尋找第九行星，天文學家凝視深淵

加州理工學院天文學家邁克·布朗和康斯坦丁·巴特金做出爆炸性宣告已經兩年多了：根據柯伊伯帶（海王星以外的區域，是冥王星和其他冰冷天體的家園）中天體的軌道運動，必定存在一個非常大的東西，它位於更遙遠的地方，除了對太陽系其他部分的微妙引力牽引外，都隱藏了起來。

布朗和巴特金的最佳模型將這個神秘天體的質量定為地球的10倍左右，可能比海王星距太陽遠20倍，目前在獵戶座附近的某個天空區域漂移，軌道週期可能為20,000年。布朗和巴特金稱其為“第九行星”，將其提升到曾經由冥王星佔據的位置（冥王星在2006年被降級為“矮行星”地位，當時布朗發現了多個類似冥王星的世界，位於海王星之外）。幾個月內，一小批理論家和觀測者投身於搜尋之中——到目前為止，一無所獲。第九行星仍然頑固地缺席。

遠離太陽的未知行星並不是一個新想法；它們在天文學中常年湧現。此類說法可以追溯到19世紀，並促成了海王星和冥王星的發現。第九行星的不同之處在於，我們現在對太陽系外圍了解得更多——這是一個廣闊而黑暗的深淵，在其中隱藏一顆行星仍然是可能的，儘管難度越來越大。在那裡，從我們太陽系早期時刻遺留下來的冰凍碎片在旋轉。一顆大行星的引力可以像秤上的拇指一樣，微妙但實質性地調整這些所謂的跨海王星天體 (TNO) 的運動。隨著天文學家使用新的望遠鏡和其他儀器快速繪製太陽系最後前沿的地圖，他們不斷發現似乎是第九行星形狀的空洞。

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布朗和巴特金提出的行星很容易解釋在一些 TNO 中觀察到的軌道異常。在他們的最初的論文中，這對組合展示了最近發現的一群 TNO 如何被一個遙遠隱藏的世界的引力誘導並保持在那裡，這些 TNO 的軌道奇怪地幾乎垂直於已知行星的平面。其他新發現的 TNO 以軌道共振的明顯絲狀結構運動，週期性地在複雜的模式網路中相互擾動，暗示著與某些巨大的、看不見的質量的進一步相互作用。第九行星的引力影響甚至可以作為一種解決方案，來解決長期存在的太陽自轉軸為何相對於內行星軌道傾斜六度的謎團。

第九行星也與一種新興的認識相吻合，即太陽系的早期是一個混亂的局面，其中早期木星和土星的形成將較小和更早期的世界散射到太陽或星際空間中。在這種情況下，第九行星可能是一個外向世界，它犁過足夠的碎片以減速並被困在太陽系的內陸地區。或者它可能是一個來自另一顆恆星的外星流浪者，當它遊蕩得太靠近我們自己的恆星時被引力捕獲。以一種間接的方式，它甚至可能對我們的存在負責——向內而不是向外散射，它可能會擾亂地球的軌道，阻止這裡生命的起源。

更進一步說，對圍繞其他恆星執行的行星的調查表明，我們星系中最常見的世界與假定的第九行星——所謂的“超級地球”——有著相似之處，它們的大小介於地球和海王星之間，並且出現在我們檢查的大多數恆星周圍。如果第九行星是真實存在的，那麼它可能不僅僅是另一個行星；它可能是我們熟悉的太陽系與我們現在在銀河系其他地方看到的太陽系之間的缺失環節。

“我儘量不對自己的結果抱有宗教般的態度。保持懷疑的眼光很重要，”巴特金說。“但我實際上感覺比兩年前更安心，因為該理論仍然完美地成立。我們看得越多，就越看到一個沒有第九行星就毫無意義的太陽系。”

太陽系中最神秘的天體

在宣佈後的幾個月裡，許多第九行星最熱情的尋找者（其中最主要的是布朗）預測它可能會在接下來的冬天結束前被發現——也就是現在。今年一月，布朗仍然信心十足：基於“統計上嚴謹的計算”，納入所有可用資料，行星不在那裡，等待被發現的可能性只有萬分之一，他在推特上寫道。換句話說，布朗的最佳猜測是第九行星有99.99%的機率是真實的。

位於華盛頓特區卡內基科學研究所的第九行星獵人斯科特·S·謝潑德最近估計，賠率為 85%——這個估計與他更保守的研究風格一致。在布朗和巴特金的重磅炸彈釋出前兩年（並且沒有引起那麼多關注），謝潑德和雙子座天文臺天文學家查德·特魯希略發表了他們自己關於在太陽系外圍一顆未被發現的超級地球的宣告。

謝潑德和特魯希略的工作涉及可能僅次於第九行星的太陽系中第二神秘的天體：一個直徑 1,000 公里的 TNO，名為賽德娜，由布朗、特魯希略和另一位同事在 2003 年發現。

賽德娜佔據了一個奇怪的 11,400 年的“偏心”軌道：一個細長的橢圓，它比冥王星遠 20 多倍 ，並且永遠不會比海王星距太陽距離的兩倍更近。如此極端的軌道很可能是暴力過去的傷疤，這是一個跡象，表明很久以前賽德娜從其標準軌道上被引力拋射到一個狂野的新軌跡上。在太陽系外圍，此類軌道往往在一端與最初拋擲它的任何巨行星相連。但賽德娜的軌道沒有連線到海王星。它似乎與一切都分離了，並且沒有其他繞太陽執行的天體與其共享奇怪的軌道特性——也就是說，直到謝潑德和特魯希略發現了第二個分離且偏心的類似賽德娜的天體（但小得多），2012 VP113。

一個“賽德諾”可能只是一個僥倖；兩個則暗示存在大量鮮為人知的分離天體。它們是如何到達那裡的？布朗和其他人早期提出的一個可能性是，這種奇怪的軌道來自我們太陽系初期與一顆過路恆星的偶然近距離相遇。但一個不起眼的細節讓謝潑德和特魯希略認為，原因是隱藏的行星：賽德諾與其他幾個最近報告的“極端”TNO 共享一種不可思議的排列方式。所有天體都生活在相對於已知行星存在的盤狀平面的高角度偏心軌道上，週期性地在軌道中穿過該平面——並且所有天體都在最接近太陽時穿過該平面。在天文學的神秘術語中，它們聚集在一個共同的“近日點幅角”周圍。

“通常近日點幅角應該是隨機的，在可能的方向的完整 0 到 360 度範圍內具有任何角度。但這些都非常不可能地聚集在一起，”特魯希略回憶道。“可以將它們限制在如此狹窄範圍內的因素之一是更遠處的巨大行星的存在……斯科特和我做了一些簡單的模擬，表明這是一種可能性，但我們沒有深入研究——我們主要只是報告了 2012 VP113 的發現。”

兩年後，布朗和巴特金的論文橫空出世，建立在謝潑德和特魯希略的工作基礎上，透過數百個模擬預測了可能世界——行星狩獵天文學家的藏寶圖 ——的質量和軌道。第九行星假說誕生了，隨之而來的是一直持續到今天的友好但激烈的競爭。

“這就是最優秀的科學，”謝潑德說。“我們注意到那裡發生了一些奇怪的事情，並展示了為什麼這可能是由於一顆大行星造成的。然後他們以此為基礎，實際得到了這個東西的軌道。我不認為我們有什麼要證明的，但是找到這顆行星會很有趣。無論誰在正確的時間將他們的望遠鏡指向正確的地點，都會做到這一點。”

在天體乾草堆中尋找針

大多數獵人都同意，如果第九行星位於最靠近太陽的點附近的任何地方，它應該足夠明亮，早就被發現了。相反，它可能靠近遠日點——其軌道的最外層掃掠，在那裡它移動最慢，因此花費的時間最多。在地球的天空中看到，它現在可能看起來像一個比冥王星中等大小的衛星略暗的小點，幾乎難以察覺地在星光背景下滑動。已經發現了更暗的 TNO，這意味著第九行星應該在世界各地許多望遠鏡的觀測範圍內。但是，正如巴特金所說，“行星可以隱藏的真實空間量是天文數字般的巨大。”這意味著大約 400 平方度的天空，或滿月覆蓋面積的 2,000 倍。

為了在這個巨大的空間內有體面的發現機會，人們需要一面非常大的聚光鏡來深入天空尋找暗淡的天體，以及一個寬廣的視野來快速掃描大塊天空，以便在天體乾草堆中尋找針。地面上只有少數望遠鏡（並且還沒有太空望遠鏡）同時擁有這兩者。

布朗和巴特金使用了最適合這項搜尋的裝置——位於夏威夷莫納克亞山頂一座休眠火山上的 8.2 米斯巴魯望遠鏡。謝潑德和特魯希略也這樣做，同時還利用其他幾臺大型望遠鏡的觀測結果來對沖他們的賭注。使用斯巴魯新的寬視場、8.7 億畫素的超廣角主焦點照相機，任何一個團隊每次成像都可以覆蓋六個滿月大小的天空。每個團隊都會連續幾個晚上拍攝天空的照片，然後使用計算機查詢任何未編目的、緩慢改變位置的天體。

搜尋只能在一年中的特定時間進行，主要是在北半球的秋季和冬季，那時第九行星可能居住的一般區域位於高空中。因此，這些競爭對手傾向於幾乎背靠背地進行觀測，一個團隊幾乎在另一個團隊收拾行裝離開時到達。早些時候，這兩個團隊共享資料並將調查區域劃分為一個或另一個團隊將觀測的地塊。但現在他們保持各自為政，盲目地重疊他們對任何給定天空區域的監測——不是出於不信任，而只是為了確保集體搜尋儘可能徹底。競爭對手沒有隻對任何給定的天空區域觀測一次，而是選擇透過他們的獨立性來對每個區域觀測兩次或更多次。

高海拔天氣有時會破壞狹窄的觀測視窗，而且這兩個團隊最近在斯巴魯的觀測會議都非常不幸。去年 12 月，布朗和巴特金在一次徒勞的執行中，幾乎持續不斷的冰雪天氣遮蔽了天空；他們最後一個晚上尤其糟糕，當時凍結在斯巴魯保護穹頂上的冰殼阻止了他們甚至進入望遠鏡。在 1 月的另一次旅行中，惡劣天氣阻止了謝潑德和特魯希略進行 70% 的計劃觀測。在布朗和巴特金最近在 2 月的出行中，持續的高海拔風將恆星塗抹成煎餅狀，破壞了搜尋。“我喜歡煎餅，”布朗在 Twitter 上打趣道，“但不是這麼多。”由於惡劣天氣的困擾，最初衝刺終點的比賽已經變成了一場更長的苦戰。

來自檔案

現在縮小第九行星可能隱藏地點的最全面的資料集之一根本不是來自望遠鏡搜尋——而是來自 NASA 在土星的卡西尼軌道飛行器，該飛行器在 2017 年在環狀行星中墜毀 [在 9 月]。這足夠長的時間讓航天器記錄下遙遠的行星可能在土星繞太陽運動中引起的任何微弱擾動。在巴特金和布朗宣佈之後，NASA 噴氣推進實驗室的一個團隊，由物理學家威廉·M·福克納領導，在卡西尼號任務期間發回的位置資料中尋找此類異常，但沒有發現。這意味著，如果第九行星存在並且質量約為地球的 10 倍，那麼它必須位於比想象的更長、更偏心的軌道上，並且接近遠日點，遠日點可能比 2016 年首次預測的遠兩倍。如此遠的距離會使其更難看到。或者，它可能比地球質量小 10 倍，並且仍然靠近布朗和巴特金的規範預測軌道。

或者它可能根本不存在。

“這裡令人痛苦的可能性是，第九行星太他媽遠了，然後我們必須等待新一代更好的望遠鏡來找到它，”巴特金說。“我儘量不去想的另一種可能性是它在銀河系平面中。”那是銀河系的圓盤，像發光的脊樑一樣在夜空中彎曲。第九行星提出的軌道的一部分穿過這個區域，在那裡，昏暗、緩慢移動的行星點可能會隱藏在濃霧般的背景恆星中。

只有一種近期的設施可以輕鬆穿透銀河系的發光面紗：大型綜合巡天望遠鏡 (LSST)，這是一個龐然大物般的天文臺，配備 8.4 米寬視場反射鏡和一個 30 億畫素的相機。LSST 目前正在智利建造，計劃於 2022 年開始其巡天，在每個夜晚的觀測中，LSST 將捕獲 20 太位元組的全景天空檢視，以建立前所未有的深度和細節的天體延時電影。其廣闊的視野很可能會發現數百個（如果不是數千個）額外的極端 TNO，從而提供大量硬資料來進一步檢驗布朗和巴特金的假設。即使第九行星相當暗淡，特別遙遠並且位於銀河系平面前方，支援或反對其存在的關鍵證據也應該在 LSST 的巨大資料庫中彈出，在巡天首次亮相後的幾年內——假設在此之前沒有被發現。

與此同時，卡西尼號並不是唯一用於正在進行的搜尋的檔案資料。密歇根大學天文學家大衛·格德斯領導的一個團隊正在採取不同的方法：在暗能量巡天 (DES) 的累積影像中尋找這顆行星，該專案目前已進入第五個也是最後一個年頭。DES 旨在繪製八分之一夜空的地圖，其視野恰好與布朗和巴特金對第九行星大致天體位置的最佳猜測相重疊。該專案的主力是暗能量相機，這是一種 5.7 億畫素的儀器，其視場是斯巴魯望遠鏡的兩倍。它安裝在智利安第斯山脈託洛洛山美洲天文臺的四米維克多·M·布蘭科望遠鏡上，距離 LSST 的施工現場僅一小段路程。DES 裝置在任何給定的快照中可以覆蓋斯巴魯望遠鏡兩倍的天空。但由於它的望遠鏡大約只有一半大小，因此必須進行更長時間的曝光——這種情況可以說讓斯巴魯望遠鏡略佔優勢。

其他廣泛類似的基於檔案的搜尋正處於不同的完成階段——主要是加州大學伯克利分校天體物理學家彼得·紐金特使用帕洛瑪天文臺的一架小型望遠鏡的資料監督的一個，以及伯克利天文學家亞倫·梅斯納及其同事使用 NASA 的太空廣域紅外巡天探測器 (WISE) 的資料進行的另一個。甚至還有一個“公民科學”網站，致力於讓任何人——甚至是你，親愛的讀者——仔細研究 WISE 影像以尋找這顆難以捉摸的行星。在所有觀測的背後，一個龐大而多樣的數值模擬生態系統在強大的超級計算機上嗡嗡作響，試圖透過模擬第九行星在數十億年時間尺度內對太陽系的引力影響，進一步縮小對第九行星的搜尋範圍。

“我們正在對天空進行地毯式轟炸，看看會掉出什麼東西，”格德斯說。“兩年過去了，關於第九行星我們可以說的第一件事是它不是唾手可得的果實，但我們仍在搖晃這棵樹。”

克服偏見

因此，搜尋仍在繼續，並受到較小發現的穩定涓涓細流的支撐：具有奇怪軌道的 TNO，似乎符合理論家堅持認為這樣的行星會創造的模式。

許多來自外太陽系起源調查 (OSSOS)，這是一個最近完成的專案，使用加拿大-法國-夏威夷望遠鏡上的 3.87 億畫素相機，該望遠鏡位於莫納克亞山的斯巴魯望遠鏡附近。在為期四年的執行中，OSSOS 透過深入凝視幾百平方度的天空區域，發現了幾個新的極端 TNO。當然，那麼，第九行星在太陽系外圍天平上的隱喻拇指應該已經在 OSSOS 資料上留下了指紋。事實上，在去年夏天發表的論文中，OSSOS 團隊宣佈他們新發現的三個極端 TNO 與支援第九行星假說的聚類模式一致——但第四個不一致。將這個異常值納入他們的分析並考慮他們觀測中的潛在偏差，該團隊得出結論，謝潑德和特魯希略在 2014 年首次確定的 TNO 聚類很可能只是幻覺。

也就是說，由於莫納克亞山和其他主要山頂天文臺的觀測執行的季節性和惡劣天氣，OSSOS 和其他巡天可能更容易在支援第九行星假說的天空區域中找到極端 TNO。如果是這樣，考慮到已知極端 TNO 的總數仍然非常低——在 10 個到略低於 30 個之間，具體取決於使用的定義——此類天體的真實、更典型的分佈只有在發現更多天體並考慮任何偏差後才會變得清晰。“我們不能用我們的新發現拒絕[極端 TNO 的]均勻分佈，”貝爾法斯特女王大學的天文學家和 OSSOS 團隊成員米歇爾·班尼斯特說。“我們不能說沒有第九行星，但我們可以說，其提出的效應在我們的獨立資料集中沒有以統計學上的顯著水平存在……現在所有這些巡天都已完成，繼續在那裡隱藏一顆 10 個地球質量的行星的要求越來越高。”

然而，很少有或根本沒有著名的第九行星獵人被動搖。布朗和巴特金拒絕了 OSSOS 團隊的暗示，即其他 TNO 搜尋由於模糊定義的偏差而不可靠，他們指出，即使偏差猖獗，當集體考慮具有廣泛不同方法論的巡天時，它們的效應應該會平均化。他們說，如果除了一項巡天 (OSSOS) 之外的所有巡天都顯示出聚類，那麼這種聚類很可能是真實的。

檔案 DES 搜尋的負責人格德斯承認，目前的所有巡天都存在一定程度的觀測偏差，必須仔細考慮。但他說，關於它們的重要性，陪審團仍在討論中。根據他的團隊在 2017 年進行的一項分析，他們在極端 TNO 中觀察到的軌道排列在沒有第九行星的情況下發生的可能性只有百分之幾。“‘百分之幾’是大還是小？”格德斯問道。“這取決於你的定義——如果下雨的可能性只有百分之幾，你就會繼續野餐。如果所有航空公司航班中有百分之幾墜毀，你永遠不會登上飛機。”

如果獎品是一顆新行星——以及隨之而來的對太陽系的全新理解——即使是第九行星的反對者也承認，失敗的重大機會也值得冒險。“你必須對最誘人的假設最為謹慎，”班尼斯特說。“它們很誘人，因為它們很美麗。擁有一顆額外的行星來研究將是令人著迷的——令人驚歎的。我們將用我們所有的望遠鏡觀察它。我們將撰寫提案，以便儘快向那裡發射宇宙飛船。但我們不能忘記，我們正在談論的太陽系領域仍然很難探索。我們必須小心資料試圖告訴我們的內容，因為我們正在繪製深處的地圖。”

班尼斯特說，無論第九行星是否存在，其展開的故事實際上都是一個關於發現我們宇宙的小角落是如何真正形成的的故事。“我們將根據我們在未來幾年在那裡發現的東西來撰寫我們太陽系的歷史書，並且已經很清楚，我們今天看到的系統與它形成時不同，”她說。“無論我們有九顆行星而不是八顆行星，這都不會改變。”