小小的冥王星，为何让几代天文学家头皮发麻？
2022/10/16 7:00:00 科学大院
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故事还要从1781年说起，“业余”天文学家威廉·赫歇尔自家的庭院中疑似发现了一颗新行星的痕迹。1783年，经过拉普拉斯的确认，这是一颗新的行星——天王星。
到了1785年，年轻的数学家布瓦德到巴黎谋生，最终在1794年遇到了拉普拉斯。当时的拉普拉斯正在完成自己的巨著《天体力学》，其中有非常多需要计算的内容，布瓦德便进行这样的工作。在随后的日子里，布瓦德发现了八颗新的彗星，并出版了木星土星以及天王星的星表。
不过，布瓦德很快就发现了事情的不对劲：根据1781年以后观测所计算的天王星轨道与之前的观测并不吻合(以前人们也有观测到，但并不知道这是天王星)，而修正之后的轨道又很快偏离了轨道。布瓦德制作了一个由77个方程组组成的系统，仍然无法修正这种误差。
因此，布瓦德认为，一定是有一个天体在外面影响到了天王星的运行。之后就是大家熟悉的故事了，在布瓦德去世3年后，1846年，勒维耶与亚当斯经过计算发现了太阳系第八颗行星——海王星。因此海王星又被称为：笔尖下的行星。
图1 亚当斯与勒威耶
可很快，天文界又发现了新的问题：海王星不能完全解释天王星的轨道异常，因此，应该还有一颗行星的存在。天文学家的视野向海王星之外望去，寻找更远的行星!
新的行星的寻找并不轻松。在19世纪的后50年，天文学家发现了各种能够证明新行星存在的证据，甚至人预测出了新的行星的轨道与周期，但人们始终没有发现新的行星的踪迹。
时间来到1906年，原定于致力于观测火星生命的洛厄尔开始致力于寻找新行星，他称这个行星为行星X。1915年，洛厄尔在经过十年运算后给出了自己所认为的行星X轨道的要素，但是仍然没有在预定的区域发现。到了第二年，洛厄尔便离开人间了。洛厄尔去世让X行星的寻找陷于停滞，到了1925年，洛厄尔的弟弟向天文台赞助了一台330毫米的望远镜，借助于这个望远镜，X行星的探测再度开始。
图2 洛厄尔天文台的13英寸(330毫米)望远镜
1929年，天文台台长将这个任务交给了年纪轻轻的克莱德·汤博。汤博的工作可以称得上是简单枯燥——通过眨眼比较器来比对不同夜空照片之间的差异。到了1930年初，他已经比对了将近200万颗恒星的照片，最终在1月29日和23日之间拍摄的底片上发现了一个移动的物体，再三确认之后，汤博认为这便是X行星。
3月13日，天文台在洛厄尔诞辰75周年之际宣布发现了新的行星，与洛厄尔之前所预测仅差了5.9°，满足了洛厄尔对于X行星轨道的预测。最终，这颗行星被命名为冥王星。后来人们发现，在洛厄尔去世之前，天文台就已经拍摄到了冥王星的踪迹，但是当时人们并没有从数以万计的照片中将其筛选出来。
图3 发现冥王星拍的照片
对于普通人来说，到这里已经可以开香槟了。但是上辈子当过香槟的同学们都知道，没有万全确定就冒然开香槟往往是半场开香槟。毕竟这个时候人们对于冥王星了解仍不够。
冥王星一被发现，人们就开始怀疑冥王星是不是可以担当X行星的位置：因为冥王星看起来非常小，亮度也比洛厄尔预测的低了六等，支持者认为这可能是反射率过低导致的，反对者认为这就是小行星甚至是彗星。
不过历史的走向最终让支持者越来越失望。一开始它的质量估计和地球差不多；到了1976年，通过对冥王星反照率的计算，它的质量只有地球的1%了；1978年，冥王星的卫星卡戎被发现，通过卡戎天文学家计算出了冥王星的质量只有地球的0.2%。
还有一个重要的问题是，冥王星的卫星卡戎的体积与质量相对来说非常大，二者甚至可以互为潮汐锁定，按理来说，这对于冥王星的升交点经度和轨道倾角都会造成影响。这样一来新的问题就出现了，为什么之前计算出的是正确的？
显然，还有新的行星在影响天王星的轨道。
1978年之后，一些天文学家继续寻找洛厄尔的行星X，另一些则认为X行星不存在。1992年7月，E. Myles Standish使用旅行者2号飞跃海王星的数据将海王星的质量下调了0.5%。0.5%的差异虽然不多，但天王星轨道的差异已经对于行星X的需求都消失了。另外，旅行者号等探测器也尚未发现大型天体的引力。看来，洛厄尔的X行星真的不存在。
可以开香槟了吗？再等一等!
1992年8月，15760 Albion被发现，这是冥王星之后的第一个外海王星天体。15760 Albion开启了外海王星天体被发现的序幕，到目前为止，已经有上千个外海王星天体被发现。这些天体大部分位于距离太阳30-50天文单位的带状区域中，天文学家将此命名为柯伊伯带。
2005年，天文学家麦克·布朗(Michael E. Brown)宣称发现了一颗比冥王星还大的外海王星天体，这一天体后来被命名为阋神星。阋神星的发现引发天文学家对于行星定义的讨论，最终在2006年，国际天文联合会对行星进行了定义，其中最重要的也是最具争议的一条是：必须清除轨道附近区域的小行星，公转轨道上不能有比它更大的天体。根据这个定义，冥王星和阋神星都被定义为矮行星。
布朗称自己为“冥王星杀手”，并在2010年出版了自己的回忆录《How I Killed Pluto and Why It Had It Coming》。有意思的是，2010年，通过掩星观测，阋神星要比冥王星小一些，这样曾经宣称阋神星一定比冥王星大的布朗有些尴尬，他对此发表了自己的评论(参考文献的两个网址)。
图4 阋神星，是如此的模糊与不起眼
虽然布朗“杀死了”冥王星，但却开启了新的X行星的魔盒。2003年，布朗与拉比诺维茨(David Rabinowitz)以及特鲁希略(Chadwick A. Trujillo)发现了一颗编号为2003VB12的天体，这一天体后来被命名为塞德娜。塞德娜的轨道十分夸张，近日点为76天文单位，远日点为937天文单位，与一般的行星相比，塞德娜的轨道是非常异常的，这引起了天文学家们的兴趣。
布朗和同事们认为，影响塞德娜轨道形成的原因可是柯伊伯带外看不见的行星或者太阳系形成早期的其他恒星。或许是之前寻找X行星的历程已经成为天文学家的信仰，布朗将更多的精力放在了行星假设上并提出了“第九行星”的假设。
图5 塞德娜的轨道(红色)与冥王星的轨道(紫色)
2012年，天文学家对92个柯伊伯带天体进行建模时，发现了其中六个天体(塞德娜, 2012 VP113, 2004 VN112, 2010 GB174, 2007 TG422和 2013 RF98)的轨道存在异常，这些行星的近日点在经度上非常接近，而且都有相对于黄道的轨道倾斜并且近似共面，而且由于是六个天文望远镜六次不同调查发现的，因此天文学家们排除了观测偏差的影响。通过计算，布朗认为这种情况只有0.007%的概率是偶然的，换句话说，这几乎必然受到了外力的影响。
图6 六个海王星外天体轨道与预测的“第九行星”的轨道
布朗与同事巴蒂金(Konstantin Batygin)对“第九行星”的轨道进行的估计：离心率为0.2-0.5，半长轴为400-800天文单位，质量可能为地球的10倍。不过，他们目前仍然没有在计算好的位置上发现“第九行星”。
在布朗看来，我们需要更多的望远镜进行巡天并且需要公众参与进来，才能最终发现这颗孤零零的行星。历史就是这样的神奇，埋葬了洛厄尔的X行星的人开启了新的X行星的搜寻历程，但愿他不要变成另一个洛厄尔。
虽然对于“第九行星”的存在，仍有许多天文学家质疑，但是在对历史有所了解的巴蒂金看来:我们绝不能认为我们知道了太阳系的一切并且没有什么是我们不知道的了。毕竟，上一个说过类似的话的人(开尔文)现在还被钉在物理学史的“耻辱柱”上。
参考文献：
[1] Collander-Brown S, Maran M, Williams I P. The effect on the Edgeworth-Kuiper Belt of a large distant tenth planet[J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2000, 318(1): 101-108.
[2] https://mikebrownsplanets.com/2010/11/shadowy-hand-of-eris.html
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[7] Batygin K, Adams F C, Brown M E, et al. The planet nine hypothesis[J]. Physics Reports, 2019, 805: 1-53.
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