在冥王星之外，似乎正在發生一些非常奇怪的事情。天文學家在二十多年前就已經知道，這顆曾經的微小行星並非孤單地處於太陽系邊緣：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軌道執行）不同，少數柯伊伯帶天體（KBOs）的軌道異常怪異。首先，它們圍繞太陽的路徑異常細長，這與大多數行星天體的近圓形軌道不同。
這些行為異常的天體，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，它們以一定角度繞煎餅狀的行星居住平面執行，一部分時間升到煎餅上方，然後俯衝穿過並在其餘時間降到下方。但是，與它們的冰冷同胞不同，這些天體都在它們最接近太陽的近日點同時穿過行星平面。
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，你會期望近日點幅角在太陽系的生命週期中已被隨機化。” 也許這僅僅是一個巧合，這些少數天體最終具有相同的 AOP：這種情況純粹是偶然發生的機率不到百分之幾。這種機率就像拋硬幣連續得到 10 次正面：非常不尋常，但絕非不可能。
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但是，這 10 次正面也可能意味著您的硬幣有問題，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型——而這種東西可能是一顆巨大的、未知的行星，質量明顯大於地球，潛伏在太陽系邊緣：一顆超級地球（超級地球是質量大約是地球 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，它的軌道將至少比海王星離太陽遠 10 倍——太遠太暗，以至於迄今為止任何望遠鏡都無法發現。然而，它相當大的質量將對太陽系的其他部分產生引力效應——這些效應可能解釋天文學家所看到的奇怪軌道。
卡內基研究所的行星形成理論家內森·凱布說：“我們還沒有確鑿的證據表明那裡存在行星質量的天體。” “但是，我們不理解的奇怪的事情正在發生。” 越來越多的天文學家開始相信曾經被嘲笑的關於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，關於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，即使是那些援引它作為可能性的人也表示，他們尚未完全信服。天文學史充滿了看不見的神秘行星，它們的存在是從其他天體的奇特軌道推斷出來的。有些最終被證明是重大發現。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好。如果那裡存在 X 行星，那將需要徹底改寫太陽系歷史的一些關鍵章節。
尋找隱藏的世界之路
首次尋找繞太陽執行的隱藏行星是在 1800 年代初期，當時科學家們越來越相信，音樂家出身的天文學家威廉·赫歇爾在 1781 年意外發現的天王星，其軌道執行並不完全符合牛頓萬有引力定律的描述。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·伽勒基本上在他法國同事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 年就用他簡陋的望遠鏡看到了海王星，但認為它是一顆恆星。）
1900 年代初期，波士頓貴族帕西瓦爾·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中的異常，指向了另一顆未見的巨行星的存在。1930 年初，洛威爾天文臺的一位年輕助手克萊德·湯博發現了一顆或多或少在計算位置上的行星——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，可能比木星更大，距離 4,000,000,000 英里，符合預測。”
但事實並非如此。在幾十年內，人們清楚地認識到，冥王星遠非木星的大小，實際上比地球的衛星月球還要小。它微弱的引力不可能解釋海王星和天王星軌道中的異常——事實證明，這也沒什麼大不了的，因為這些異常在進一步的檢查中消失了。從這個意義上講，冥王星是一次虛驚一場。
然而，從大局來看，它的發現非常重要。到 1980 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凍的外圍區域軌道執行的微小行星，而只是一個天體密集的區域柯伊伯帶中最亮的成員。1992 年，在夏威夷的一架望遠鏡中發現了第一個柯伊伯帶天體（除了冥王星之外），此後，觀測者又統計了大約 1,500 個。2005 年發現的鬩神星，其大小與冥王星相當，質量超過冥王星，有可能開啟閘門，可能會在現有的九大行星名單中增加幾顆行星。這一幽靈促使國際天文學聯合會在 2006 年將冥王星從行星降級為矮行星。
重塑太陽系
反過來，柯伊伯帶的發現為最新尋找 X 行星的行動增添了可信度，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在現在海王星所處的區域附近形成。一定有什麼東西將它們甩到更遠的地方（或散射它們，用專業術語來說），到達它們目前的位置。這一觀察結果使天文學家推測，在新生的行星從圍繞新生太陽旋轉的“原行星盤”氣體和塵埃中凝聚出來後不久的混亂時期發生了一次擾動。在這個動盪的時期，木星、土星、天王星和海王星很可能從它們的初始軌道移動了數億公里，它們的引力將柯伊伯帶天體向外甩出。一些模擬甚至指向可能存在第五顆氣態巨行星，當其他行星調整它們的位置時，它完全被 eject 出太陽系。
很有可能，如果存在超級地球，它也可能在這個普遍混亂的時期被甩到外圍。並且由於超級地球已被證明在過去幾十年在其他恆星周圍發現的約 2,000 顆系外行星中很常見，因此也有理由認為，曾經有一顆超級地球圍繞我們的太陽執行。考慮到這一點，猶他大學的本·布羅姆利（他與哈佛-史密森天體物理學中心的斯科特·肯揚合作）說：“我們運行了一些模擬，模擬一顆超級地球從今天木星和土星所在的區域散射出來會發生什麼。” 在大多數情況下，他們發現超級地球會被甩入高度橢圓軌道，該軌道會逐漸變得越來越拉長，直到行星完全被 eject 出太陽系。但是，如果散射發生得足夠早——在行星形成後約 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[引力]相互作用，並在偏遠地帶穩定下來，形成或多或少的圓形軌道。”
這種情況是製造洛威爾在 1900 年代初期著手尋找的那種巨大的 X 行星以及伽勒和勒維耶半個世紀前合作發現海王星的那種行星的一種方法。肯揚和布羅姆利發現，另一種方法是讓超級地球在離太陽或許 200 天文單位 (AU) 的地方原位形成，也就是說，是太陽到地球距離 9300 萬英里的 200 倍。（相比之下，海王星在離太陽約 30 天文單位的地方軌道執行。）只有當有足夠的行星形成物質——鵝卵石大小的岩石和冰塊——在那麼遠的地方執行時，原位形成才有可能。
沒有直接證據表明在我們自己的太陽系中曾經發生過這種情況，但有相當好的證據表明，這種情況發生在非常像太陽的恆星身上。然而，肯揚說，“如果你看看附近的類太陽恆星，其中一些恆星有碎片盤，其物質延伸到離恆星本身約 200 天文單位的地方。因此，這並非史無前例。” 儘管沒有證據表明超級地球在如此遠的距離圍繞這些附近的恆星形成，但他表示，“至少你擁有基本成分。” 當肯揚和布羅姆利大約十年前開始研究這些模擬時，所有這些模擬都純粹是推測性的。沒有人看到哪怕一絲暗示表明超級地球實際上就在那裡。
賽德娜登場
這種情況從賽德娜開始發生變化。2003 年，加州理工學院的邁克·布朗與兩位同事一起，發現了迄今為止可能發現的最奇異的太陽系天體。它是一個冰冷的天體，現在估計直徑約為 1,000 公里，並且在許多方面與冥王星、鬩神星和其他柯伊伯帶天體相似。* 然而，它的軌道以前從未見過。賽德娜在其高度細長的 11,400 年軌道上，永遠不會比離太陽 76 天文單位更近，是海王星距離的兩倍多，並且在其最遠點退行到超過 930 天文單位的地方——是海王星距離的 31 倍。
夏威夷雙子座天文臺的共同發現者查德·特魯希略說：“賽德娜真的令人驚訝，因為它完全無法解釋。” 它的拉長軌道類似於長週期彗星的軌道，但與賽德娜不同，這些彗星的一個軌道末端被巨行星的引力牢牢錨定。賽德娜似乎沒有錨定到任何東西。“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 10 個其他較小的天體，它們的軌道也是細長的，並且永遠不會接近海王星。就其本身而言，這並沒有特別值得注意：它們都沒有像賽德娜那樣極端，無論是在軌道形狀還是在它的近日點離海王星有多遠方面——也就是說，它最接近太陽的距離。但是，它們所有天體，連同賽德娜本身，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，在太陽系平面之上或之下的距離。這似乎……很奇怪。
2014 年，當特魯希略和謝潑德在《自然》雜誌上宣佈，在尋找類似天體十年後，他們發現了第二個類似賽德娜的天體，大約只有賽德娜本身一半大小，事情變得更加奇怪。“如果你是一位生物學家，” 特魯希略說，“你發現了一些奇異的生物，你非常肯定那裡肯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為我們不理解的原因被拋入了這個軌道，” 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。
暫定名為 2012 VP113，它的偏心、4,300 年軌道近日點為 80 天文單位，遠日點——它離太陽最遠的地方——為 446 天文單位。像賽德娜一樣，2012 VP113 在引力上完全脫離海王星。至關重要的是，它的近日點幅角與賽德娜的非常相似，也與少數其他不太像賽德娜的柯伊伯帶天體的近日點幅角非常相似。正是最後一個因素導致了《自然》雜誌論文中深藏的挑釁性語句。“這表明，” 特魯希略和謝潑德寫道，“可能存在巨大的外太陽系擾動者。” 他們假設，這個擾動者可能是一顆超級地球，在離太陽 250 天文單位的地方軌道執行，其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，在此之前，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使其發揮了作用。”
然後，在 2014 年 9 月，西班牙兩位相對默默無聞的天文學家，馬德里康普頓斯大學的勞爾和卡洛斯·德拉富恩特·馬科斯兄弟在《皇家天文學會月刊快報》上發表了一篇論文，加碼了賭注。基於賽德娜、2012 VP113 和較小天體的軌道，他們認為可能不止一顆超級地球。他們的分析“強烈暗示”可能至少在冥王星之外存在兩顆行星。“我們未發表的計算，” 勞爾說，“表明假想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·馬科斯兄弟並沒有聲稱做出確鑿的預測。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，天文學家對自己完全瞭解我們太陽系的信心將被顛覆。
疑慮仍然存在
雖然隱藏的 X 行星是賽德娜及其同類的軌道怪異現象的一種誘人的解釋，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，賽德娜、2012 VP113 和其餘天體是在太陽仍然是其原始誕生星團（由單一氣體雲凝聚而成的數千顆恆星）的一部分時，被拋入它們獨特的軌道的。在星團解散之前，這些恆星會足夠近以至於可以扭曲外太陽系天體的軌道，將它們送入內部，進入細長的軌道。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接近更高密度區域時，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像這樣的模擬，” 謝潑德說，“但什麼也沒顯示出來。因此，它看起來不太可能，但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它們的橢圓軌道，但只有超級地球假說才能使它們具有如此密切匹配的近日點幅角。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，但考慮到柯伊伯帶天體有數百萬個，謝潑德說，“這是一個統計上邊緣化的數字。”
如果你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，那麼從賽德娜及其同伴的奇怪軌道來看，支援 X 行星的論據就更加邊緣化了。“我們最近完成的工作，” 施瓦姆說，“表明實際上只有四個像賽德娜這樣的天體。” 她說，其餘 12 個天體並沒有那麼接近海王星，但它們足夠接近以至於它們可能感受到它的引力。因此，海王星本身可能是解釋它們密切匹配的近日點幅角的 X 行星。如果 12 個天體被認為是統計上邊緣化的，那麼四個就更加邊緣化了——儘管科學中的“邊緣化”與日常世界中的含義略有不同。“剩餘四個天體的排列，” 布拉瑟說，“偶然發生的機率只有 1%。” 然而，低機率並非板上釘釘。“僅僅因為你可以說行星是可能的，” 施瓦姆說——她同意這一點——“並不能排除它。”
行星科學家已經不止一次地吸取了教訓。在 20 世紀 80 年代，加州大學伯克利分校物理學家理查德·穆勒認為，他可以透過援引一顆昏暗的恆星或一顆褐矮星——一種質量小於恆星但大於行星的天體——在離太陽大約 100,000 天文單位或大約 1.5 光年的距離上繞太陽執行，來解釋地球上過去許多物種的大規模滅絕。** 該理論認為，大約每 2600 萬年一次，他稱之為復仇星的天體將一團彗星從奧爾特雲中踢出來，奧爾特雲是一個仍然是假想的冰冷天體外殼，它圍繞著太陽系，遠超賽德娜或天文學家見過的任何東西。奧爾特雲彗星向太陽系內部墜落。其中一些撞擊地球，我們星球上大部分物種就此消失。
但就像今天關於 X 行星的論據一樣，該理論也只是勉強說得過去，並且對復仇星的搜尋一直空手而歸。最近，路易斯安那大學拉法葉分校的約翰·馬特斯和丹尼爾·惠特邁爾假定在外太陽系遙遠區域存在一顆木星大小的行星，以解釋似乎從天空的一個方向湧入過多的長週期彗星。施瓦姆說：“那是文獻中的一篇論文，” 這是科學界的簡稱，意思是“我從一開始就沒相信”。果然，美國宇航局廣域紅外巡天探測器（WISE）望遠鏡的靈敏巡天什麼也沒看到。“我們本應能夠看到小到木星的天體，最遠可達離太陽約 30,000 到 40,000 天文單位的地方，” 進行搜尋的賓夕法尼亞州立大學的凱文·盧曼說，“並且我們本應能夠看到小到土星的天體，最遠可達離太陽約 10,000 或 15,000 天文單位的地方。” 他們什麼也沒找到。超級地球大小的 X 行星會近得多但也暗得多，以至於不會出現在這次巡天中。
所以它在那裡還是不在那裡？
行星科學家最多隻能用 12 個不尋常的天體來引導他們，因此目前無法確定我們的太陽系是否擁有超級地球。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去年 11 月宣佈的新天體感到如此興奮的原因。被稱為 V774104，它的近日點甚至比賽德娜的還要遠。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未發現巨行星的可能性還為時過早。對於謝潑德團隊同時發現的約 40 個其他遙遠天體，現在也還為時過早，無法說太多，他稱之為“有史以來對外太陽系進行的最深入、最廣泛的巡天”。但是，研究人員發現的越多，他們就越有可能明確地說明是否有巨大的天體潛伏在那裡。
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 2018 年在智利北部上線。它不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區。目前，特魯希略說，天文學家已經巡天了大約 10 平方度的天空——相比之下，滿月覆蓋四分之一平方度——以搜尋微弱、遙遠的天體。他說，LSST “將能夠巡天數萬平方度”。
如果超級地球在那裡，並且如果它足夠大且足夠亮，LSST 可能會找到它。或者也許別人已經找到了。去年 12 月，觀測者聲稱他們已經使用智利阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米波陣列拍攝了可能是另一顆超級地球的直接影像。他們的大多數同事都對此表示高度懷疑，但更多的觀察可能會改變這一點。或者，也許一些其他望遠鏡無意中拍攝了我們本地的超級地球。“也許它正躺在某人的硬碟上，他們只是從未注意到它，因為他們沒有尋找它，或者他們沒有用正確的方式尋找，” 特魯希略說。“人們傾向於只看到他們正在尋找的東西。”
*/**編者注（2016 年 4 月 8 日）：印刷版文章中的這兩句話在釋出後進行了編輯，以分別糾正賽德娜的估計大小和假想的復仇星的擬議距離中的錯誤。