冥王星之外似乎正在發生一些非常奇怪的事情。天文學家們二十多年來一直知道，這顆曾經的微小行星並非孤單地處於太陽系的邊緣：它是被稱為柯伊伯帶的廣闊冰冷天體雲的一部分。但是，與它們的大多數同伴以及行星和大多數小行星（它們在火星和木星之間執行）不同，少數柯伊伯帶天體（或 KBO）的軌道非常怪異。首先，它們圍繞太陽的路徑異常拉長，這與大多數行星天體大致呈圓形的軌道不同。
這些行為不端的天體，根據計數方式的不同，數量在 4 到 12 個之間，也具有另一個軌道特性。像大多數 KBO 一樣，它們以一定的角度圍繞行星所在的煎餅狀平面執行，一部分時間上升到煎餅之上，然後猛地穿過並下降到下方。但是，與它們冰冷的同類不同，這些天體都在同一時間穿過行星平面，即它們最接近太陽的時候。
或者，用一個即使許多天文學家也覺得晦澀難懂的術語來說，它們具有非常相似的近日點幅角 (AOP)。卡內基科學研究所的行星科學家斯科特·謝潑德說：“通常情況下，你會期望近日點幅角在太陽系的生命週期中變得隨機化。” 也許這僅僅是一個巧合，這些少數天體最終具有相同的 AOP：純粹出於偶然，這種情況發生的機率應該不到百分之幾。這種機率就像連續拋硬幣 10 次正面朝上：非常不尋常，但遠非不可能。
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但那 10 次正面朝上也可能意味著您的硬幣被做了手腳，這些 KBO 也是如此。可能有什麼東西迫使這些天體進入這種奇怪的構造——而這個東西可能是一顆巨大的、未知的行星，比地球質量大得多，潛伏在太陽系邊緣：一顆超級地球（超級地球是質量約為地球 10 倍的行星）。如果這樣一個隱藏的天體——有時被異想天開地稱為“X行星”——存在，它將至少在海王星以外 10 倍遠的地方繞太陽執行——太遙遠也太微弱，以至於迄今為止任何望遠鏡都無法發現。然而，它巨大的質量將對太陽系的其他部分產生引力影響——這些影響可能解釋天文學家所看到的奇怪軌道。
俄克拉荷馬大學的行星形成理論家內森·凱布說：“我們還沒有確鑿的證據證明那裡存在行星質量的天體。” “但是有些奇怪的事情正在發生，我們不明白。” 越來越多的天文學家開始相信曾經被嘲笑的在我們中間存在超級地球（X行星）的說法。
正如凱布所暗示的那樣，隱藏行星的證據遠非確鑿。許多天文學家仍然懷疑這個想法，甚至那些將其作為一種可能性來提及的人也表示，他們尚未完全信服。天文學史上充滿了隱形的神秘行星，它們的存在的推斷來自於其他天體的奇特軌道。有些已被證明是重大發現。另一些則是虛驚一場。可能我們對太陽系的瞭解遠不如我們想象的那麼透徹。如果真的存在 X行星，那將需要徹底改寫太陽系歷史的一些關鍵章節。
追蹤隱藏的世界
首次尋找環繞太陽的隱藏行星是在 19 世紀初，當時科學家們越來越確信，音樂家轉行天文學家威廉·赫歇爾在 1781 年意外發現的天王星，其軌道與牛頓的萬有引力定律所說的並不完全一致。幾位科學家假設，一顆巨大的、未被發現的行星的引力是罪魁禍首——1846 年，德國天文學家約翰·加勒基本上在他法國同事於爾班·勒維耶計算出的位置發現了氣態巨行星海王星。（有充分的證據表明，伽利略早在 1612 年就用他簡陋的小望遠鏡看到了海王星，但認為它是一顆恆星。）
20 世紀初，波士頓貴族珀西瓦爾·洛威爾開始在他位於亞利桑那州弗拉格斯塔夫的私人天文臺尋找另一顆隱藏的行星。這一次，證據來自天王星和海王星軌道的異常現象，指向了另一顆未被觀測到的巨大行星的存在。1930 年初，洛威爾天文臺的一位年輕助手克萊德·湯博發現了一顆行星，或多或少位於計算結果所預測的位置——重演了海王星的發現。《紐約時報》在 1930 年 3 月 14 日宣佈：“這個球體，可能比木星還大，距離 40 億英里，符合預測。”
但事實並非如此。幾十年後，人們清楚地認識到，冥王星遠非木星那麼大，實際上比地球的衛星還小。它微弱的引力不可能解釋海王星和天王星軌道中的異常現象——事實證明，這也很正常，因為這些異常現象在進一步檢查中消失了。從這個意義上說，冥王星是虛驚一場。
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來源：揚·威廉·圖爾普；資料來源：國際天文聯合會小行星中心的外海王星天體列表（柯伊伯帶天體資料）；斯科特·S·謝潑德卡內基科學研究所（極端外太陽系天體資料）
然而，從大局來看，它的發現非常重要。到 20 世紀 80 年代，行星科學家開始懷疑，冥王星並非一顆孤零零地在太陽系冰冷的外圍軌道上執行的微小行星，而只是一個被稱為柯伊伯帶的廣闊、人口稠密區域中最亮的一員。1992 年，第一顆 KBO（冥王星除外）在夏威夷的一架望遠鏡中被發現，此後，觀測者又統計了大約 1500 顆。2005 年發現的鬩神星在大小上與冥王星相當，並且明顯超過了冥王星的質量，這可能會開啟閘門，使現有的九顆行星名單中再增加幾顆行星。這一幽靈促使國際天文聯合會在 2006 年將冥王星從行星降級為矮行星。
重組太陽系
柯伊伯帶的發現反過來又為最新的 X行星 搜尋提供了可信度，因為它有助於解釋這樣一個天體是如何最終離太陽如此之遠的，以至於我們仍然沒有看到它。計算機模擬表明，柯伊伯帶的冰冷天體應該形成在海王星現在所佔據的某個區域。一定有什麼東西將它們拋得更遠（或者說分散了它們，用專業術語來說），到達了它們現在的位置。這一觀察結果使天文學家推測，在新生行星從圍繞新生太陽旋轉的氣體和塵埃“原行星盤”中凝結後不久的混亂時期發生了一次擾動。在這個動盪不安的時期，木星、土星、天王星和海王星很可能從最初的軌道移動了數億公里，它們的引力將 KBO 向外拋射。一些模擬甚至指向可能存在第五顆氣態巨行星，它在其他行星調整位置時完全被太陽系彈射出去。
如果存在超級地球，它也很可能在這個普遍混亂時期被拋射出去。而且，由於超級地球已被證明在過去幾十年中圍繞其他恆星發現的約 2000 顆系外行星中很常見，因此也有理由認為，我們自己的太陽曾經也可能有一顆超級地球在環繞執行。猶他大學的本·布羅姆利與哈佛-史密森天體物理學中心的斯科特·凱尼恩合作，他說：“我們運行了一些模擬，模擬了從今天木星和土星所在區域散射出來的超級地球會發生什麼情況。” 在大多數情況下，他們發現超級地球將被拋入高度橢圓軌道，該軌道將逐漸變得越來越拉長，直到行星完全被太陽系彈射出去。但是，如果散射發生得足夠早——大約在行星形成後 1000 萬年內，在原行星氣體消散之前，布羅姆利說，“超級地球可能會與氣體發生[引力]相互作用，並在荒涼地帶穩定下來，形成或多或少呈圓形的軌道。”
這種情況是製造洛威爾在 20 世紀初開始尋找的那種巨大 X行星 以及加勒和勒維耶在半個世紀前合作發現海王星時找到的那種 X行星 的一種方法。凱尼恩和布羅姆利發現的另一種方法是讓超級地球在距離太陽可能 200 個天文單位 (AU) 的位置就地形成，也就是說，是太陽-地球距離 9300 萬英里的 200 倍。（相比之下，海王星在距離太陽約 30 AU 的軌道上執行。）只有在存在足夠的行星形成物質——鵝卵石大小的岩石和冰塊——在那麼遠的地方繞軌道執行時，這種原位形成才有可能。
沒有直接證據表明這種情況曾經在我們自己的太陽系中發生過，但有相當充分的證據表明，這種情況發生在與太陽非常相似的恆星中。然而，凱尼恩說：“如果你觀察附近的太陽型恆星，它們中的一些恆星擁有碎片盤，其物質延伸到距離恆星本身約 200 AU 的地方。因此，這並非史無前例。” 儘管沒有證據表明超級地球已經在這些附近恆星周圍如此遠的距離形成，但他表示，“至少你擁有基本成分。” 大約十年前，當凱尼恩和布羅姆利開始研究這些模擬時，所有這些模擬都純粹是推測性的。沒有人看到哪怕是一點點超級地球實際存在的跡象。
塞德娜登場
隨著塞德娜的出現，這種情況開始發生變化。2003 年，加州理工學院的邁克·布朗與兩位同事一起觀測到了當時可能是有史以來發現的最奇怪的太陽系天體。那是一個冰冷的天體，現在估計直徑約為 1000 公里，在許多方面與冥王星、鬩神星和其他 KBO 相似。然而，它的軌道以前從未見過。塞德娜在其高度拉長的 11400 年軌道上，永遠不會比距離太陽 76 AU 更近，也就是不會比海王星的兩倍距離更近，並且在最遠時會退到 930 AU 以上——是海王星距離的 31 倍。
現在的夏威夷雙子座天文臺的共同發現者查德·特魯希略說：“塞德娜真的令人驚訝，因為它完全無法解釋。” 它拉長的軌道類似於長週期彗星的軌道，但與塞德娜不同，這些彗星的一個軌道端點被巨行星的引力牢牢地錨定。塞德娜似乎沒有錨定在任何東西上。“沒有人認為像這樣的天體可能存在，”特魯希略說，“也沒有人解釋它是如何到達那裡的。”
在接下來的十年左右，觀測者發現了另外 10 個較小的天體，它們的軌道也是拉長的，並且永遠不會靠近海王星。就其本身而言，這並沒有什麼特別值得注意的：它們中沒有一個像塞德娜那樣極端，無論是在軌道的形狀還是在它的近日點（即它最接近太陽的點）離海王星有多遠方面。但是，它們所有天體，連同塞德娜本身，都具有相似的近日點幅角，這是一個不尋常的軌道引數，描述了天體到達近日點時在太陽系平面上方或下方多遠。這看起來……很奇怪。
當特魯希略和謝潑德在 2014 年在《自然》雜誌上宣佈，經過十年的尋找，他們發現了第二個類似塞德娜的天體，大約是塞德娜本身的一半大小時，情況變得更加奇怪。“如果你是一名生物學家，”特魯希略說，“當你發現一些奇怪的生物時，你非常肯定那裡一定有更多類似的生物。” 他說，天文學也是如此——除非第一個生物完全是僥倖。“也許這個天體碰巧因我們不理解的原因而被拋入這個軌道，”他說，“但在你找到另一個之前，你真的不知道。” 現在他們找到了。
暫時被稱為 2012 VP113，它偏心的 4300 年軌道的近日點為 80 AU，遠日點（即它離太陽最遠的點）為 446 AU。與塞德娜一樣，2012 VP113 在引力上完全脫離海王星。至關重要的是，它的近日點幅角與塞德娜的以及少數其他不太像塞德娜的 KBO 的近日點幅角非常相似。正是最後一個因素導致了埋藏在《自然》論文深處的一個挑釁性的觀點。“這表明，”特魯希略和謝潑德寫道，“可能存在一個巨大的外太陽系擾動者。” 他們假設，這個擾動者可能是一顆在距離太陽 250 AU 以內的軌道上執行的超級地球，它的引力可能影響了較小的天體，並同步了它們的近日點幅角。耶魯大學的梅格·施瓦姆說：“我認為以前沒有人真正認真地考慮過一顆巨大的、未被探測到的行星。” “但特魯希略和謝潑德的論文確實將其提上了議事日程。”
然後，在 2014 年 9 月，兩名相對默默無聞的西班牙天文學家，馬德里康普頓斯大學的勞爾·德拉富恩特·馬科斯和卡洛斯·德拉富恩特·馬科斯兄弟在《英國皇家天文學會月刊》上發表了一篇論文，提高了賭注。根據塞德娜、2012 VP113 和較小天體的軌道，他們認為可能不只一顆超級地球。他們的分析“強烈暗示”冥王星以外可能至少存在兩顆行星。“我們未發表的計算，”勞爾說，“表明假設的行星應該至少有兩顆，但可能少於 15 個地球質量。”
像謝潑德和特魯希略一樣，德拉富恩特·馬科斯兄弟也沒有聲稱在做出可靠的預測。兩個團隊都只表示，超級地球的存在是合理的。然而，如果它存在，天文學家對其完全瞭解我們自己的太陽系的信心將被顛覆。
疑慮依然存在
雖然隱藏的 X行星 是解釋塞德娜及其同類天體怪異現象的誘人解釋，但它並非唯一的選擇。西南研究所的行星形成理論家哈爾·萊維森說，另一種可能性是，塞德娜、2012 VP113 和其餘天體在太陽仍然是其最初的由數千顆恆星組成的誕生星團的一部分時，被拋入了它們獨特的軌道，這些恆星是從單一的氣體雲中凝結而成的。在星團分散之前，這些恆星會足夠近，足以扭曲外太陽系天體的軌道，將它們向內傳送到漫長、拉長的軌跡上。或者，謝潑德說，軌道拉長可能來自銀河系潮汐——也就是說，當太陽在其圍繞銀河系中心執行的軌道上靠近更高密度區域時，來自一個方向的拉力比來自另一個方向的拉力更強。“我們已經運行了一些類似的模擬，”謝潑德說，“但什麼也沒出現。因此，這似乎不太可能，但在那裡還有許多其他類似的可能性。”
這些效應中的任何一種都可能使這些天體進入其橢圓形軌道，但只有超級地球假設才能使它們具有如此接近的近日點幅角。或者純粹是偶然。謝潑德和特魯希略在他們的論文中引用的 12 個天體聽起來可能很多，但考慮到有數百萬個柯伊伯帶天體，謝潑德說，“這是一個統計上邊緣的數字。”
如果您同意施瓦姆和她的合作者、東京工業大學的拉蒙·布拉瑟的觀點，那麼從塞德娜及其同伴的奇怪軌道推斷 X行星 的案例就更加邊緣化了。“我們最近所做的工作，”施瓦姆說，“表明實際上只有四個像塞德娜這樣的天體。” 她說，其餘的 12 個天體並沒有那麼接近海王星，但它們足夠接近，它們可能會感受到海王星的引力。因此，海王星本身可能就是解釋它們近日點幅角如此接近的 X行星 。如果 12 個天體被認為是統計上邊緣的，那麼 4 個天體就更是如此了——儘管科學中的“邊緣”與日常世界中的“邊緣”略有不同。“剩餘四個天體的對齊，”布拉瑟說，“偶然發生的機率僅為 1%。” 然而，高賠率並不是板上釘釘。“僅僅因為你可以說一顆行星是可能的，”施瓦姆說——她同意這是可能的——“並不意味著它就存在。”
行星科學家已經不止一次地吸取了這個教訓。在 20 世紀 80 年代，加州大學伯克利分校的物理學家理查德·穆勒認為，他可以透過援引一顆昏暗的恆星或一顆棕矮星——一個質量小於恆星但大於行星的天體——在距離太陽大約 10 萬 AU 或約 1.5 光年的軌道上執行來解釋地球上過去的許多物種大滅絕。根據該理論，大約每 2600 萬年，他稱之為復仇女神星的天體就會將一團彗星從奧爾特雲中踢出，奧爾特雲是一個仍然是假設的冰冷天體殼，它圍繞著太陽系，遠遠超出塞德娜或天文學家曾經見過的任何東西。奧爾特彗星向太陽方向墜落。它們中的一些撞擊地球，我們星球上的一大部分物種就此消失。
但就像今天關於 X行星 的論點一樣，該理論也只是勉強合理，並且對復仇女神星的搜尋一直空手而歸。最近，約翰·馬特斯和丹尼爾·惠特邁爾在路易斯安那大學拉斐特分校工作時，假設在遙遠的外太陽系中存在一顆木星大小的行星，以解釋似乎有過多的長週期彗星從天空的一個方向飛來。“這，”施瓦姆說，“是文獻中的一篇論文”，這是科學界對“我從一開始就從不相信它”的簡寫。果然，美國宇航局的廣域紅外巡天探測器（WISE）望遠鏡進行的敏感調查一無所獲。賓夕法尼亞州立大學的凱文·盧曼（他進行了這項搜尋）說：“我們本可以探測到小到木星的天體，距離太陽大約 30000 到 40000 AU，並且我們本可以探測到小到土星的天體，距離太陽大約 10000 或 15000 AU。” 他們什麼也沒發現。超級地球大小的 X行星 會更近，但也更暗淡，以至於不會出現在這次調查中。
所以它在那裡還是不在那裡？
由於只有不超過 12 個不尋常的天體來指導他們，行星科學家目前無法斷言我們的太陽系是否是超級地球的宿主。他們只能說，該假設與觀測結果一致。識別更多具有相似軌道特徵的天體至關重要，這就是為什麼天文學家對 2015 年 11 月宣佈的一顆新天體如此興奮的原因。它被稱為 V774104，它的近日點甚至比塞德娜的更遠。領導發現團隊的謝潑德說，現在判斷它的軌道是證實還是否定了一顆未被發現的巨行星的可能性還為時過早。對於謝潑德團隊同時在他們所謂的“有史以來對外太陽系進行的最深入、最廣泛的調查”中發現的大約 40 個其他遙遠天體，現在說些什麼也為時過早。但是，研究人員發現的越多，他們就越有可能明確地說出那裡是否潛伏著什麼巨大的東西。
為了進一步提高他們的機會，行星科學家渴望獲得大型綜合巡天望遠鏡（LSST），該望遠鏡計劃於 2019 年在智利北部上線。它不會比目前使用的最大望遠鏡更大，但它的視場將寬得多，使其能夠搜尋更廣闊的天空區域。特魯希略說，目前，天文學家已經調查了大約 10 平方度的天空——相比之下，滿月覆蓋了四分之一平方度——以尋找微弱、遙遠的天體。他說，LSST“將能夠調查數萬個”。
如果一顆超級地球在那裡，並且它足夠大且足夠明亮，LSST 可能會發現它。或者也許其他人已經發現了。2015 年 12 月，觀測者聲稱他們已經使用智利的阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米波陣列直接拍攝了可能是另一顆超級地球的影像。他們的大多數同事對此高度懷疑，但更多的觀測可能會改變這一點。或者，也許其他一些望遠鏡已經無意中拍攝了我們本地的超級地球。“也許它就在某人的硬碟上，他們只是從未注意到它，因為他們沒有尋找它，或者他們沒有以正確的方式尋找，”特魯希略說。“人們往往只看到他們正在尋找的東西。”
編者注：就在這篇文章首次在我們的二月刊上發表時，加州理工學院的天文學家邁克·布朗和康斯坦丁·巴蒂金宣佈了更強的證據，證明 X行星 正在冥王星以外的黑暗中執行——他們縮小了天文學家應該尋找的天空區域。針對這個未被觀測到的世界的定向搜尋現在正在進行中。