来源:牧夫天文

  在过去的几十年里,虽然人们对太阳系愈发了解,但我们仍面对着许多未解之谜,其中之一就是太阳系内是否存在着一个距离极远的、巨大的第九行星。

  没有人见过这颗行星的真面目。目前我们也只是根据一群绕太阳运行的小天体的轨迹作出推断。这些天体到太阳的距离是地日距离的250倍,因此被称为e-TNOs,海(海王星)外天体。由于这些e-TNOs不寻常的集群轨道,人们引入了第九行星的概念,并认为是这颗尚未被发现的行星引力导致了e-TNOs的异常运动。

  最近,天文学家发现了一个拥有“九号行星”的系统,该发现为这一假说注入了新的活力。

  这颗名为HD 106906b的行星绕着336光年外的一个双星系统运行。它的质量约为11个木星,轨道半径是地日距离的730多倍。

目前根据14个e-TNOs的轨道,猜测出第九行星的公转轨道(浅绿色)。Credit: Tomruen – Own work, CC BY-SA 4.0目前根据14个e-TNOs的轨道,猜测出第九行星的公转轨道(浅绿色)。Credit: Tomruen – Own work, CC BY-SA 4.0

  这些成果发表在《天文学杂志》上,题为《首次探测到HD 106906 b的轨道运动:类九号行星轨道上的一颗宽分离系外行星》,主笔是来自加州大学伯克利分校的阮美吉(Meiji M。 Nguyen)。

  故事要从2004年哈勃首次观测到HD 106906 b说起,当时人们对它所在的恒星系统知之甚少。

  同样来自加州大学伯克利分校的保罗·卡拉斯(Paul Kalas)是论文的作者之一。在与《今日宇宙》的邮件交流中,卡拉斯透露了更多关于HD 106906 b有趣的背景故事:有间接证据表明恒星周围存在尘埃盘,类似于太阳系中的小行星带和柯伊伯带。2004年7月24日为了进一步研究,天文学家利用哈勃望远镜对这个系统进行了第一次观测。

  当时,科学家并不知道这个恒星系统的中心实际上是双星系统,也不知道视野中的一颗背景星其实是一颗系外行星。他们只知道的是中心恒星是一个巨量红外辐射源,由此可推断周围有一个温暖的尘埃盘。

2004年哈勃拍摄的HD 106906, 以及HD 106906 b行星 (图中标注为b),当时科学家们以为它只是一颗更遥远的背景星。Image Credit: Nguyen et al, 2020。2004年哈勃拍摄的HD 106906, 以及HD 106906 b行星 (图中标注为b),当时科学家们以为它只是一颗更遥远的背景星。Image Credit: Nguyen et al, 2020。

  2004年天文学家利用哈勃望远镜寻找这个尘埃盘,但他们并没能认出来。卡拉斯表示:“这个圆盘非常扭曲,以致于我们当时误以为是噪声伪影。” 同样地,天文学家也没能认出这颗行星。由于行星距离双星系统过于遥远,天文学家很自然地将其误认为是背景星。

  故事到了2013年,天文学家利用位于智利阿塔卡马沙漠的拉斯坎帕纳斯天文台的麦哲伦望远镜研究该双星系统。通过长时间拍摄多张图像得到了星轨,并将其与HD 106906(双星)相对于更遥远的“背景星”在天空中移动的轨迹进行比较, 天文学家发现HD 106906 b(行星)移动的方向和距离与双星完全一致。确定HD 106906b不是一颗背景星,而是一颗巨行星。

  下面就是双子座行星成像仪(GPI)大显身手的时候了。GPI是位于智利的双子座南望远镜上的一个极其先进的光学系统。它可以进行光谱和偏振观测。它的特长是寻找距离恒星相对较近的气态巨行星,这是其它仪器难以做到的。它还擅长研究像双星HD 106906周围的尘埃盘那样的物质盘。

  卡拉斯说:“2015年,我们利用双子座行星成像仪对双星周围的尘埃盘进行直接成像。在查询哈勃数据库的时候,我发现早在11年前就已经观测到了这个尘埃盘。HD 106906b确实是一个行星而不是噪声伪影。”

GPI对 HD 106906 附近尘埃盘的成像。Image Credit: GPI/Kalas et al, 2015。GPI对 HD 106906 附近尘埃盘的成像。Image Credit: GPI/Kalas et al, 2015。

  2017-2018年间,天文学家为了对HD 106906系统和尘埃盘进行更加细致的成像,再次利用哈勃望远镜进行了观测。利用2004年到2018年间的哈勃数据,天文学家首次测量了行星相对于恒星的运动,发现HD 106906 b的一年大约相当于地球上的15000年。

  另一个天文台也参与进来:欧空局的盖亚任务。卡拉斯解释:“如果没有盖亚卫星的数据,我们根本无法测量HD 106906b在14年里的微小运动。盖亚为我们提供了背景星的精确位置,由此我们只需要在建好的参考网格中测量一段时间内位置的变化就可以了。”

  天文学家认为,这颗行星的“慢动作”轨道是由于它与其恒星之间的距离较远,导致恒星与行星之间的引力较弱。细长的倾斜轨道远在环绕恒星的尘埃盘之外。该尘埃盘本身的形状也不寻常,这使得它很难被探测到,目前的解释是因为它受到了来自行星的引力作用。

  阮美吉在新闻稿中解释说:“在太阳系中,所有的行星都大致位于同一平面,如果木星轨道相对于这个平面倾斜30度,就会很奇怪。那么为什么HD 106906b会位于一个距离恒星那么遥远的倾斜轨道上呢?”

根据哈勃望远镜从2004年和2017年拍摄的HD 106906 b的位置变化所预测的轨道(白色线),几乎所有可能的轨道都是极端不对称的。Credit: Nguyen et al。 根据哈勃望远镜从2004年和2017年拍摄的HD 106906 b的位置变化所预测的轨道(白色线),几乎所有可能的轨道都是极端不对称的。Credit: Nguyen et al。

  是什么原因导致了这个变形的尘埃盘?第一个猜想跟行星有关。它一开始形成时可能比现在更接近恒星,然后逐渐向外迁移。最后由于恒星周围气体盘的作用, 使它的轨道变成今天的模样。

  但是双星系统的引力场很复杂,可能会将行星“踢出”它原本“舒适”的位置。它差点儿就被踢出星系,变成一颗流浪行星。但最终,它占据了星系中的一个偏心轨道。所有这些活动可能将尘埃盘扭曲成不寻常的形状。

  随后,一颗流浪恒星经过,稳定了HD 106906 b的轨道,这个系统就变成了我们现在看到的样子。盖亚卫星还发现了候选的流浪恒星,使这个猜想更具有说服力。

  HD 106906 b和我们太阳系假想的第九行星之间有很多相似之处。在第九行星的猜想里,它也可能是在靠近太阳的地方形成的,但随后被与木星的相互作用驱逐。这种相互作用很可能将第九行星弹射到太阳系的未知区域,远远超出冥王星的轨道。随后就像HD 106906 b那样,一颗恒星经过,稳定了第九行星的轨道。

巨行星的“流浪三部曲”Credit: NASA, ESA, and L。 Hustak (STScI)巨行星的“流浪三部曲”Credit: NASA, ESA, and L。 Hustak (STScI)

  这就好像我们有一台时光机,可以回到46亿年前年轻活跃的太阳系,当所有物质都在四处乱窜,重新排列,可能会发生什么。

  当然,目前我们依然只有第九行星的间接证据。但很多科学发现都是出自不断积累的证据。海王星是用数学的方法,早在没有直接观测之前就被预言了。它被发现的部分原因是天王星不规则的公转轨道。因此海王星的发现被认为是利用不规则轨道寻找行星的成功案例。

  我们观察太阳系比观察其他星系要容易得多,我们知道有一组天体有着不寻常的集群轨道。会不会是第九行星造成的?如果一颗行星确实是造成海外天体轨道异常的原因,那么它应该有一个相对于太阳系平面倾斜的偏心轨道。这就类似于HD 106906b的情况。

  第九行星假说只是一种可能的解释。一些天文学家认为,eTNOs的综合质量或许为其轨道提供了必要的引力。另一些人则认为,第九行星实际上可能是一个太初黑洞,而不是行星。还有人认为是观测偏倚在起作用,eTNOs的轨道集群只是更大格局中的一小部分。

  但HD 106906 b的发现无疑给第九行星假说带来了新的启示。我们现在知道,一颗大行星可能会在一个极远的轨道上运行。接下来,也许我们可以探测到HD 106906 b自己的一小群天体,HD 106906b塑造了这些天体的轨道。不过这已经远超我们现有的观测能力。

  至于HD 106906系统,我们可能只是在研究它的初期,很多问题仍没有得到解答。我们可能要等待观测能力的再一次飞跃。


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