天文太空

神秘行星X

在太陽系邊緣,或許藏有一顆比地球還大的謎樣行星,科學家正在爭論它存在的證據。

撰文/雷蒙尼克(Michael D. Lemonick)
翻譯/宋宜真

天文太空

神秘行星X

在太陽系邊緣,或許藏有一顆比地球還大的謎樣行星,科學家正在爭論它存在的證據。

撰文/雷蒙尼克(Michael D. Lemonick)
翻譯/宋宜真


重點提要
許多遙遠的冰凍天體以古怪的軌道繞行著太陽,某些科學家因此猜測,太陽系中尚有未知的行星。
他們表示,這項證據支持著至少存在一顆超級地球,而且運行軌道或許比海王星更遙遠。
這種天體由於距離甚遠且太暗,仍無法由現有的天文望遠鏡尋獲。但倘若它真的存在,更先進的望遠鏡或許就能探測到。


在冥王星之外,似乎有怪異的事情正在浮現。


20多年來,天文學家一直知道這顆小巧的矮行星在太陽系邊緣並不孤單:它是庫伯帶天體(KBO),是庫伯帶裡散佈的許多冰凍天體之一。然而有一群KBO與其他遊盪的夥伴不同,也與行星及繞行於火星和木星之間的眾多小行星不同。它們的運行軌道詭異,以不尋常的狹長橢圓軌道繞行著太陽,不像大多數行星,大致上都是圓形軌道。


這些行跡可疑的天體數量大約4~12個,端看你如何分類。它們一如大多數KBO,軌道平面皆與行星所在的平面相差某個角度,在軌道一側高於行星所在的平面,接著穿過此平面,在另一側沉到平面下方。但這幾個天體都別具特色,與KBO其他冰凍夥伴不一樣,都是在最接近太陽時穿過行星所在的平面。


或者說,這些天體的近日點角距(AOP)相近得湊巧,就連許多天文學家都覺得神秘。美國卡內基科學研究院的行星科學家謝柏德(Scott Sheppard)說:「一般而言,你會預期太陽系中所有天體的AOP是隨機的。」或許這幾個天體有相似的AOP是個巧合,但這種純屬偶然的事件,發生機率應該小於百分之幾,相當於拋擲錢幣10次,都是人頭朝上;這非常怪異,卻不是完全不可能。


但這10次人頭朝上也意味你的錢幣造假,這些KBO也是如此。某個因素有可能造成這些天體出現奇特的AOP,也許是藏身在太陽系邊緣的一顆巨大未知行星、質量遠超過地球:一顆超級地球(約2~10倍地球質量的固態行星)。倘若這個尚未發現的天體(我們稱為X行星)存在,軌道半徑至少是海王星距離太陽的10倍,這對於目前所有的天文望遠鏡而言,都太遙遠也太昏暗而難以觀測。然而,X行星的巨大質量也會對太陽系其他成員產生重力效應,或許可以解釋天文學家觀測到的奇特軌道。


卡內基科學研究院的行星形成理論學家凱博(Nathan Kaib)表示:「我們尚未掌握確切證據去指出該處有個行星等級質量的天體,但確實有我們無法理解的有趣現象正在發生。」越來越多天文學家把籌碼押在太陽系的超級地球,這樣的想法在過去一度視為可笑至極。一如凱博所言,X行星存在的證據仍在未定之天。很多天文學家對這種想法抱持懷疑,即使支持此可能性的天文學家,也表示尚未完全信服。在天文學的發展過程中,曾經出現數顆神秘行星,人類就是由其他天體的軌道異常,察覺這些行星存在的證據。其中有些證據最後成就了重大發現,有些則只是錯誤判斷。問題或許是,我們對太陽系的認識並不如我們以為的那麼多。倘若X行星確實存在,太陽系歷史的某些關鍵篇章都得全部重寫了。


越來越多行星


尋找太陽系未知行星的首度任務是在19世紀初,當時科學家逐漸確信一項證據:1781年天文學家赫雪爾(William Herschel)無意中發現,天王星的運行軌道與牛頓重力法則預測的並不一樣。幾名科學家斷定,這必定是某顆尚未發現的巨大行星重力所致。1846年,德國天文學家加勒(Johan Galle)果然觀測到海王星這顆氣態巨行星,發現的位置基本上是由法國同事勒威耶(Urbain Le Verrier)計算出。不過有足夠證據顯示,伽利略早在1612年便看到了海王星,他以一支粗糙的小型望遠鏡看到了模糊影像,並認為是天體。


20世紀初,美國波士頓的名流羅威爾(Percival Lowell)以亞利桑那州旗桿市的私人望遠鏡,開始尋找另一顆神秘行星。這項證據來自天王星和海王星的運行軌道異常,代表有顆氣態巨行星尚未現身。1930年,羅威爾天文台的年輕助理湯博(Clyde Tombaugh)便找到這顆行星,差不多出現在計算預測的位置。這完全重現當年發現海王星的情節。《紐約時報》於1930年3月14日寫道:「這個天體或許比木星大,在地球64億公里外,符合先前預測。」


但事實並非如此。不出數十年,我們便已明白,冥王星的體積遠不如木星,而且比月球還小。冥王星微弱的重力可能不足以解釋當時發現的軌道異常現象,況且後人檢視數據,也排除這個可能性,實際上天王星和海王星的軌道符合預測。照這情況來看,冥王星其實是誤判。


然而,綜觀全局,冥王星卻是異常重要的發現。1980年代,行星科學家開始懷疑,冥王星並非太陽系冰冷邊緣、獨自遊盪的行星,而是為數眾多、分佈極廣的KBO中最明亮的一員。1992年,我們由夏威夷的天文望遠鏡首度發現KBO(雖然後來的情況改變,冥王星是第一個被發現的KBO成員)。自此之後,研究人員陸續搜尋到1500個KBO,2005年發現的厄裡斯(Eris),體積足以媲美冥王星,質量則遠遠超過冥王星。厄裡斯的存在不只威脅了當時九大行星的地位,之後可能導致許多天體也要入列行星之名。隔年,國際天文聯合會(IAU)迅速把冥王星降級,瞬間從行星歸類為矮行星。


重組太陽系


庫伯帶的現身,讓天文學家重拾尋找X行星的信心,因為庫伯帶有助於解釋,這個未曾露面的天體如何落在距離太陽如此遙遠之處。電腦模擬顯示,庫伯帶的冰凍天體應該是在海王星軌道附近形成,必定是某種因素把這些天體撞擊得如此遙遠(稱為「散射」),抵達現在的位置。天文學家由觀測結果得出一套理論:由氣體和塵埃組成、環繞在新生太陽四周的「原生行星盤」,會形成新生的行星,這些冰凍天體就是在這之後的混亂時期遭受散射,飛到庫伯帶。


在這不安定的時期,木星、土星、天王星和海王星四顆氣態巨行星可能從原有的運行軌道遷移了上億公里,行星的重力便把KBO一起向外推擠。某些電腦模擬甚至指出,太陽系可能曾有第五顆氣態巨行星,當各個天體在混亂中尋找新的位置時,被彈射到太陽系之外。


倘若X行星存在,也可能在這個兵荒馬亂的時期向外飛去,這似乎非常合理。此外,過去數十年我們已找到約2000顆繞行著其他恆星的行星(稱為系外行星),其中經常有超級地球,因此我們可能再度發現有顆超級地球繞著太陽運行,看來也合乎情理。


猶他大學的布隆萊(Ben Bromley)與哈佛史密森尼天文物理中心的肯尼恩(Scott Kenyon)合作研究,布隆萊說:「我們抱持這樣的信念,進行了一些模擬,看看超級地球從現今木星和土星的區域散射出去後,會發生什麼事情。」在大多數模擬情況中,超級地球遭受撞擊後,沿著狹長橢圓軌道運行,而且越撞越狹長,直到完全撞出太陽系之外。但倘若散射發生得夠早,也就是大約在行星形成後1000萬年之內、原生行星氣體消散之前,布隆萊說:「那麼超級地球便可能與這些氣體因為重力作用,以大致圓形的軌道,在太陽系最邊緣處穩定下來。」


羅威爾便是根據這樣的推論,在20世紀初開始尋找那顆大質量的X行星,而且再回顧半個世紀前,加勒和勒威耶也是根據同樣推論,共同找到海王星。但是肯尼恩和布隆萊發現,還有另一種推論:超級地球或許在距離太陽200個天文單位(AU)的地方形成,也就是地球距離太陽(1億5000萬公里)的200倍遠。相較而言,海王星距離太陽大約是30AU。在如此遙遠之處,唯有足夠的岩石和冰粒繞行著太陽,才有可能形成行星。


沒有直接證據顯示,我們的太陽系發生過這樣的事,但有足夠的證據顯示,這樣的事發生在與太陽系十分相似的行星系統中。肯尼恩表示:「你看看與太陽系相似的行星系統,其中有些行星系統便有殘餘物質出現在距離該恆星200AU一帶,因此並非史無前例。」他又說,即使目前沒有證據顯示,在鄰近行星系統中距離其恆星200AU處確實曾形成超級地球,「但至少那裡有基本材料。」10多年前,肯尼恩和布隆萊著手進行這項計畫時,所有模擬都僅是純粹推測。當時沒有任何跡象顯示,超級地球確實就在那裡。