在這篇來自《環球科學》2025年2月新刊的文章中，我們將跟隨羅賓·喬治·安德魯斯的講述，看看太陽系中是否仍有我們未發現的行星？
大多數天文學家都希望能發現行星，而邁克·布朗（Mike Brown）大概是唯一自豪於終結一顆行星的人。因為他的研究，冥王星從太陽系“行星聖堂”中被除名。公眾紛紛對此表示不平——你怎能修改我們的童年？你怎能搞亂天文館的井然秩序？
約10年前，布朗的女兒（當時10歲左右）給了他一個“贖罪”的建議：找到另外一顆行星作為補償。“聽她這麼說，我有點想笑。”布朗說，“我心想，‘這不可能！’”
然而，布朗現在倒是真的有可能實現女兒的願望。他和其他科學家在過去十年中獲得的證據顯示，外太陽系正在發生一件怪事：遙遠小天體的軌道似乎被某種未知來源的引力所雕飾、排布。布朗認為，這引力就來自太陽系的第九顆行星——一顆質量介於地球和海王星之間的行星。
迄今為止，還沒有人發現這顆行星。即使第九大行星確實存在，也會因為它太遠、太暗，任何現有的望遠鏡幾乎都無法發現它。但這種情況即將改變——在智利，薇拉·魯賓天文臺的機械巨眼（8.4米口徑的光學望遠鏡，原稱“大型綜合巡天望遠鏡”，縮寫為LSST）即將迎來初光（望遠鏡建成後第一批觀測稱為初光）。屆時，從遙遠的超新星到地球附近的近地小行星，薇拉·魯賓天文臺將捕捉到數以百萬計從未被探測過的天體現象。特別重要的是，該望遠鏡將看見冥王星附近及更遠處數以萬計的太陽系新天體。
如果布朗口中這個暗藏的行星真實存在，薇拉·魯賓天文臺幾乎肯定能直接找到它，或者找到有力的間接證據證明其存在。北愛爾蘭貝爾法斯特女王大學的行星天文學家梅根·施萬布（Megan Schwamb）說：“薇拉·魯賓天文臺開始觀測的一兩年之內，我們將得知這個問題的答案。”或許，太陽系將再一次擁有第九顆行星。
第九行星的線索
1930年發現的冥王星一直被認為是孤懸於太陽系邊緣的獨行客，但21世紀初，天文觀測者發現它其實有夥伴。人們對太陽系黑暗邊疆的持續搜尋，使得類似冥王星的冰霜覆蓋的天體紛紛現身。2005年，在美國加州理工學院任職的布朗和兩位同事利用加利福尼亞州帕洛瑪天文臺發現了一個遙遠的星球——鬩神星，它最終改變了我們對太陽系的認知。
鬩神星非常遙遠——它與太陽的距離是地球的68倍。它的直徑約2400千米，比冥王星略大一點。“那天，我發現鬩神星並算出了它可能有多大，當時我就覺得，‘好吧，好戲開場了，’”布朗說。要麼鬩神星將成為一顆新行星，要麼冥王星並非我們一直認為的那樣（是一顆行星）。
2006年，國際天文學聯合會透過官方決議，天體若要獲得行星資格，它必須圍繞恆星執行，質量必須大到足以靠引力將自身擠壓成球形，並且執行軌道必須被清空。冥王星與附近一群相對更小的天體共享軌道，未能跨過定義的第三條門檻。冥王星自此成了一顆“矮行星”——但它和它那些遙遠夥伴們對天文學家的吸引力，並沒有因為它的降級而降低。
冥王星和鬩神星都屬於柯伊伯帶，這是一個形似甜甜圈的環狀區域，其中充滿了太陽系形成時遺留下來的冰冷碎片。柯伊伯帶中與冥王星和鬩神星相似的天體數不勝數，統稱為海王星外天體，但它們卻很難被看見。
儘管如此，21世紀初，布朗和另兩位鬩神星的共同發現者——美國北亞利桑那大學的查德威克·特魯希略（Chadwick Trujillo）和耶魯大學的戴維·拉比諾維茨（David Rabinowitz），還是發現了不少這樣的天體。2004年他們披露了其中一顆名為賽德娜的天體。該天體與太陽最近的距離是76個“天文單位”（記為AU，相當於地球與太陽之間的平均距離）。這是個遙遠到難以置信的距離，站在賽德娜上面的人用一個針頭就能遮住太陽。在當時，這是太陽系中發現的最遠天體。實際上，它處於柯伊伯帶外，只是一個在恆星背景間移動的、勉強可見的模糊小點。有人將賽德娜稱為極端海王星外天體（extreme trans-Neptunian object，簡稱ETNO）。儘管ETNO還沒有非常明確的定義，但它們將在行星九（行星九也被稱為行星X，此處X代表未知）的傳奇故事中扮演關鍵角色。“賽德娜是暗示行星九存在的第一個線索，儘管我們當時並沒有意識到，”布朗說。
賽德娜的軌道極其扁長，一定是有某種引力作用將它們安置到那裡，並造就其圍繞太陽的怪異軌道。但這個引力源是什麼？它們如此遙遠，以至於巨行星（包括離得最近的海王星）的強大引力場對它們都沒有任何顯著的影響；唯一能影響它們軌道的似乎只有太陽。
“這些天體處在一片死寂的區域，”美國華盛頓特區卡內基科學中心的天文學家斯科特·謝潑德（Scott Sheppard）說。他和另外一些人都認為必須找出一個看不見的引力源來解釋這些反常的空間旅行者。2014年，謝潑德和特魯希略提出，賽德娜等天體之所以有如此遙遠的軌道，可能是因為有一顆隱秘的行星（質量為2到5倍地球質量）在拖拽著它們，隨著時間的推移逐漸改變了它們原初軌道的形狀和位置。
檢驗這一說法是否屬實的最好方法，就是將這些ETNO和它們的軌道“作為外太陽系的引力源探測器”，謝潑德說。布朗覺得這個想法非常有吸引力，他將謝潑德和特魯希略2014年的研究成果介紹給了加州理工學院的天文學家康斯坦丁·巴特金（Konstantin Batygin）。如果說布朗善於觀測夜空，那相對而言巴特金就是一名理論家，他總是想搞清楚太陽系如何演變成今天我們觀測到的狀態。“我非常樂於解決觀測中的謎題，”他說。“最令我激動興奮的是拿出計算結果，讓它接受觀測資料的挑戰和測試。”
布朗和巴特金的數值計算模型表明，唯一合理的可能性是存在一顆隱藏行星，它的質量為5到10倍地球質量，軌道距離為700 AU。這顆行星大概是在太陽系混沌的早期從較溫暖的區域流放出來的，最終僥倖抓住了太陽引力的救命繩。它在遙遠的黑暗中踽踽獨行，引力影響了附近經過的六個天體，將它們趕入彼此相似的奇怪新軌道。
自2004年發現賽德娜以來，曾多次出現對這顆大行星隱士的猜測。但在2016年，布朗和巴特金髮表的計算結果無疑為出征吹響了號角：我們確信行星九就在那裡，現在需要做的只是找到它。
不存在的可能
尋找隱秘行星這事，本就非同尋常。施萬布說：“太陽系有多少顆行星，這應該是個簡單的問題，對吧？但事實並非如此！”
找到第九顆行星可是件大事。除了能給那些仍在為冥王星降級而難過的公眾以安慰，還有可能改變我們對太陽系歷史的認知。施萬布說：“柯伊伯帶中及其外側的所有天體都是行星形成後的殘餘物，它們能向我們提供那段基本上已從太陽系中被抹去的隱秘歷史。”行星可能在離太陽如此遠的地方形成，還是隻能在形成之後再遷移到那裡？大多數圍繞其他恆星的行星系統中都有某種“小海王星”（指質量小於海王星、但大於地球的行星）。施萬布說：“我們太陽系中卻沒有找到這樣的行星，這可是很奇怪的。”
如果行星九確實存在，它將會比地球大——布朗猜測其質量最可能是地球的7倍左右。它的距離太遠，超出了大多數望遠鏡的探測能力。一般來說，望遠鏡要在兩種選擇之間做取捨：要麼有寬大的視場可以一次覆蓋更大的夜空範圍，要麼用更大的鏡面在較小的視場內收集更多的光線，從而看到遙遠而微弱的天體。而太空如此廣闊，試圖透過不斷深入、放大每一小塊區域以期找到一個天體，成功的可能性是很低的。
許多天文學家——不僅僅是布朗、巴特金、謝潑德和特魯希略——都嘗試過搜尋行星九。這些搜尋工作發現了更多的ETNO，包括2015年萬聖節前發現的“哥布林”、“好遠”和“好好遠”（哥布林是歐洲民間傳說中的小妖怪，該天體臨時編號為2015 TG387，取其中TG作為首字母稱其為The Goblin，現正式名稱為Leleākūhonua；“好遠”英文為Farout，其發現時距離太陽123 AU；“好好遠”英文為FarFarOut，發現時距離太陽132 AU）。雖然它們都是有益於行星九獵手們分析該行星位置的“引力源探測器”，但行星九本尊仍未現身。
當然也還是有一種可能：天文學家找不到行星九，不是因為它藏得好，而是因為它根本不存在。過去的十來年中，湧現了多種不同的假設，都試圖解釋賽德娜及其夥伴們奇怪的軌道聚集現象。
其中一種假設認為：行星九確實存在，但它沒有典型行星的特點——它的個頭可能很小（只有火星大小），並且也不在太陽系最外層邊界處。2017年，美國亞利桑那大學的軌道動力學專家凱瑟琳·沃爾克（Kathryn Volk）指出，多個海王星外天體的軌道暗示柯伊伯帶記憶體在類似火星的天體。但此後，對其他遙遠天體的後續觀測資料削弱了他們的假設。儘管在天文學會議上，類火星行星九的可能性仍在被討論，但沃爾克本人現在對此持懷疑態度。她說：“它和更典型的行星九理論模型一樣，可能兩個都是錯誤的。我認為任何現有的預測都不對。”
2020年，科學家提出，原始冰碎屑形成的環，只要質量足夠大，它們的引力影響也可能導致幾個ETNO形成當前的軌道。但布朗注意到，一些恆星周圍存在傾斜的冰雪環狀結構（此處“冰雪”或“冷”指這些環距離宿主恆星遙遠，其組成物質可能溫度較低且富含揮發物），但這些環之所以能穩定存在，反而是因為受到大質量行星的引力作用。所以，用這種環狀結構來解釋ETNO軌道，其實比只用行星九來解釋還要複雜。
還有人提出，太空中路過的恆星或流浪行星也可能在很久以前就將賽德娜及其夥伴們拖到當前的怪異軌道。2019年，甚至有研究人員懷疑“罪魁禍首”可能是一個微小的黑洞。當我向布朗求證這種可能性時，他笑著說：“這個黑洞我有！”他離開了一會兒，再次現身時手裡拿著一個排球大小的球體。他說：“這就是一個七倍於地球質量的黑洞，我的一個學生用3D列印做給我的。”
如果要爭辯的話，行星九面臨的最大挑戰是賽德娜及其夥伴的軌道可能根本就不奇怪。天文學家本來就看不清太空的所有區域。如果某個天文臺冬天的天氣比較惡劣，受此影響夜空中某個角落的資料就會不足。ETNO運動時，其神秘軌道的大部分都非常遙遠，只有當最接近太陽時，它們才會在陽光照耀下微微發光。此外還有銀河對觀測的干擾——太陽系位於銀河系的一條旋臂上，當我們看向銀河系內部時，我們看到的只有恆星的星光。星光雖然很美，但對天文學家來說卻可能是個麻煩。“誰也沒法在銀河系方向找到海王星外天體，”加拿大里賈納大學天文學家薩曼莎·勞勒（Samantha Lawler）說道，“你要找的是小小的、模糊的、移動的光點，當背景中有如此多的恆星時，找到它們就更困難了。”由於天文學家至今發現的柯伊伯帶天體和ETNO太少，一些對行星九假說持懷疑態度的科學家認為，我們目前根本沒有足夠的資訊來判斷像賽德娜這類天體的軌道，到底是真的奇怪還是暫時看起來奇怪。
爭論的關鍵在於，我們面對的是小樣本統計：已知的海王星外天體數量太少，天文學家無法確定哪種統計結果為真。美國華盛頓大學天體物理和宇宙學資料強化研究所的天文學家佩德羅·貝爾納迪內利（Pedro Bernardinelli）表示：“不可知論的觀點是我們沒有足夠的資料來證明到底有沒有行星九。而我比較肯定行星九不大可能存在，但我相信不去搜尋它也挺傻的。”
值得慶幸的是，這種搜尋即將變得比以前更加容易。
即將出現的答案
2024年5月，一臺3噸多重、轎車大小的相機從美國加利福尼亞的建造工廠被搬到了智利的一座山頂。經過10小時的飛行和幾天的山路顛簸，這臺擁有32億畫素、世界最大的相機完好無損地到達了塞羅帕瓊山脈2700米高的峰頂。如同皇冠上最珍貴的那塊寶石，這臺價值1.68億美元的相機準備安裝到即將完工的薇拉·魯賓天文臺上。
即將開放的薇拉 · 魯賓天文臺，位於智利塞羅帕瓊山脈的頂部。
薇拉·魯賓天文臺將在2025年初迎來初光。得益於其巨大的視場，魯賓天文臺將夜復一夜地拍攝整個南半球可見星空的影像。其如一座房子般大小的主鏡結構將能收集極其遙遠的星光，這意味著幾乎所有閃爍或移動的微光都將被拍攝到。
薇拉·魯賓天文臺由美國國家科學基金會和能源部資助，以已故的偉大天文學家薇拉·魯賓（Vera Rubin）的名字命名。她觀察到恆星和星系之間結合的緊密程度無法僅用可見物質的引力解釋，這為暗物質的存在找到了有力的證據。以她命名的天文臺恰好將用來尋找大量暗藏的天體，從遙遠的坍縮的恆星到數以百萬計的小行星、甚至包括太陽系中一眾來自恆星際的天體。
現在，人們對柯伊伯帶的天體數量和柯伊伯帶的結構所知甚少，薇拉·魯賓天文臺將清楚地闡明這一問題。經過近四十年的搜尋後，天文學家已經在柯伊伯帶發現了大約4000個天體。華盛頓大學的天文學家馬里奧·尤里奇（Mario Jurić）說：“有了薇拉·魯賓天文臺，這個數字應該會增加到40 000左右。”我向布朗提起這件事，他笑著說：“啊，誰在乎那些？”他只對行星九情有獨鍾，而他認為薇拉·魯賓天文臺很可能會找到它。
具體而言，為了實現魯賓天文臺的眾多科學目標，天文學家為天文臺的巡天觀測制定了基本全自動化的觀測策略。在其他望遠鏡上，天文學家可以直接申請望遠鏡的觀測時間，但在薇拉·魯賓天文臺上卻不行。自動化的演算法將處理魯賓天文臺的觀測影像，生成目錄，然後釋出給科學界。
對於太陽系，天文學家看到的將是一個充滿移動天體的列表，其中既包括已知的天體又包括以前未發現的所有移動天體，所有軌道引數則是根據魯賓天文臺當前的觀測結果計算得出的。對於尋找行星九的研究人員而言，可以利用新發現的海王星外天體，檢驗支援該行星存在的證據到底是在累積還是在崩塌。
拋開最壞的情況，天文學家預計尋找行星九的任務將能在幾年內完成。地球（和薇拉·魯賓天文臺）一年繞太陽一圈，只有惡劣天氣會阻止搜尋工作，雖然糟糕的冬季可能讓一個月的觀測無法覆蓋全天，但到下一年望遠鏡總能找到新的搜尋機會。
“找不到行星九的時間每多一年，它真實存在的機率都會急劇下降，”尤里奇說。幾年之後，對多數天文學家來說，行星九的存在（或不存在）將不會有任何疑問。薇拉·魯賓天文臺實在是“理想的行星獵手”，施萬布說，“我不認為世界上會有其他望遠鏡能夠做到這一點。”
本文摘自《環球科學》2025年2月刊：《隱匿的第九大行星》
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