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第九行星到底存不存在?--《物理雙月刊》

  • 文/陳英同|中研院天文所博士後研究員

肉眼、望遠鏡、推理:這就是整個太陽系了嗎?

人類用肉眼觀察行星。圖/Pixabay

遠古以來,人類在深夜裏仰望天穹, 結合神話故事,想像出一百多個星座。就在這樣充滿故事但是顯少改變的夜空中,有幾個星點被古代天文學家發現了規律的週期運動,這就是我們現在所知道的太陽系行星,並且以最有名的幾個希臘神來命名,例如:阿波羅(Apollo)-太陽、維那斯(Venus)-金星、朱比特(Jupiter)-木星等等。

不過畢竟肉眼的能力有限,頂多只能看到視星等五等多的天王星(不過天王星不是肉眼發現的,是利用望遠鏡偶然發現的)。在中古世紀,人們覺得這七顆行星應該就是太陽系中所有的行星了(不過確定他們是繞著地球還是太陽轉,又是另一個很長的故事了)。

在1846年,數學及天文望遠鏡發展了一段很長時間後,天文觀測精確度以及計算能力都剛好滿足時,天文學家發現最外圍的天王星似乎在天空中有著不規則的運動,而且剛好可以假設一顆還未發現行星的重力擾動來解釋,也因此而發現了海王星。

海王星,發現!source:Wikimedia

有了這個成功的例子,天文學家開始利用相同的方法去找尋是否海王星外是否還有未發現的行星。在1930年終於發現了冥王星,這也是唯一美國人發現的行星(雖然我們現在知道冥王星被降級成「矮行星」,再也不是太陽系的行星了······)。

冥王星。source:Wikimedia

在這之後,人們「又開始覺得」這應該就是整個太陽系的模樣了,但是理論天文學家就不這麼覺得了。荷蘭天文學家揚.歐特(Jan Oort)首先在 1932 年左右首先提出長週期彗星的來源,應該是一個距離 20000 au (天文單位,地球到太陽的距離)的球狀雲團 ,也就是歐特雲。

庫柏(Gerard Peter Kuiper)跟艾吉沃斯(Kenneth E Edgeworth)在 1950年代時,提出了海王星外應該有個太陽系形成時,所殘留下來的原始行星盤的假說。費南德茲(Julio Fernández)與中央大學的葉永烜老師在 1987 年進一步用數值計算模擬推論出位於 35 到 50 au 應該要存在一個彗星帶或是行星盤,才能解釋短週期彗星的成因。有了這些理論的基礎,1992 年麻省理工學院的朱維特(David Jewitt)終於找到在發現冥王星 60 多年之後的第二顆庫柏帶天體1992QB1,並且開啟了海王星外天體的大航海時代。

在古柏帶已知天體,數據源自小行星中心。 在主帶天體顏色為綠色,而分散的天體為橙色。四個外側行星是藍色的。海王星幾顆已知的特洛伊為黃色,而木星的為粉色。分散在木星軌道和古柏帶之間的天體被稱作半人馬小行星。圖中單位為天文單位。底部明顯的缺口是由於很難把他們從銀河背景中分辨出來。 source:wikipedia

在 2006 年,任職於加州理工學院的布朗(Michael Brown),利用第一代的大視場天文數位相機,發現了絕大部分的比較亮或是比較大的庫柏帶天體,包含表面有水冰光譜的妊神星(Haumea)家族、推測是內歐特雲的賽德娜(Sedna, 小行星 90377),以及跟冥王星大小差不多的鬩神星(Eris)。鬩神星的發現也間接了否定了冥王星行星的定位,西方媒體也戲稱布朗是冥王星殺手。

在接下來的十年中,觀測天文學家利用更大的望遠鏡、更新更廣的電子相機,找到了超過二千個庫柏帶天體。由於離太陽越遠,太陽系原始物質的空間密度會越來越低,在近二十年的觀測裡,也並沒有發現其他會影響庫柏帶天體的天體。這時,大家又開始覺得,真正的太陽系應該就是這樣了:庫柏帶跟歐特雲中間應該沒有什麼大東西存在了。

第九行星,下一個就是你:但是你在哪裡?

自從賽德娜發現後十年,行星動力學一直無法很好的解釋它的來源與存在。由於它離海王星實在非常的遠,離海王星軌道最近的距離比海王星軌道還多一倍 (76 au v.s. 30 au),動力學模擬的結果也證明在46億年內(太陽系的年齡) 它都不會改變它的軌道,那它是如何跑到到那個位置的呢?

一般相信這個與世獨立的存在需要一些外力,例如漂流的恆星通過太陽系外、或是太陽形生成於星團中,而後才離開星團。但這些理論大多只能說是假設,缺少觀測上的支持。但是在這十年間,天文學家陸續找到數顆與賽德納很像的天體,並且發現這些天體的軌道傾角與近日點的位置有特別的趨勢(見圖1、2),但由於數量過少,這個領域的研究方向一直還未確定。就在去年的二月,加州理工學院的巴特金(Konstantin Batygin)與布朗敲響了第九行星理論的第一聲響,發表了一顆十倍地球質量行星位於 250 au 的理論模型。而這個模型剛好可以適當的解釋遠近日點的天體為何都偏向同一邊(見圖)以及傾角分佈,以及他們如何生成的。

圖1. 內歐特雲天體的近日點大都面向上方。圖/作者提供

行星科學界最重要的定期會議之一是美國天文學會下的 DPS (Division for Planetary Sciences)會議,在裡面接受報告的論文都是最新、最有影響力的研究結果,許多科學媒體也會參與會議,然後立即發出新聞稿。在這個會議中,巴特金受邀發表大會演講,接在他之後的數個論文報告,也都提出一些觀測上跟理論上的一些支持的論點,包含:

  1. 雪柏(Scott Sheppard)又找到數顆遠近日點的天體
  2. 太陽自轉軸的偏差能用第九行星來解釋
  3. 這些遠近日點的天體剛好在這顆推論行星的軌道共振點上。

當然,除了正方的結果,也出現了不少反方的研究,其中最重要的二個結果就是:

(1) 這顆行星的存在將會把現在所見的庫柏帶外的結構摧毀,

(2) 銀河盤面並沒有巡天資料,所以觀測上有明顯的偏差。

現在這個狀況,舉一個眾所皆知的例子,就像UFO到底是外星人太空船,亦或只是地球上的飛行器或者各種光影的組成而已?先不討論照片合成或是誤認,正方反方都能提出不少「說法」或是「間接證據」,但是現況就是我們並沒有確切的證據來證明UFO是外星飛船。

觀測天文學家與理論天文家存在一種微妙的關係:既競爭又合作。理論天文學家可以利用一些假設來預測現在技術看不到的東西或現象,觀測天文學家則是不斷用最新的科學技術去發現、或是證明假設是否正確。一但當科學技術進步到能觀測到應該要觀測的天體時,眾多理論在這時就是大審判的時候了。

目前許多國際研究團隊包含卡內基天文台、加州理工學院及日本國立天文台,都如火如荼地進行尋找第九行星的觀測工作,尤其是位於夏威夷的 Subaru 望遠鏡,由於它是目前口徑最大(八公尺)的大視場望遠鏡,所以擔任起許多重要的觀測工作。所以第九行星到底存不存在?相信這個問題在不久的將來就會真相大白了。

圖2:作者發現的內歐特雲天體-2010-GB174。圖/作者提供

本文摘自《物理雙月刊》39 卷 8 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站

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