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第九行星可能已被探测到,只是沉睡在 NASA 观测数据中

北极蚊子 2019-11-18 15:21

人类从未停下探索宇宙的脚步。

了解天文的人,或许可以很快说出太阳系中八大行星的名字;但如果年龄更大些的,应该还有“九大行星”的印象:作为曾经末位的冥王星,在 2006 年被科学家“踢出”行星行列,并定义为矮行星——那些太阳周围轨道上近似球形的天体,其无法清空所在轨道上的邻居,同时也不是卫星。

而对行星的定义,也被新确立为:围绕太阳旋转,能在自身引力作用下形成近似球形,并且所在轨道除了自己的卫星外没有天体。在过去十几年里,天文学家们锲而不舍地追寻着下一颗“第九行星”。

最近一项研究表明,第九行星可能已经被观测到,只是目前还隐藏在美国宇航局(NASA)的凌星系外行星巡天卫星——TESS 的观测数据中。

研究人员表示,在太阳系的深处似乎潜伏着某种巨大的东西,其搅乱了海王星附近的一些柯伊伯带岩石轨道。部分天文学家认为它是一颗行星,其质量大约是地球的 5 倍,他们将其称之为“第九行星”。不过,找到这个“潜伏者”的过程十分艰难且缓慢,好消息是,NASA 巡天卫星的探测数据配合软件的数据计算推动了天文学家的工作。

图 | 八大行星——从太阳向外依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星(来源:Pixababy)

行星探索望远镜的”升级”

TESS 是 NASA 的“探索者计划”太空望远镜之一,其核心成像载荷由麻省理工学院设计并建造,在 2018 年 4 月发射升空之后就开始了它的搜寻行星之旅。

TESS 采用凌日法——利用行星对恒星光源的遮挡来探测系外行星,它长时间地注视着天空,寻找由我们与恒星之间绕行的行星所引起的微弱的、有规律的星光下降(即凌日);同时,从恒星变暗的程度也能推测出行星相对于恒星的大小。

它一方面主要搜索太阳系外行星,以试图为人类寻找潜在的“第二地球”;另一方面也注视着太阳系内的各个天体。但对于行星搜索望远镜来说,寻找非常遥远的行星和去找相对较近的行星完全是两码事。

因为,对于第九行星来说,探测它的凌日是不可能的——它根本不会在 TESS 和太阳之间通过。而且,单次曝光也无法显示出像第九行星那样微弱的物体。但是,TESS 长时间注视天空的方式可以和一种被称为数字追踪(Digital Tracking)的天文学技术相结合,从而得到一些新的启发。

图 | 第九行星可能已被 TESS 发现,但 NASA 还不知道(来源:NASA)

为揭示凌日现象短暂的骤降,TESS 拍摄了很多张同一视野下的照片。如果研究人员将这些图像堆叠起来,模糊的物体会变得更亮,从而暴露出原本隐藏的物体。

由于第九行星是一个移动的天体,因此仅仅把图像堆叠在一起并不一定能揭示该行星。那么研究人员就需要做出一些猜测,才能计算出天体的预估轨道,然后将曝光排序到估计位置的中心,再次堆叠图像。

研究人员表示:“为了发现轨道未知的新天体,我们可以去尝试所有潜在可能的轨道!”

应用数字追踪技术只需将图像,以及轨道和视差校正(TESS 在地球上具有高度椭圆形的轨道,因此视线在移动时会发生偏移)输入到软件程序中,然后静候结果即可。这听起来好像漫无目的,但实际上却很可能行得通——“老一辈”的哈勃太空望远镜就已经使用数字追踪技术来发现海王星以外的一些天体。

是否有足够的算力

如果说,研究人员能够推测出第九行星可能的运行轨道,那么科学家面临的下一个问题就是——TESS 是否有足够强大的能力去探测。好在这也有一种测试方法。

模型表明,第九行星的表面亮度(即从地球上看到的亮度)在 19 ~ 24 之间。一些已知的绕海王星轨道运行的天体,其在这个范围内有明显的波动,包括星体 Sedna(20.5~20.8),2015 BP519(21.5)和 2015 BM518(21.6)。

因此,该团队使用数字追踪技术解决了上述三个对象中的每一个,并且发现虽然这三个对象都能被显示为很模糊的图像,但却依然可以在这样低分辨率的晶体图像中被辨认出各自的不同。

图 | 上部为预计的探测效率;下部从左到右则依次是 Sedna、2015 BP519 和 2015 BM518 的预测位置视野内的堆叠图像(来源:Research Notes of the AAS)

如果说,TESS 能够看到在这个量级范围内的任何物体。研究人员分析称:“这意味着它也应该能够看到第九行星,甚至说第九行星的相关观测数据可能已经存在于 TESS 的数据中——只是人们尚未找到它。”

但问题是,这种探测与计算方法其实和暴力破解密码的穷举法十分相似,研究人员必须要测试所有可能的轨道,这样一来就需要进行大量的计算。“不知道是否有人能提供多余的超级计算机?”研究人员开玩笑道。

不同声音:老九也可能是个“黑洞”

在今年的早些时间,英国杜伦大学的物理学家 Jakub Scholtz 与美国伊利诺斯大学的 James Unwin 提出:人们至今未能发现所谓的“第九行星”,可能因为它并不是一颗行星,而是一个原初黑洞(primordial black hole);其直径可能不到 5 cm,但密度极高,正与地球一样绕着太阳运行。

原初黑洞(又称为太初黑洞),是一种假想的黑洞类型。这类黑洞不是因大质量恒星的引力坍缩而形成,而是来源于宇宙早期大爆炸暴涨时物质的超高密度。虽然到目前为止,并没有任何证据能直接支持原初黑洞的存在,但此前有多个研究指向:原初黑洞可能是普遍存在的。

其中一个重要的研究就是由波兰华沙大学发起的光学重力透镜实验(Optical Gravitational Lensing Experiment,简称 OGLE)项目,其目标是根据引力透镜效应来寻找宇宙中的黑暗物质。根据广义相对论,引力透镜效应就是当背景光源发出的光在引力场(如星系、星系团及黑洞)附近经过时,光线会像通过透镜一样发生弯曲。

多数引力场都是巨大的,它可能是一整个星系甚至是星系团,但 OGLE 研究过程中观测到的多个结果指出:有些引力场可能并没有星系那么大,并且离太阳系的距离可能非常近。这些物质密度非常高,质量是地球的 5 倍左右。

这些物质到底是什么?目前的研究还未能对此作出判断,而其中一个重要的猜想就是:原初黑洞。也许正是它在银河系的范围内造成了引力透镜效应。

图 | 可能是原始黑洞的第九行星(来源:NAGUALDESIGN; TOM RUEN/WIKIMEDIA COMMONS)

Scholtz 和 Unwin 正是根据 OGLE 的观测结果,将原初黑洞与第九行星联系了起来。他们表示,如果 OGLE 观测到的引力透镜事件是原初黑洞造成的,那么被太阳系捕获的原初黑洞也可能让太阳系边缘的星体出现轨道异常。

而天文学家追逐第九行星的原因,也是因为这些异常现象:在太阳系的边缘有个柯伊伯带,里面遍布着由岩石和冰块组成的星体。柯伊伯带上有的星体个头很小,容易受到附近大行星的引力干扰,但其中还有许多运动十分独立的星体,它们的轨道大不相同。一些星体甚至是绕太阳公转,另一些的轨道具有偏心率极高(很扁的椭圆),还有一些轨道平面上翘,与黄道面形成了显著的夹角。

要产生这样的效果,一个海王星或是“降级”了的冥王星都是远远不够的。因此,天文学家提出了一个假设,一定有其它的大质量星体在某个地方暗中发力,也就是一直被追寻至今的第九行星。

总而言之,不论是已经存在于 TESS 数据中心的第九行星,还是有科学家预测的原始黑洞,这都代表着人们在广袤宇宙时刻保有的好奇心,以及对星辰大海孜孜不倦地追寻。

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