X行星之謎

星期六 2008/1/12 新科學人

 

海王星之外發生奇怪的事物,說是冥王星又太過微不足道。Govert Schilling說,是時候打電話給星球搜捕者了。

兩年前,太陽系失去了一顆行星。冥王星被認為太微不足道了,不能與火星,木星和其它行星一起並列,並被降為矮行星。冥王星不備受支持使我們只剩下八個真正的行星。但對於太陽系所失去的,Patryk Lykawka現在有取而代之的希望。

日本神戶大學的天文學家Lykawka懷疑,隱藏在冥王星之外,有第九顆行星和地球一樣大。到目前為止,這個寒冷的“超級冥王星”沒有被檢測到。但是,Lykawka希望不會長久。“在五年左右的時間內,我們肯定會知道它是否存在。”

多虧古柏帶中許多令人費解的特徵,Lykawka已經確信這個星球的存在,古柏帶是外太陽系的冰冷小星體分佈圓盤狀區域,其中冥王星是最大的天體之一。

 

他並不是唯一一個認為那裡有別的行星的人。“文獻中也有類似的提議,”位於圖森的亞利桑那大學的Renu Malhotra說,“但Lykawka研究得更全面,我認為他的想法應得到公平的關注。”

算出一顆新行星的呈現,需要多方嘗試和測試方法,來解釋令人困惑的觀察。在19世紀,預測海王星的存在是根據天王星軌道的不規則性。過了許久,美國天文學家Percival Lowell認為,天王星和海王星軌道上的一些差錯可能就是他稱為X行星的東西造成的。1930年,Lowell發起的搜索導致了Clyde Tombaugh發現冥王星。

當冥王星的質量太小而不能對天王星和海王星足夠強烈地拖曳時,便開始掃視搜尋太陽系外漆黑區域的其它未知行星。日漸複雜的觀察顯示,天王星和海王星的軌道實際上沒有任何異常現象,但遙遠的,看不見的行星存在仍被證明是不能壓制的。到目前為止,更大的望遠鏡,更好的探測器和更全面的調查還是空手而歸,但實際上沒有人能夠排除可能性,超出觀測範圍之外有一個難以捉摸的行星存在。對X行星的搜捕仍在繼續。

 

X行星的證據在海王星外側,海王星的運行軌道距離太陽,大約是地球距離太陽的30倍。這是古柏帶邊緣的開始,以天文學家傑拉德‧古柏(Gerard Kuiper)的名字命名,他在1950年推測該區域應該包含太陽系形成過程中所遺留下來的小行星體分佈帶。該區第一個發現的天體是由Dave Jewitt和Jane Luu於1992年在夏威夷的茂納凱亞山天文台發現的,此後已發現超過1000個。

雖然大多數已知的古柏帶天體僅僅是幾百公里的冰塊,有些甚至大到1000公里。迄今為止最大的被稱為鬩神星(Eris),直徑為2400公里,比冥王星重27%。2003年由麥克‧布朗Mike Brown, Chad Trujillo 和 David Rabinowitz在帕洛瑪天文台發現,這促使國際天文學聯合會定義了“行星”一詞 – 這一舉動導致冥王星的降級。 

雖然它們不引人注目,但眾多冰塊小星體提供的線索,讓行星搜獵者重回搜尋軌道。第一條線索來自古柏帶不尋常的鋒利外緣,距離太陽約50個天文單位AU(1 AU是太陽至地球的平均距離,約1.5億公里)。這裡,被稱為古柏間隙 (Kuiper cliff),古柏帶天體(KBO)的數量急劇下降。 第二條線索,古柏帶本身包含不同的冰冷岩石群,至少有三個非常不同的軌道。Lykawka說,有些東西塑造此古柏帶結構,並且很可能是X行星。

我們從土星環了解到,當小天體組成的軌道環面具有一個尖銳的動力井效應,此效應如同遠方的一個大星體。在一個大範圍的類似現象是否會造成古柏間隙?倫敦瑪麗王后大學的Mario Melita和阿根廷國立拉普拉塔大學的Adrian Brunini在2002年提議可以。他們提出X行星的存在並且至少與火星一樣大,離太陽大約60 AU(新科學人,2002/12/14日,第30頁)。但兩年後,當Melita看得更仔細時,他發現了一個問題。他與倫敦大學和貝爾法斯特女王大學的天文學家合作,發現他提出的X行星無法解釋所有古柏帶的錯綜複雜的特徵。

 

Lykawka現在已經通過電腦模擬進行了追踪調查,結果表明,如此接近古柏間隙的大行星,會在古柏帶中的許多其它天體之間,比實際情況產生更多的干擾。

而這還不是全部。古柏帶中的一些冰冷岩塊與海王星同步繞著太陽。冥王星是一個很好的例子:在海王星繞太陽運行三次的時候,冥王星已經走了兩次 – 它與海王星“共振”。Lykawka已經證明,Melita和Brunin所提及的X行星的額外引力拖曳會破壞這種微妙的軌道穩定性,並且會留下比我們實際看到的數量少得多的古柏天體共振。

“我的模擬也排除了許多其它對X行星的提議,”去年在神戶大學完成博士研究的Lykawka說。 “它們都不符合我們對古柏帶動力學的了解。”

儘管如此,證明一個尚未發現的行星,這誘惑對於Lykawka來說太強大而不能放棄。 而且一個更遙遠的X行星可能還可以解釋古柏帶中其它的奇怪特性,包括在主要部分內有一群天體,這些天體具有高度拉長的軌道並且以不規則的角度環繞太陽。

 

一些天體的奇怪行為甚至比古柏帶主要部分需要更進一步解釋。以賽德娜 (Sedna)為例,這是一個超過1000公里的物體,其伸展的軌道從距離太陽最遠975 AU,然後回到最近距離76 AU。賽德娜並不是唯一一個“獨立”的天體 – 一個永遠不會接近海王星的天體 – 因此,一個X行星能使它們落在它們奇怪的軌道上,也能解釋其它古柏帶的奇怪之處嗎?

Lykawka與他的同事Tadashi Mukai合作找出答案。“我以為這很容易”,他說,“但事實並非如此。”使用大規模電腦模擬,這模擬了X行星需要採取的路徑,以證實古柏帶發生的已知特性。我們對太陽系早期的最佳理論表明,許多小天體的碰撞和聚集形成了許多靠近太陽的胚胎行星。大多數這些火星或地球大小的天體進一步聚集成巨行星如木星、土星、天王星和海王星,它們最終從出生地遷移出來到太陽周圍。與剛開始發展的巨型星們相互引力作用導致其它星體 – 包括Lykawka和Mukai的X行星  – 被拋擲到遙遠的軌道。

根據他們的模型,X行星被一個年輕時的海王星拋射到太陽系外圍的一個拉長的軌道上。它的重力激起了古柏帶,掃除部分碎屑,形成了古柏間隙。Lykawka和Mukai為X行星提出的軌道歷史第二階段,也源於已確立的行星遷徙理論。海王星形成數千萬年後,它與外太陽系零碎天體的引力相互作用導致行星向外緩慢漂移。隨著遷移,它捕獲並將古柏帶天體掃入共振軌道。這種機制通常被認為是大量古柏帶天體存在的最佳解釋,包括冥王星,它與海王星共振。

 

不知名因素

根據Lykawka的說法,海王星的遷移將X行星推向了遙遠的共振軌道。藉由安頓在100AU到170AU的平均軌道上,X行星足夠遠,可以不受干擾於大多數在共振軌道的其它天體,但又有足夠接近的引力,以創造像賽德娜這樣單獨的天體。

最後,Lykawka和Mukai認為,與形成行星周圍小衛星軌道,同樣微妙的引力互動,在X行星軌道的演化中起了很大作用。1962年,日本天文學家Yoshihide Kozai在觀察小行星軌道時發現了這些相互作用。他指出在同一平面軌道運行的一組大型天體能造成較小天體的路徑傾斜並使其路徑變得更圓。這可以解釋為什麼X行星不再接近古柏帶。

現行Lykawka的X行星需要1000到2500年才能完成一周繞太陽的軌道,而冥王星只要248年。它距離太陽永遠不會小於80AU,它的軌道傾角可能與主要行星所佔據的平面相差40度。

Lykawka和Mukai的行星見解可以解釋古柏帶的結構嗎?也許。“從動力學的角度來看,似乎是合情合理的”,行星遷徙專家Malhotra說。 “他們的提議並非完全沒有問題,但它有一些顯著的優勢。我非常支持這個想法。”

天文學家Jewitt也認為這個想法是合理的,儘管他抱持保留態度。“問題是我們對外太陽系如此無知,以至於許多事情似乎都是合理的,即使它們不是真的。”

其他動力學家更為批判性。當Lykawka去年10月在美國天文學會行星科學分會的年度會議上提出他的想法時,Alessandro Morbidelli,來自法國尼斯的蔚藍海岸天文台Côted’Azur Observatory,認為他整個想法都是人為的。“Lykawka沒有提到他正在迫使這個行星的運行與他所需要的相匹配。”

來自科羅拉多州波德市西南研究院,Morbidelli的同事Hal Levison對此表示贊同。 “Lykawka人工操作他的行星來捏塑古柏帶。我不相信那會以他描述的方式發生。”

 

Morbidelli,Levison和他們兩位同事已經為太陽系的早期歷史發展了一個截然不同的理論。被稱為尼斯模型,以法國城市尼斯命名。他設想木星,土星,天王星和海王星形成的距離原本比今天更加緊密,在軌道上隨著時間的推移而變化,最終引發一系列戲劇性的干擾和劇烈的碰撞,這改變了四個大行星的軌道以及無數的小行星和冰矮星。

他們聲稱它成功地解釋了巨行星的軌道,在木星繞太陽軌道周圍分佈的小行星存在,以及一個稱為“後期重轟炸期”的狂暴時代,它在形成後擾動內太陽系約7億年(新科學人,2006/11/28,第40頁)。

 

在一篇尚未發表的新論文中,Levison,Morbidelli和同事們也引用了尼斯模型來解釋古柏帶的特性,而不需要X行星 (www.arxiv.org/abs/0712.0553)。根據他們的理論,第一個冰冷的微行星形成的塵埃盤很小並且有一個尖銳的外緣,可能是越過的星星掃過的結果。他們說,由於巨星遷徙的引力作用,古柏帶形成之後再整體擴張。

Levison和Morbidelli承認他們的模型有其自身的問題。它計算出古柏帶中大多數物體的軌道,應該要比觀測顯示的延長更遠,並且很難解釋已知的極度傾斜軌道物體。團隊考慮了這些小問題,然而他們說:“我們認為,我們模型的成功遠超過剩下來的問題。”

Levison認為,如地球一半大的行星雕塑了柯伊伯帶,並不合常理。他認為,巨大冰碎屑環會產生倒退反應,這會將Lykawka和Mukai的設想的X行星從軌道上拉下來。“最終行星應該在距離太陽不到70億公里(50 AU)的圓形軌道上,”Levison說。

Lykawka沒有被Levison和Morbidelli的批評所打擊。“他們評論地過早且不平衡,”他說。“我正在計劃更逼真的模擬,以更詳細地研究。”

X行星真的存在嗎? 布朗指出,他對大型古柏帶天體的搜捕遠未完成。“Lykawka的行星是否可能被錯過?很容易,”他說。 Jewitt同意。“考慮到缺乏發表一致的深空測量,人們幾乎可以將任何東西放在外太陽系中,並逃脫檢測直到現在。”

即將開展更全面的調查應該能消除這些不確定性。敏感的、寬廣視野的望遠鏡,如夏威夷的泛星計畫(Pan-STARRS),亞利桑那州的探索頻道望遠鏡,以及智利的大型綜合巡天望遠鏡,將很快掃描天空,不會錯過任何星體或太空岩石。

“我總是像Lykawka這類理論的粉絲,就這樣,”布朗說,“僅僅是因為他們繼續希望能在那裡找到一些重要的東西。但是如果像泛星計畫這樣的大型測量還沒有找到的話。我認為必須放棄。“

和以往一樣,天文學家將做出最終裁決。“當我們完成一次合適的全天空測量時,我們將知道這種類似火星的天體是否存在於Lykawka描述的軌道類型中,”Jewitt說。 “那將會是 故事的結尾。”

 

 

未知星球-要探尋什麼

Patryk Lykawka和Tadashi Mukai的X行星是一個由冰和岩石組成的“超級冥王星”。它的質量相當於地球的30%到70%,但密度要小得多,它的直徑與地球相似 – 可能在10,000到15,000公里之間。

距離太陽100到170AU時,落在行星上的熱量和光將極度地少,因此行星會完全凍結。 在這樣一個寒冷的世界裡生活是不可能的。

根據國際天文學聯合會的規定,行星X是否有資格認定為真正的行星?也許。它圍繞太陽運行,在它自身的引力作用下它會是足夠大的球體,並且幾乎肯定有足夠的質量來掃過其軌道附近的碎片。太陽系最終可能有九個行星。

 

© Govert Schilling

參閱更多IJsdwergen of Pluto

來源: http://allesoversterrenkunde.nl/!/!/!/!/actueel/artikelen/_detail/gli/the-mystery-of-planet-x/

引用自: http://2012portal.blogspot.com/2016/01/planet-x.html

 

翻譯:Lillie Y.

 


Cobra: 由於Patryk Lykawka的論文實在太接近真相,這篇論文並不像麥克‧布朗最近發表的文章一樣,獲得國際媒體的關注。為了幫大家溫習記憶,以下是昴宿星人提供的X行星真實物理數據:

平均半徑:  7,500 km

質量:  0.76個地球質量

半長軸:  70 AU

傾角:  40 degrees

軌道離心率:  0.25

 X行星的地核是由岩石組成。地函是結冰的水。星球表面覆蓋著一層薄薄的甲烷冰層。如果我們用太空探測器從遠距離觀測X行星,我們會看到銀藍色的星球表面、大面積的平坦地形以及好幾處地質活動頻繁的冰火山群落。如果太空探測器的相機近距離用每像素超過10公尺的畫質拍攝,它會發現地表某些地方有奇特的高反光三角形。這些三角形物體是抵抗運動以及銀河聯盟艦隊地下基地的玻璃天花板。

關於X行星與抵抗運動: https://www.golden-ages.org/2016/12/31/x/

 

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