十個地球的質量。

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未發現的大質量行星施加的引力或許可以解釋矮行星賽德娜的不尋常軌道。

那這個黑洞是什麼樣的呢?我們應該為此擔心嗎?會不會比發現新的行星更令人興奮?

首先,即便是原初黑洞,它的密度也足夠捕獲任何光線。它們是黑洞的最真實形式。這意味着,這類黑洞不會被現有的任何望遠鏡觀測到。如果你望向一個原初黑洞,那麼它存在的唯一痕跡將是一個空白的虛空——繁星滿天的夜幕中一點微小的虛空。

這下事情真的棘手了。盡管這個黑洞的質量或許跟假設的第九行星質量接近——十倍的地球質量,但是它的大小可能跟一個橘子差不多。在廣袤的宇宙中找尋一個橘子,我們得另闢蹊徑。

到目前為止,研究人員的建議包括尋找物體落入該原初黑洞時所釋放的伽馬射線,或發射數百個微型飛船——如果我們足夠幸運的話,在足夠靠近這個黑洞時,它們會被引力吸引,並產生可檢測的加速度。

由於神秘的引力來自於太陽系邊緣最遙遠的地方,探測器必須得通過地基激光陣列發送,這可以使得探測器的速度達到20%的光速。如果飛行速度再慢一點的話,它們可能需要幾百年的時間才能到達潛在的目的地。這樣一個實驗,毫無疑問,需要數代人的努力。

碰巧的是,另一個雄心勃勃的任務已經在開發這些充滿未來主義的飛船。Breakthrough Starshot項目,旨在將飛船送往4.37光年外的南門二星系。

安文說,如果我們發現的是一個隱藏的黑洞,而不是一個冰凍的巨行星,我們就無需驚慌。他解釋說:「我們的銀河系中心就有一個超大質量黑洞。但我們從來不必擔心太陽系被吸進黑洞內,因為我們處於該黑洞周圍的穩定軌道上。」所以,即便一個原初黑洞會吞噬接近它周圍的一切物質,但我們的地球不在其中,其他內太陽系行星也不在其中。這些行星甚至都沒有機會接近該黑洞。

安文說:「這不像真空吸塵器。」他解釋說,對我們地球人來說,太陽系內有一個未被發現的黑洞,和有一個隱藏的行星,沒什麼區別。

不過,盡管恆星黑洞和原初黑洞本質上幾乎相同,但原初黑洞從未被發現,也沒有被研究過,而且尺寸上的差異或許會導致一些奇怪的現象。舒爾茨說:「我認為,小型黑洞比大型黑洞更加有趣。」

若第九行星真的存在,為何從未有人見過它?

2019年,事件視界望遠鏡(EHT)捕捉到M87星系中心的超大質量黑洞陰影圖像。

一個例子是非常形象的「意大利面條化」過程。人們經常用旅行到黑洞事件視界邊緣的宇航員來解釋這個過程。任何進入事件視界的物質——哪怕是光——都無法逃離。靠近這個邊緣的宇航員,會頭朝前先栽進去。雖然她從頭到腳可能就一米多,但作用在宇航員身上的引力差異之大,會將她拉成一條又細又長的意大利麵。

有趣的是,黑洞越小,意大利麵條化效應越顯著。舒爾茨解釋說,關鍵在於相對距離。如果你的身高是兩米,然後你落入一個距離原初黑洞中心只有一米的事件視界,那麼你的頭和腳之間的位置差異將比黑洞的直徑更大。此時,你承受的拉伸力,要比落入一個巨大的恆星黑洞事件視界時承受的拉伸力,大許多。

舒爾茨還說:「小黑洞也足夠奇特,更加有意思。」科學家已經通過望遠鏡觀察到意大利麵條化現象。當一顆恆星十分接近距離地球2.15億光年外的恆星黑洞時,這顆恆星被撕裂。但是,如果我們的太陽系內就有一個原初黑洞的話,天體物理學家將有絕妙的機會去近距離研究意大利麵條化的行為,以及其他現象。

那麼,貝提金怎麼看待人們長期以來尋找的第九行星其實可能是黑洞的這件事呢?貝提金認為:「這是一個很有創意的想法,而且我們也無法限定這個天體的性質。我覺得,這可能更像是我自己作為行星科學教授的一個偏見。不過,行星說似乎更普遍一些……」

安文和舒爾茨比較堅持原初黑洞說,並希望基於此開展實驗,而貝提金仍在努力尋找一顆巨行星,他的理由是在整個銀河系,質量與第九行星相當的天體類型最為常見。

他說:「與此同時,大多數繞恆星運行的系外行星,都位於這個奇怪的范圍內,比地球大但比海王星和天王星卻要小很多。」如果科學家真的可以找到這顆隱藏的行星,他們將有機會去研究銀河系中其他的相似行星。

當然,只有時間知道,這一次人們會不會成功。但是貝提金相信,他們的事業存在根本區別。他說:「對於提出的這一切假說,無論是他們想要去解釋的數據,還是他們用來解釋該數據的機制,都很不一樣。」

但是,不管是哪一種假說,我們對神秘的第九行星的探索已經改變了我們對太陽系的認識。在謎團解開之前,我們或許還會邂逅更多新事物。(勻琳)

來源:cnBeta