第九行星

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  提示：此条目页的主题不是帕西瓦尔·罗威尔于1906年提出的行星X。
  此条目介绍的是这颗假想的行星于2014年首次提出。关于这颗矮行星以前被归类为太阳系的第九颗行星，请见“冥王星”。关于其他用法，请见“第九颗行星”。
Planet Nine
Planet Nine depicted as a dark sphere distant from the Sun with the Milky Way in the background.
艺术家对第九行星的印象，它使银河系中央黯然失色，远处是太阳；海王星的轨道显示为围绕太阳的小椭圆（参见带标签的版本）
轨道参数
远日点560+260
−140 AU[1]
近日点340+80
−70 AU[1]
半长轴460+160
−100 AU[1]
离心率0.2–0.5[2]
轨道周期9,900+5,500
−3,100 yr[A]
轨道倾角16+5
−°[3]
近日点参数150° (est.)[4]
物理特征
质量6.3+2.3
−1.5 M🜨[1]
视星等~21[3]

第九行星（英语：Planet Nine）是位于太阳系外围的假想行星[2][4]。它的引力效应可以解释一组极端海王星外天体轨道的特殊聚集，这些天体位于海王星之外，绕太阳运行的平均距离是地球的250倍以上。这些极端海王星外天体往往在一个扇形区内最接近太阳，其轨道也有类似的倾斜。这些排列表明，一颗未被发现的行星可能正在引导已知最遥远的太阳系天体的轨道[4][5][6]。尽管如此，一些天文学家仍对这一结论提出了质疑，并断言这是由于在一年中的大部分时间里发现和跟踪这些天体的困难，因此是由于观测偏差造成极端海王星外天体轨道的聚集[7]。

基于早期的考虑，预测这颗假设的超级地球大小的行星的质量是地球的五到十倍，距离太阳的细长轨道是地球的400到800倍。2021年对轨道的估计进行了改进，得出了较小的半长轴为380+140
−80 AU[3]。此后不久更新为460 +160
−100 AU[1]。康斯坦丁·巴蒂金（英语：Konstantin Batygin）和麦克·布朗提出，第九行星可能是一颗巨行星的核心，该行星在太阳系起源期间被木星从其原始轨道抛出。其他人提出这颗行星是从另一颗恒星捕获的[8]，之前是一颗星际行星；或者它在遥远的轨道上形成，并被一颗经过的恒星拉入偏心轨道[4]。

尽管广域红外线巡天探测卫星（WISE）和泛星计划等巡天都没有探测到第九行星，但它们并没有排除在外太阳系中存在海王星直径的天体[9][10]。过去的这些巡天探测第九行星的能力取决于它的位置和特征。正在使用NEOWISE和8米昴星团望远镜对其余区域进行进一步调查[11][12]。除非观测到第九行星，否则它的存在纯属猜测。已经提出了几种替代假设来解释观察到的海王星外天体（TNO）的聚集。

历史[编辑]

参见：假设的海王星外行星 § 遥远物体的轨道和独立天体 § 轨道

在1846年海王星的发现（英语：Discovery of Neptune）之后，有相当多的猜测认为有可能另一颗行星存在于其轨道之外。其中最著名的理论预测了一颗遥远行星的存在，这颗行星正在影响天王星和海王星的轨道。经过广泛的计算，帕西瓦尔·罗威尔预测了这颗假想的跨海王星行星的可能轨道和位置，并于1906年开始对其进行广泛的搜索。他将这个假想物体称为“X行星”；这个名字之前曾被加布里埃尔·达利特英语：Gabriel Dallet[13][14]。克莱德·汤博继续了罗威尔的搜寻，并于1930年发现冥王星，但很快就被确定为太小，不符合罗威尔的X行星的资格[15]。1989年旅行者2号飞越海王星后，天王星的预测轨道和观测轨道之间的差异被确定是由于使用了以前不准确的海王星质量[16]。

通过轨道扰动等间接手段探测海王星以外的行星的尝试可以追溯到发现冥王星之前。其中第一位是乔治·福布斯 (科学家)（英语：George Forbes (scientist)），他在1880年假设存在两颗跨海王星行星。第一颗与太阳的平均距离或半长轴为100 天文单位（AU），是地球的100倍，第二颗将具有 300 AU 的半长轴。他的工作被认为与最近的第九行星理论相似，因为行星将负责几个物体轨道的群集，在这种情况下，周期性彗星的远日点距离的群集接近100和300天文单位。这类似于木星族彗星在其轨道附近群集[17][18]。

在2004年，发现轨道特殊的小行星赛德娜，导致人们猜测它遇到了一个巨大的天体，而不是已知的任何行星之一。赛德娜的轨道是独立轨道，近日点距离为76天文单位，因此即使通过近日点时也不会受到海王星引力影响其轨迹的海王星外天体。有几位作者提出，赛德娜是在遇到一个巨大的天体后进入这个轨道的，例如遥远轨道上的未知行星，与形成太阳的疏散星团的成员，或后来经过太阳系附近的另一颗恒星[19][20]。2014年3月，在类似的轨道上发现了第二个近日点距离为80天文单位的类赛德娜天体，2012 VP113，这再次引发了人们的猜测，即遥远的太阳系中仍然存在一个未知的超级地球[21][22]。

在2012年的一次会议上，罗德尼·戈麦斯（英语：Rodney Gomes）提出：一颗未被发现的行星负责一些轨道独立的ETNO的轨道，并且有着巨大半长轴的半人马小行星，而这些太阳系小天体们穿过巨行星的轨道[23][24]。拟议的海王星质量行星将位于遥远（1500 AU）、偏心（离心率 0.4）和倾斜（倾角 ：40°）的轨道上。像第九行星一样，它会导致半长轴大于300天文单位的物体的近日点振荡，将一些送入行星交叉轨道，而另一些则进入像赛德娜这样的独立轨道。戈麦斯、苏亚雷斯（英语：Soares）和布拉瑟（英语：Brasser）在2015年发表了一篇文章，详细介绍了他们的论点[25]。

2014年，天文学家查德·楚希罗和史考特·桑德·雪柏注意到赛德娜和2012 VP113以及其它几个ETNO的轨道相似。他们提出，一颗位于200至300天文单位之间圆形轨道上的未知行星正在扰乱它们的轨道[5]。那年晚些时候，劳尔和卡洛斯·德拉富恩特·马科斯认为，轨道共振中的两颗大质量行星是产生如此多轨道的相似性所必需的，当时已知有13颗独立轨道的小行星[26]。使用39颗ETNO的更大样本，他们估计较近的行星的半长轴在300-400天文单位范围内，离心率相对较低，倾角接近14度[27]。

巴蒂金和布朗的假说[编辑]

Starfield with hypothetical path of Planet Nine
一条依据假想的第九行星远日点推导出，由西向东穿过猎户座的路径。它源自布朗的部落格上的意境构思[28]。

2016年初，加州理工学院的芭蒂金和布朗描述了第九行星如何解释六个ETNO的相似轨道，并提出了该行星可能的轨道[4]。这个假说也可以解释轨道垂直于内行星的ETNOs[4]和其它有极端倾斜的小行星[29]，并被作为对太阳旋转轴倾斜的解释[30]。

轨道[编辑]

最初假设第九行星以椭圆轨道绕太阳运行，偏心率为0.2 to 0.5，其半长轴估计为400 to 800 AU[B]，大约是海王星到太阳距离的13到26倍。这颗行星需要10,000到20,000年的时间才能绕太阳运行一个完整的轨道，并且它与地球轨道平面黄道的倾角预计为15° to 25°[2][31][C]。远日点，即或离太阳最远的点，将位于金牛座[32]，而近日点是离太阳最近的点，将位于巨蛇座（头）、蛇夫座或天秤座[33][34]。布朗认为，如果第九行星存在，那么使用动力弹弓轨迹可以在短短20年内到达它[35]。

质量和半径[编辑]

据估计，这颗行星的质量是地球的5到10倍，半径是地球的2到4倍[2]。布朗认为，如果第九行星存在，它的质量足以在45亿年（太阳系的年龄）里清除其轨道，以它的引力支配着太阳系的外缘，这足以使它符合成为行星的当前定义 [36]。天文学家让-吕克·玛戈特（Jean-Luc Margot）也表示，第九行星符合它的标准，如果它被探测到，将有资格成为一颗行星[37][38]。

起源[编辑]

参见：尼斯模型、Five-planet Nice model和行星迁移

已经研究了第九行星的几种可能起源，包括它从已知巨行星附近抛射，从另一颗恒星捕获，以及“原位形成”。在他们最初的文章中，巴蒂金和布朗提出，第九行星在离太阳更近的地方形成，并在星云时代与木星或土星近距离接触后，被抛射到遥远的偏心轨道[4]。然后，要么是附近恒星的引力，要么是来自太阳星云的气态残余物的拖曳[39]降低了其轨道的偏心率。这个过程提高了它的近日点，使它不受其他行星的影响，处于一个非常宽阔但稳定的轨道上[40][41]。

据估计，这种情况发生的几率仅为百分之几[42]。如果它没有被扔进太阳系最远的地方，第九行星可能会从原行星盘中吸积更多的质量，并发展成气态巨行星或冰巨行星的核心[36][43]。相对的，它的增长很早就停止了，使它的质量低于天王星或海王星[44]。

来自巨大的小行星带的动态摩擦也可能使第九行星被捕获到一个稳定的轨道上。最近的模型表明，60–130M🜨的小行星盘可能是在气体从原行星盘的外部清除时形成的[45]。当第九行星穿过这个圆盘时，它的引力会改变单个物体的路径，从而降低第九行星相对于它的速度。这将降低第九行星的离心率并稳定其轨道。如果这个圆盘有一个遥远的内边缘，即100–200{{{2}}}，一颗遇到海王星的行星将有20%的几率在与第九行星相似的轨道上被捕获，如果内缘在200{{{2}}}，更有可能观测到轨道的群集。与气态星云不同，小行星盘可能已经存在很长时间，因此可能允许后来的捕获[46]。

与另一颗恒星的相遇也可能改变遥远行星的轨道，将其从圆形轨道转变为偏心轨道。在这个距离上“原位”形成一颗行星需要一个非常巨大和广泛的圆盘[4]，或者固体在消散的盘中向外漂移，形成一个狭窄的环，行星从这个环中吸积了十亿年[47]。如果一颗行星在太阳处于其原始星团中时，在如此远的距离上形成，那么它在高度偏心的轨道上与太阳保持束缚的概率约为10%[48]。然而，当太阳仍然在它形成的疏散星团中时，任何延伸的圆盘都会受到经过的恒星引力破坏和光蒸发造成质量的损失[2]。

第九行星可能是在太阳和另一颗恒星近距离接触中，从太阳系外捕获的。如果一颗行星在围绕这颗恒星的遥远轨道上，三体在相遇期间的相互作用可能会改变行星的路径，使其处于围绕太阳的稳定轨道上。一颗起源于没有木星质量行星系统中的行星，可能会在遥远的偏心轨道上停留更长的时间，从而增加其被捕获的机会[8]。更广泛的可能轨道范围将使它在相对低倾角轨道上被捕获的几率降低到1-2%[48]。Amir Siraj和Avi Loeb发现，如果太阳曾经有一个遥远的、质量相等的联星伴星，那么太阳夺取第九行星的几率就会增加20倍[49][50]。这个过程也可能发生在星际行星上，但它们被捕获的可能性要小得多，只有0.05-0.10%被捕获在类似于第九行星的轨道上[51]。

证据[编辑]

远距小行星的种类
‡  注：在海王星外的矮行星都属于
"类冥天体"

第九行星的引力影响可以解释太阳系的四个特点[52]：

  • 极端海王星外天体轨道的群集；
  • 像赛德娜这样的天体的高近日点，它们是独立，不受海王星的影响；
  • 极端海王星外天体的高倾角，其轨道大致垂直于八颗已知行星的轨道；
  • 半长轴小于100 AU的高倾角海王星外天体（TNO）。

第九行星最初被提出来解释轨道的群集，通过一种机制来解释像赛德娜这样的天体的高近日点。其中一些天体演变成垂直轨道是出乎意料的，但发现与先前观察到的天体相匹配。后来发现，当其它行星被纳入模拟时，一些具有垂直轨道的物体的轨道会向较小的半长轴方向演化。尽管已经为这些特性提供了许多其它机制，但第九行星的引力影响是唯一可以解释所有四种现象的机制。然而，第九行星的引力也会增加穿过其轨道的其它物体的倾角，这可能会留下离散盘的物体[53]，即在海王星之外轨道运行，半长轴大于50天文单位的天体，以及倾角分布比观测到的更宽的短周期彗星[54]。在此之前，第九行星被假设为太阳自转轴相对于行星轨道倾斜 6 度的原因[55]，但最近对其预测轨道和质量的更新将这种偏移限制在〜1度[2]。

观测：高近日点天体的轨道群集[编辑]

天体的轨道显示为与黄道相交的倾斜椭圆。
该图说明了天体的真实异常、近心点的论点、升交点的经度和倾角。

特鲁希略和谢泼德最早描述了具有大半长轴的海王星外天体轨道的群集，他们注意到赛德娜和类赛德娜的2012 VP113轨道之间的相似性。如果没有第九行星的存在，这些轨道应该是随机分布的，没有偏好任何方向。经过进一步分析，特鲁希略和谢泼德观察到，近日点大于30 AU且半长轴大于150 AU的12个海王星外天体的近日点参数聚集在零度附近，这意味着当它们最接近太阳时，它们会升至黄道上方。特鲁希略和谢泼德提出，这种排列是由海王星以外的一颗巨大的未知行星通过古在机制引起的[5]。对于具有相似半长轴的物体，古在机制会将其近日点的论点限制在接近0度或180度。这种限制允许具有偏心和倾斜轨道的物体避免靠近行星，因为它们会在距离太阳最近和最远的点之间穿过行星轨道的平面，并在它们远高于或低于其轨道时穿过行星的轨道[26][56]。特鲁希略和谢泼德关于这些物体如何通过古在机制对齐的假设，已被进一步的分析和证据所取代[4]。

巴蒂金和布朗试图反驳特鲁希略和谢泼德提出的机制，还检查了具有大半长轴的海王星外天体的轨道[4]。在排除了特鲁希略和谢泼德的原始分析中由于接近海王星而不稳定，或受到海王星平均运动共振影响的物体后，巴蒂金和布朗确定其余六个物体的近日点论点（赛德娜、2012 VP113、小行星474640（英语：474640 Alicanto）、2010 GB174、2000 CR105、和2010 VZ98）被群集在一起，大约在318°±8°。这一发现与古在机制如何倾向于将轨道与近日点在0°或180°的论点对齐不一致[4][D]。

动画图从内行星和外行星的轨道缩小到最外层物体的大幅扩展轨道，这些天体指向萤幕的左侧。第九行星的假想轨道显示为一条虚线。
六个遥远的海王星外天体之间的轨道相关性导致了这一假设。（参见：最终帧轨道。）

巴蒂金和布朗还发现，半长轴大于250 AU和近日点超过30 AU的六个ETNO的轨道（赛德娜、2012 VP113、Alicanto、2010 GB174、2007 TG422、和2013 RF98），它们在空间上与它们的近日点方向大致相同，导致它们的近日点黄经的群集，这是它们最接近太阳的位置。这六个天体的轨道也相对于黄道的轨道倾斜，并且大约共面，产生了它们的升交点黄经的群集，即它们各自通过黄道上升的方向。他们确定这种对齐组合是偶然的只有0.007%的可能性[4][57][58]。 这六个天体是通过六架望远镜的六次不同调查发现的。这使得群集不太可能是由于观察偏差造成的，例如将望远镜指向天空的特定部分。观测到的群集应该在几亿年后被抹去，因为近日点和升交点的位置发生了变化，或者恒星进动，由于它们的半长轴和偏心率不同，它们以不同的速率变化[E]。这表明群集不可能是由于遥远的过去的事件造成的[4]， 例如，一颗路过的恒星[59]，并且很可能由绕太阳运行物体的引力场维持[4]。

六颗天体中的两颗（2013 RF98和Alicanto）也具有非常相似的轨道和光谱[60][61]。这导致了一种建议，即它们是在与遥远物体相遇时在远日点附近被破坏的联星天体。 联星的破坏需要相对近距离的相遇，但这在离太阳很远的地方变得不太可能[62]。

在后来的一篇文章中，特鲁希略和谢泼德指出了近日点的经度与半长轴大于150天文单位的海王星外天体的近日点幅角之间的相关性。近日点经度为 0–120° 的近日点参数在280° 到360° 之间，近日点经度在180° 和 340° 之间的参数在0° 和40° 之间。该相关性的统计学意义为99.99%。他们认为，这种相关性是由于这些物体的轨道通过其轨道上方或下方来避免接近大质量行星[63]。

卡洛斯和劳尔·德拉富恩特·马科斯在2017年的一篇文章中指出，到ETNO升交点的距离分布，以及半人马小行星和具有大半长轴的彗星的距离分布可能是双峰。他们认为这是由于ETNO避免接近半长轴为300-400天文单位的行星[64][65]。随着数据的增加（40个物件），ETNO的相互节点距离分布显示出最短的相互升交点和降交点距离之间存在统计学上的显著不对称性，这可能不是由于观测偏差，而可能是外部扰动的结果[66][67]。

极端海王星外天体绕轨道运行
极端海王星外天体和第九行星的轨道
六个原始轨道和八颗额外的极端海王星外天体，其近日点附近的当前位置为紫色，假设的第九行星轨道为绿色
极端海王星外天体和行星轨道的特写
13颗极端海王星外天体当前位置的特写视图

模拟：再现观察到的群集[编辑]

极端海王星外天体轨道的群集和近日点的升高在包括第九行星在内的模拟中再现。在巴蒂金和布朗进行的模拟中，以随机方向开始的半长轴高达550 AU的离散盘天体群被雕刻成空间受限轨道的近似共线和共面群的高度偏心轨道上。 这使得大多数天体的近日点指向相似的方向，并且天体的轨道具有相似的倾斜度。这些天体中有许多进入了像赛德娜这样的高近日点轨道，出乎意料的是，有些进入了垂直轨道。巴蒂金和布朗后来注意到这些轨道以前被观测到过[4]。

在他们最初的分析中，巴蒂金和布朗发现，在使用10个地球质量的模拟中，最好的再现前六个极端海王星外天体的轨道分布{{efn-ua|巴蒂金和布朗提供了质量的一个数量级估计。

  • 如果“M”等于0.1地球质量，那么动力学演化将以异常缓慢的速度进行，太阳系的寿命可能不足以进行所需的轨道雕刻。
  • 如果“M”等于1地球质量，那么长寿命拱点的反对齐轨道确实会发生，但不稳定轨道的移除将发生在比太阳系当前演化更长的时间尺度上。因此，即使它们会表现出对特定拱点方向的偏好，它们也不会像数据那样表现出真正的局限性。
  • 他们还指出，“M”大于10地球质量意味着半长轴更长。因此，他们估计该天体的质量可能在5到15M🜨。位于以下轨道的行星：[F]
  • 半长轴“a” ≈ 700 AU（轨道周期 7001.5=18,520 年）
  • 离心率 “e” ≈ 0.6，（近日点 ≈ 280 AU， 远日点 ≈ 1,120 AU）
  • 倾角“i” ≈ 对黄道倾角30°
  • 升交点黄经“Ω” ≈ 100°.[G]
  • 近心点幅角“ω” ≈ 140° 和近心点经度“ω”= 240°[68]。

第九行星的这些参数对海王星外天体产生了不同的模拟效果。半长轴大于250天文单位的天体与第九行星强烈反对齐，近日点与第九行星的近日点相对。半长轴在150 AU到250 天文单位之间的天体与第九行星弱对齐，近日点与第九行星的近日点方向相同。半长轴小于150天文单位的天体几乎没有受到影响[9]。模拟还显示，半长轴大于250 AU，如果它们的偏心度较低，就可以有稳定、对齐的轨道。这些天体尚待观察[4]。

还研究了第九行星的其它可能轨道，其半长轴在400 AU和1500 AU之间，离心率高达0.8，轨道倾角范围很广。这些轨道产生了不同的结果。巴蒂金和布朗发现，如果第九行星有更高的倾角，极端海王星外天体的轨道更有可能有类似的倾角，但反对齐也会减少[9]。Becker等人的模拟表明，如果第九行星的离心率较小，它们的轨道会更稳定，但在离心率较高的情况下，反对齐的可能性更大[69]。劳勒等人发现，如果第九行星的轨道是圆形的，那么与第九行星发生轨道共振时捕获的天体会更小，到达高倾角轨道的天体也会更少[70]。Cáceres等人的研究表明，如果第九行星的近日点轨道较低，极端海王星外天体的轨道会更好地对齐，但其近日点需要高于90 AU[71]。巴蒂金等人后来的研究发现，更高的离心率轨道降低了极端海王星外天体轨道的平均倾斜[2]。 虽然第九行星的轨道参数和质量有很多可能的组合，但没有一种替代模拟能更好地预测观测到的原始极端海王星外天体的排列。更多遥远太阳系天体的发现将使天文学家能够对这颗假设行星的轨道做出更准确的预测。这些也可能为第九行星假说提供进一步的支持或反驳[72][73]。

包括巨行星迁移在内的模拟导致极端海王星外天体轨道的排列较弱[54]。对齐的方向也发生了变化，随着半长轴的增加，从更对齐变为反对齐，随着近日点距离的增加，也从反对齐变为对齐。后者将导致螺线管的轨道与大多数其它极端海王星外天体相反[53]。

动力学：第九行星如何改变极端海王星外天体的轨道[编辑]

对齐的轨道在抛物线黑线的两侧显示为红色轮廓线，而反对齐的轨道则在抛物线内显示为蓝色轮廓线。
第九行星对半长轴为250天文单位的极端海王星外天体诱导的长期演化[74][75]。蓝色：反对齐排列，红色：对齐排列，绿色：亚稳的，橙色：循环的。黑线上方的是交叉轨道[H]
主条目：第九行星对海王星外天体的影响

第九行星通过一系列效应改变了极端海王星外天体的轨道。在很长的时间尺度上，第九行星对极端海王星外天体的轨道施加力矩，该力矩随其轨道与第九行星的对齐而变化。由此产生的角动量交换导致近日点上升，将它们置于类似塞德纳的轨道上，然后下降，在数亿年后使它们回到原来的轨道。当它们的离心率很小时，它们的近日点方向的运动也会反转，使物体保持反对齐，见图上的蓝色曲线，或对齐的红色曲线。在较短的时间尺度上，与第九行星的运动共振提供了相位保护，通过略微改变天体的半长轴来稳定它们的轨道，使它们的轨道与第九行星同步，并防止近距离接近。海王星和其他巨行星的引力，以及第九行星轨道的倾斜，减弱了这种保护。这导致了天体在共振之间跳跃时，半长轴的混沌变化，包括百万年时间尺度上的高阶共振，如27:17[75]。如果极端海王星外天体和第九行星都在倾斜轨道上，那么平均运动共振对于它们的生存可能不是必要的[76]。天体的轨道极点围绕太阳系拉普拉斯平面（英语：Laplace plane）的极点进动。在大的半长轴上，拉普拉斯平面向第九行星轨道的平面弯曲。这导致极端海王星外天体的轨道极点平均向一侧倾斜，并且使其升交点的经度群集[75]。

具有大半长轴的垂直轨道中的天体[编辑]

第九行星的轨道指向顶部，而群集的彗星则指向底部。
其中五颗轨道高度倾斜（几乎垂直于黄道）天体的轨道在这里显示为青色椭圆，假设的第九行星为橙色。

第九行星可以将极端海王星外天体送入大致垂直于黄道的轨道[77][78]。已经观测到几个倾角大于50°、半长轴大于250 AU的天体[79]。当一些低倾角的极端海王星外天体在到达低离心率轨道时与第九行星形成长期共振时，就会产生这些轨道。共振导致它们的离心率和倾角增加，将极端海王星外天体输送到具有低近日点的垂直轨道上，在那里它们更容易被观测到。然后，极端海王星外天体演变成具有较低离心率的逆行轨道，之后它们经过第二阶段的高离心率垂直轨道，然后返回低离心率和倾斜轨道。与第九行星的长期共振涉及轨道参数和近日点经度的线性组合：Δϖ – 2ω。与谷在机制不同，这种共振导致物体在几乎垂直的轨道上达到最大离心率。在巴蒂金和莫比德利进行的模拟中，这种进化相对常见，38%的稳定物体至少经历过一次[75]。当它们到达低近日点时，这些天体的近日点论点群集在第九行星的附近或对面，它们的昇交点经度群集在距离第九行星任一方向90°左右[4][76]。这与观测结果大致一致，这些观测结果的差异归因于与已知巨行星的遥远相遇[4]。

高倾角天体的轨道[编辑]

半长轴小于100天文单位的高倾角极端海王星外天体族群可能是由第九行星和其它巨行星的共同作用产生的。进入垂直轨道的极端海王星外天体的近日点足够小，其轨道可以与海王星或其他巨行星的轨道相交。与其中一颗行星的相遇可以将极端海王星外天体的半长轴降低到100 AU以下，在那里，物体的轨道不再由第九行星控制，使其轨道类似2008 KV42。预测这些天体中寿命最长的天体轨道分布是不均匀的。大多数轨道的近日点在5 AU到35 AU之间，倾角在110°以下；在一个几乎没有天体的间隙之外，将是其它倾斜度接近150°和近10 AU的物体[29]。以前有人提出这些物体起源于奥尔特云[80]。奥尔特云是理论上在2,000到200,000天文单位的距离上围绕太阳的冰星子[81]。然而，在没有第九行星的模拟中，奥尔特云产生的数量与观测结果相比不足[53]。一些高倾角的海王星外天体可能会变成逆行的木星特洛伊 [82]。

奥尔特云和彗星[编辑]

第九行星将改变彗星的来源区和倾角分布。在尼斯模型描述的巨行星迁移的模拟中，当包括第九行星时，奥尔特云中捕获的物体较少。其它天体将被捕获在由第九行星动态控制的天体云中。这颗第九行星云由极端海王星外天体和垂直天体组成，将天体的半长轴范围,从200天文单位延伸到3000天文单位，并包含大约0.3-0.4个地球质量[54][70]。当第九行星云中天体的近日点下降到足以与其它的行星相遇时，一些天体会分散到进入太阳系内部的轨道上，在那里它们可以成为彗星被观测到。如果第九行星存在，将大约占哈雷型彗星数量的三分之一。与第九行星的相互作用也会增加穿过其轨道的离散盘天体的轨道倾角[53]。木星族彗星也比观测到的具有更广泛的倾角分布[54][83]。最近对第九行星较小质量和离心率的估计将减少其对这些倾角的影响[2]。

2019年估计[编辑]

2019年2月，符合半长轴超过250天文单位的原始假设的极端海王星外天体总数已增加到14个[2]：

  • 半长轴400–500 AU;
  • 轨道离心率 0.15–0.3;
  • 轨道倾角〜 20°;
  • 质量约为地球质量的5倍。

2021年估计[编辑]

2021年8月，巴蒂金和布朗重新分析了与极端海王星外天体观测相关的数据，同时考虑了观测偏差，他们发现在某些方向上观测的可能性比其他方向更大。他们表示，观察到的轨道群集“在99.6%的置信水准下仍然很重要”[3]。将观测偏差与数值模拟相结合，他们预测了第九行星的特征[3]：

  • 半长轴380+140
    −80     AU（300–520 AU）;
  • 近日点300+85
    −60     AU (240–385 AU);
  • 轨道倾角 16+5
    −    ° (11°–21°);
  • 质量6.2+2.2
    −1.3    地球质量（8.4M⊕–4.9M⊕）。

接受度[编辑]

巴蒂金在解释为他和布朗的研究文章开发的模拟结果时很谨慎，他说：“在第九行星被相机捕捉到之前，它不算是真实的。我们现在所拥有的只是一个回声。”[84]。2016年，布朗认为第九行星存在的几率约为90%[36]。格雷戈里·劳克林（英语：Greg Laughlin）是为数不多的提前知道这篇文章的研究人员之一，他给出了68.3%的估计[6]。其他持怀疑态度的科学家需要更多的数据来分析额外的柯伊伯带天体或通过照片确认的最终证据[85][73][86]。布朗，虽然承认怀疑论者的观点，但仍然认为有足够的数据来寻找新行星[87]。

第九行星假说得到了几位天文学家和学者的支援。2016年1月，美国国家航空航天局科学任务局局长吉姆·格林（英语：James L. Green）说：“现在的证据比以前更有力。”[88]。但格林也警告说，对于观测到遥远的极端海王星外天体的运动，还有其它可能的解释，并引用卡尔·萨根的话说：“非比寻常的索赔需要非比寻常的证据。”[36]。麻省理工学院教授汤玛斯·莱文森（英语：Tom Levenson）得出结论，就目前而言，第九行星似乎是目前已知的关于太阳系外围区域唯一能令多数人满意的解释[84]。天文学家亚历山德罗·莫比德利 (天文学家)（英语：Alessandro Morbidelli）在《天文学杂志》（The Astronomical Journal）上评论了这篇研究文章，他对此表示赞同，他说：“我看不出巴蒂金和布朗还能提任何其它的解释。”[6][36]。

天文学家雷努·玛律霍特拉（Renu Malhotra）仍然对第九行星无所知，但她指出，她和她的同事们发现，极端海王星外天体的轨道似乎以一种难以解释的方式倾斜。她说：“我们看到的翘曲量简直太疯狂了，对我来说，这是迄今为止我遇到的关于第九行星最有趣的证据。”[89]。

其他专家则持不同程度的怀疑态度。美国天体物理学家伊桑·西格尔（Ethan Siegel）此前曾推测行星可能是在早期动力学不稳定期间从太阳系中喷射出来的，他对太阳系中是否存在未被发现的行星持怀疑态度[78][90]。在2018年的一篇文章中，他讨论了一项没有发现极端海王星外天体轨道群集证据的调查，他认为先前观察到的群集可能是观测偏差的结果，并声称大多数科学家认为第九行星不存在[91]。 行星科学家哈尔·莱维森（英语：Harold F. Levison）认为，抛射出的天体最终进入奥尔特云内部的几率只有2%左右，并推测如果一个天体进入了稳定的轨道，那么许多天体一定已经被抛过了奥尔特云[92]。

2020年，根据外太阳系起源调查（英语：Outer Solar System Origins Survey）和暗能量巡天的结果，对第九行星假说产生了进一步的怀疑，OSSOS记录了800多个跨海王星天体，暗能量调查发现了316个新天体[93]。这两项调查都调整了观测偏差，并得出结论：在观察到的物体中，没有群集的证据[94]。作者进一步解释说，几乎所有天体的轨道都可以用物理现象来解释，而不是像布朗和巴蒂金所提出的第九颗行星那样[95]。其中一项研究的作者萨曼莎·劳勒（Samantha Lawler）表示，布朗和巴蒂金提出的第九行星假说“经不起详细的观察”，指出800个天体的样本相较于少得多的14个样本，量要大得多，而基于上述天体的结论性研究“为时过早”。她进一步解释说，这些极端轨道的现象可能是由于海王星在太阳系历史早期向外迁移时的引力掩星造成的[96]。

备选假说[编辑]

临时或巧合的群集[编辑]

外太阳系调查（OSSOS）的结果表明，观测到的群集是观测偏差和小数统计相结合的结果。OSSOS是对具有已知偏差的外太阳系的良好特征调查，观测到八颗半长轴大于150天文单位的天体，其轨道方向很宽广。在考虑了调查的观测偏差后，没有看到和Sheppard确定的近日点（ω）群集论点的证据，[I]半长轴最大的天体的轨道方向在统计学上与随机性一致[97][98]。佩德罗·伯纳迪内利（Pedro Bernardinelli）和他的同事们还发现，暗能量巡天发现的极端海王星外天体的轨道元素没有显示出群集的证据。然而，他们也指出，天空覆盖率和发现的天体数量不足以表明没有第九行星[99][100]。当这两项调查与特鲁希略和谢泼德的调查相结合时，也发现了类似的结果[101]。这些结果与迈克·布朗对先前观察到的极端海王星外天体中发现偏差的分析不同。他发现，在考虑了观测偏差之后，如果10个已知极端海王星外天体的实际分布均匀，则只有1.2%的时间可以观察到近日点经度的群集。当与观察到的近日点参数群集的几率相结合时，概率为0.025%[102]。布朗和巴蒂金后来对14个极端海王星外天体的发现偏差进行了分析，确定观测到的近日点经度和轨道极点位置群集的概率为0.2%[103]。

对在第九行星影响下演化的15个已知天体的模拟也揭示了与观测结果的差异。 科里·尚克曼（Cory Shankman）和他的同事们将第九行星纳入了对15个半长轴大于150天文单位、近日点大于30天文单位的天体的许多复制（具有相似轨道的天体）的模拟中[J]。虽然他们观察到半长轴大于250天文单位的天体轨道与第九行星相反的轨道对齐，但没有看到近日点论点的群集。他们的模拟还表明，极端海王星外天体的近日点上升和下降是平稳的，使许多极端海王星外天体的近日点距离在50 AU和70 AU之间，而这些天体没有被观测到，并预测还会有许多其它未观测到的天体[104]。其中包括一个大型高倾角天体，由于大多数观测结果都是小倾角，这些天体会被遗漏[70]，以及大量近日点是如此遥远的天体，以至于它们太微弱而无法观察到。许多天体在遇到其它巨行星后也能被驱逐出太阳系。大量未观测到的种群和许多天体的丢失导致尚克曼等人估计原始种群的质量是地球质量的数十倍，这就要求在太阳系早期喷出更大的质量[K]。尚克曼等人得出结论，第九行星的存在不太可能，目前观察到的现有极端海王星外天体的排列是一种暂时现象，随着更多天体被探测到，这种现象将消失[89][104]。

大容量圆盘中的倾斜不稳定性[编辑]

安-玛丽·马迪根（Ann-Marie Madigan）和迈克尔·麦考特（Michael McCourt）假设，在遥远的大质量带（假设称为Zderic-Madigan或ZM带）中，倾角不稳定性（英语：Inclination instability）负责极端海王星外天体近日点论点的对齐[105]。在这种具有高离心率轨道的粒子盘中可能发生倾角不稳定性（e > 0.6）围绕一个中心天体，如太阳。这个圆盘的自重力会导致它的自发组织，增加物体的倾斜度并对齐近日点的论点，将其形成一个在原始平面上方或下方的圆锥体[106]。这个过程需要更长的时间和足够大的圆盘质量，大约需要十亿年的时间，1-10 地球质量盘[105]。安-玛丽·马迪根认为，一些已经发现的海王星外天体，如90377 塞德纳和2012 VP113可能是这个圆盘的成员[107]。如果是这样的话，该地区可能会有数千个类似的天体[107]。迈克·布朗（Mike Brown）认为第九行星是一个更可能的解释，并指出目前的调查还没有揭示出足够大的离散盘来产生“倾角不稳定性”[108][109]。在包括小行星盘自重力在内的太阳系尼斯模型模拟中，没有发生倾角不稳定。取而代之的是，模拟产生了物体轨道的快速进动，并且大多数天体在太短的时间尺度上被抛射出来，以至于发生了倾角不稳定[110]。2020年，马迪根及其同事表明，倾角不稳定性需要20地球质量存在于一个半长轴为几百天文单位的天体盘中[111]。该圆盘中的倾角不稳定性也可以再现极端海王星外天体的近日点距离中观察到的间隙[112]，以及在给定足够时间的倾斜不稳定性后观察到的近端排列[113][114]。截至2022年的模拟表明，薇拉·鲁宾天文台的时空遗产调查（LSST，Legacy Survey of Space and Time）专案在2024年开始数据收集时，应该能够提供支援或反对 ZM 带的有力证据[107]。

由一个巨大的圆盘牧养[编辑]

反响[编辑]

美国太空总署行星科学部主任吉姆·格林支持麦克·布朗的说法，他认为“现在的证据比之前更强”。但格林警告说，对遥远海王星外天体观察到的运动有其他的可能性，并引用卡尔·萨根的话“非凡的主张需要非凡的证据”。

汤姆·莱文森得出的结论是“就目前而言，第九行星似乎是现在所知道的太阳系外围区域唯一令人满意的解释”。亚历山德罗·莫尔比德利（Alessandro Morbidelli）评论《天文期刊》的研究文章时表示同意，他说“我看不到其他解释可以取代贝提金和布朗所提出的”。

美国天体物理学家伊森·西格尔对太阳系中存在尚未发现的行星持怀疑态度，但他推测太阳系至少有一颗超级地球，这种星球在其他行星系统中很常见，但尚未在太阳系中被发现。超级地球在太阳系早期的动力不稳定期间可能已经从太阳系中弹出。行星科学家哈尔·莱维森（Hal Levison）认为被弹出太阳系的超级地球最终落入奥尔特云的可能性仅为2％左右，并推测如果该星球进入稳定的轨道，许多物体必须被抛出奥尔特云。

天文学家预计，第九行星的发现将有助于人类理解太阳系和其他行星系统形成的过程，了解太阳系的非比寻常——因为其缺乏位于地球与海王星质量之间的行星。

注解[编辑]

  1. ^ 据布朗和巴蒂金估计，截至2021年，第九行星的半长轴在360至620天文单位之间；这意味着这颗行星的轨道周期介于6,800（3601.5）至15,400（6201.5）年。
  2. ^ 从400 AU延伸到1,000 AU的一系列半长轴在模拟中产生了观察到的群集[9]。
  3. ^ 《纽约客》将第九行星的平均轨道距离纳入视角，显然暗指该杂志最著名的漫画之一：“从第九大道看世界（英语：View of the World from 9th Avenue）”： “如果太阳在第五大道，地球在西边一个街区，木星将在西边高速公路上，冥王星将在新泽西州蒙特克雷尔，而新行星将在克利夫兰附近的某个地方[6]。”
  4. ^ 有两种类型的保护机制是可能的[56]：
    1. 对于“a”和“e”值使得它们只能在近日点（或远日点）附近遇到行星的天体，这种相遇可以通过高倾角和“ω”大约90°或270°的天体来阻止（即使相遇发生，由于相对速度相对较高，它们也不会对小行星的轨道产生太大影响）。
    2. 当“ω”在0°或180°左右振荡，并且小行星的半长轴接近扰动行星的半长轴时，另一种机制是可行的：在这种情况下°节点交叉总是远离行星本身，发生在近日点和远日点附近，前提是偏心率足够高并且行星的轨道几乎是圆形的。
  5. ^ 对于具有较大半长轴和倾角以及较小偏心率的物体，进动速率较慢： 此处的是行星木星穿过海王星的质量和半长轴。
  6. ^ 括弧中的计算值。
  7. ^ 6个天体的升交点的平均经度约为102°。在后来发表的一篇部落格中，巴蒂金和布朗将他们对升交点经度的估计限制为94°。
  8. ^ 文章中的类似图形在伯斯特（Beust）[74]、巴蒂金和莫比德利（Morbidelli）的文章中[75]。 图是哈密顿（Hamiltonian）绘的，显示了具有相等能量的轨道偏心率和取向的组合。如果没有与第九行星近距离相遇，这将改变轨道的能量，那么随着轨道的演变，天体的轨道根数将保持在其中一条曲线上。
  9. ^ 在具有半长轴大于150 AU>的八个天体中，OSSOS发现了三个具有Trojillo和Sheppard（2014）先前确定的星团之外的近日点（ω）参数[5]：2015 GT50、2015 KH163、和 2013 UT15[97]。
  10. ^ 所有 15 个轨道演化图的连结包含在文章的档案版本中.
  11. ^ 尚克曼等人估计，这个群体的质量是地球质量的几十倍，需要从巨行星附近喷出数百到数千个地球质量才能保留下来。在尼斯模型中，估计有20-50个地球质量被喷射出来，在巨行星形成过程中，也有相当大的质量从它们附近喷出。

相关条目[编辑]

参考资料[编辑]

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