為什麼數學家算出太陽糸第九顆行星存在,原理是什麼?

鏡頭裡面鄉村


太陽系有八大行星,在2006年的國際天文聯合會上將冥王星降級為矮行星,在這之前太陽系是有“九大行星”的。之所以降級為矮行星,是因為冥王星不滿足行星定義的三個特點之一——沒有清除軌道內的其他小天體。

隨著天文的發展和觀測的方面開展,我們對太陽系的瞭解逐步加深。但是天文學家在越來越多的觀測中,發現了可能存在第九個行星的證據。

2016年1月20日,美國加州理工學院的邁克·布朗和康斯坦丁·巴特金在《天文物理期刊》發表他們的研究成果,宣佈發現太陽系柯伊伯帶中6顆天體的運行軌道異常,這6顆天體雖然以不同速率運轉,但其運行軌道卻擁有相同的傾角,且朝向太陽的角度相近,而自然條件下碰巧出現這一情況的幾率只有1/14000(0.007%)。在排除其他可能性後,這兩位天文學家認為,造成這種現象的原因可能是一顆未知行星在背後默默地發揮引力影響。

據推測,這顆可能的“太陽系第九大行星”的質量約為冥王星的4500倍,地球質量的10倍,因此其引力將顯著影響位於柯依伯帶幾顆“矮行星”的運行軌道。

這顆未知行星沿“奇特的楕圓軌道”繞太陽運行,與太陽之間的平均距離約為320億千米,遠日點約為1600億千米,而冥王星和太陽之間的平均距離約為59億千米,遠日點約為74億千米。

這顆未知行星環繞太陽一週需時1至2萬年,而冥王星環繞太陽一週需要248年,海王星需要164.8年。這顆未知行星可能為一顆巨型氣態行星。

根據2006年國際天文聯合會通過的決議,要成為太陽系的行星,需滿足三個條件:一是繞太陽運行;二是質量足夠大,才能以自身重力克服剛體力,呈現流體靜力平衡狀態的圓球體;三是能將鄰近軌道上的天體清除。

依據康斯坦丁·巴蒂金和麥克·布朗的模型表明,第九行星質量估計為地球 10 倍,與太陽半長軸距離約 700 AU(相當於海王星到太陽距離的 20 倍),沿著一個離心率極高的橢圓軌道繞行太陽公轉,並具有高達 30 度(±10 °)的傾角,軌道週期長達 1 萬 5,000 年。康斯坦丁·巴蒂金表示,現在已經有 5 條不同的觀察證據表明第九行星存在,“如果你不相信第九行星存在,那麼你必須面對更多懸而未決的問題,你得提出 5 種不同的理論來解釋太陽系的怪誕現象。”

 太陽系內 8 個主要行星在一個盤面上環繞中央恆星(太陽)公轉,按照理論來說,行星軌道盤面應該幾乎與太陽赤道面重合,但實際上,行星軌道面與太陽赤道面彼此傾斜了 6 度,為何會如此一直是道未解謎題。天文學家認為,這就是第九行星必須存在的第一個重要證據,唯有在海王星軌道外的太陽系外圍地區,存在一個質量不小的第九行星,在過去 45 億年緩緩對太陽系進行作用,才能迫使整個太陽系改變排列方式,並讓太陽自轉軸出現 6 度傾斜角。

第二個證據,是巴蒂金和布朗於 2016 年發現在太陽系極外緣的古柏帶中,有 6 個反海王星外天體和內太陽系行星家族一樣,有著“相同運轉方向”的橢圓軌道,只有第九行星的重力可以形塑這種現象。

第三個證據,這些天體也以相同的角度傾斜,但與內太陽系行星家族相比,橢圓軌道的天體盤面向下傾斜了 30 度。

第四個證據,電腦模擬表明必須有更多天體和太陽系平面呈現 90 度傾斜,而目前天文學家已經找到至少 5 個這樣的天體。最後一個證據,是古柏帶內所有天體的運行方向都和內太陽系天體相反,簡單來說就是逆向行駛,只有存在於外圍的超級地球“第九行星”其巨大重力能夠神不知鬼不覺辦到這些事情。



但是,這兩位天文學家也承認,目前還無法通過望遠鏡觀測到這顆未知行星,因為這顆未知行星距離太陽十分遙遠,行星表面反射的太陽光極其微弱,所以看起來就像黑屋子中的一顆煤球,極難發現。科學家們寄希望於2021年世界最大光學望遠鏡——大麥哲倫望遠鏡建成時,或許有可能觀測到這顆未知行星。

然而事情出乎意料,即使它至今仍未被找到,美國國家航空暨太空總署(NASA)仍宣示立場,強調第九行星確實存在,它不只是太陽系行星家族的手足,且終有一天還會回家吃團圓飯。 科學家表示,如果不承認第九行星的地位,就無法解釋太陽系內行星軌道面傾斜等各種怪誕現象,甚至會引發更多懸而未決的新問題。

目前很多科學團隊也試圖尋找第九行星的對應體,但是還沒有真正的觀測到該行星,我們可以肯定的是,如果存在,則應該十分闇弱。

目前主要是通過計算機來完成,通過計算機在數據中尋找該候選體。現在有論文表示,之所以難以發現,是因為第九行星可能是一個直徑為幾釐米的微型黑洞。無論如何我們可以通過下面兩篇論文得到自己的想法。在第一次提出第九行星存在的論文中指出,要麼真的存在第九行星,它塑造了遙遠小行星的軌道,要麼就是觀測計算中存在誤差。該團隊已經開始研究觀測偏差可能的作用,並嚴格量化它們。另一方面發現的一些遙遠的小行星其近日點都是聚集在一起的,論文作者表示這樣的隨機性只有0.2%的概率,在統計意義上這樣的聚類值得重視。

這幅圖描繪了遙遠的柯伊伯帶天體和行星9的軌道。以紫色呈現的軌道主要受行星9的引力控制,並顯示出緊密的軌道群集。另一方面,綠色軌道與海王星相聯繫,並表現出更廣泛的軌道色散。

在“行星9假說”的結論中,兩位作者說,“對行星9的搜索已經在全面展開,如果行星9如這裡所設想的那樣-存在,它將在未來十年內被發現。”

對於這些不需要行星9的遙遠天體的軌道,可能有另一種解釋。2019年1月發表的一篇名為“跨海王星物體的自引力圓盤中牧羊”的論文認為,一團冰體聚集在一起可能導致這些遙遠世界的奇怪軌道,而不需要第九顆行星來解釋它們。

對天文學家來說,找到行星9將是一次重大的勝利。在柯伊伯帶發現新物體的步伐正在加快。隨著更新、更好的望遠鏡上線,隨著計算機和算法的改進,任何行星,尤其是質量可能是地球10倍的行星,都將越來越難被隱藏起來。

參考文獻:

宇宙探索,在太陽系的邊緣,真的存在第九顆行星嗎?


老張教育新思享


當你朝地上扔一片羽毛時,羽毛沒有落地,而是飛了起來,你會認為是為什麼呢?

原因就是有風吹過

但是我們看不見風,也沒有被風吹,為什麼會知道有風呢?

就是因為羽毛的運動軌跡和我們預期的,或者說和我們腦海中計算出來的不一樣

同樣的道理也適用於太陽系

行星們的運動軌跡與數學家計算出來的有些不符合,而如果加入第九顆行星的存在,就符合觀測的結果

於是,數學家們算出了太陽系的第九顆行星的存在


我踏七彩祥雲


根據橢圓運動軌跡方程


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