2016年5月9日

第九行星

作者/葉永烜(中央大學天文所及太空所教授,研究興趣為太陽系來源及演化、小行星與彗星的物理性質和動力學、行星磁層與衛星及環系統的電槳作用,以及系外行星與恆星的作用。)

美國NASA的新視野太空船在2015年7月14日飛越冥王星,讓世人大開眼界。第一次見到這千里冰封的遙遠星球,居然存在很年輕的表面結構,在液態氮構成的海洋飄浮著水冰。雖然有這麼多奇妙特色,冥王星並不屬於從水星到海王星的八大行星家族。在2006年的國際天文學聯會會議經熱烈討論和表決結果,把冥王星界定為新一類的「矮行星」。主要原因是自從1992年朱維特(David Jewitt)和劉麗杏(Jane Liu)發現第一顆海王星外的小物體(1992 QB1)後,已經在外太陽系發現越來越多的星體。美國學界統稱它們為古柏帶物體(Kuiper belt objects),歐洲學界則稱之為海王星外體(Trans neptunian objects)。

這些海王星外物體有部份的公轉週期如冥王星一樣,和海王星公轉週期有2:3比例的關係(圖三)。除了冥族小行星的2:3共振週期,也存在3:4、2:5等共振族群。這些軌道構造可能和天王星及海王星形成時的軌道遷移作用有關,把一些海王星軌道外的小物體鎖在這些共振軌道。有趣的是,半長軸(a)在42 AU(天文單位)和48 AU之間,有一群低離心率(e)和低傾角(i)的物體,它們被稱為經典古柏帶物體。另一群稱為黃道離散天體的物體則有較大的e和i,但它們的近日點距離都在30~40 AU之間,相信是因為海王星重力彈射的作用而形成這樣的軌道分佈。

冥王星不再是行星,但從體積(半徑1187公里)和質量(1.3 x 10^22公斤)而言,它都是海王星物體之首。但這個榮銜差一點也掉了,在2005年發現的鬩神星(Eris,半徑1163公里,質量1.66 × 10^22公斤)和冥王星不相上下。它是黃道離散天體的一員。一些理論模型則認為,可能有許多同樣類型的大型海王星外物體尚待發現。

不尋常的軌道位置
故事主角在2003年開始陸續出場,它們是以賽德娜星(Sedna)為代表稱為賽德娜族(Sednoids)小行星。軌道特點是近日點都遠超過海王星的重力影響範圍,所以亦稱為分離物體。在2010年前,只有3個賽德娜族小行星被發現(Sedna、2004 VN112與2000 CR105)。第4顆(2010 GB174)是由中央大學天文所陳英同博士分析加法夏望遠鏡(CFHT)觀察資料所得。

陳英同在2013年完成的博士論文中,比較了這4個物體的軌道形狀(圖四)。他當時已發覺它們的遠日點方向都似乎集中在一邊,是有點不尋常,但因為只有4個資料點,在統計誤差較大之下,並未特別提出這個現象。隨後在2014年,特魯希略(Chadwick Trujillo)和雪帕德(Scott Sheppard)發現另一個分離物體2012 VP113,並且把所有近日點距離大於30 AU之海王星物體的近日點輻角(ω)分佈整理出來,發現半長軸小於150 AU時,ω值的分布呈均勻狀態;但半長軸大於150 AU時,ω值都集中在一個角度範圍(圖五)。他們便大膽指出這個軌道結構,說不定是因為在太陽系外圍存在一個大質量行星的作用效應。這便是尚待證實的第九行星。

尋找第九行星
由於離開太陽很遠,第九行星的亮度微弱不容易被找到。替代方法便是用天體力學計算認證,模擬第九行星的重力作用對海王星外物體的擾動,檢查用何種軌道參數和質量方可以產生如圖五的近日點輻角分佈。首先的想法,便是考慮一個2~3倍地球質量的星體及在半長軸為數百AU的圖形軌道運轉,如中央大學天文所博士生謝宗富的計算所示,這種組合通常只產生ω = 0°及ω = 180°附近的對稱性分佈,而無法形成單方向的集合點。

有點事後諸葛的說明,便是應該把近日點距離固定在某幾個格點,接著把離心率和傾角從零開始增大,然後比較哪些組合可得到較接近觀察數據的結果。在眾多嘗試中,加州理工學院的貝提金(Konstantin Batygin)和布朗(Michael Brown)於2016年初發表的一篇論文中利用分析和數值計算方法,推導出在太陽系外可能有一個質量大於10個地球,半長軸在400~1500 AU之間,離心率在0.5~0.8的第九行星。有趣的是,第九行星的軌道平面和黃道面差不多。此外,它的近日點和賽德娜族物體的遠日點會落在同一個方向。

這個思路連接到兩個重要問題。其一為第九行星的來源,它是如何形成的?為什麼會有這樣奇怪的軌道?其二是我們在海王星外物體的儲藏庫外,還需要一個賽德娜族物體的源區,當中物體的近日點原本遠大於100~200 AU,只有在受到第九行星的重力擾動,才會射入近日點50~100 AU的空間。

帶來毀滅的「復仇者女神」
當物理學諾貝爾獎得主阿爾瓦雷斯(Luis Alvarez)和他身為地質學家的兒子阿爾瓦雷斯(Walter Alvarez)合作提出6500萬年前的恐龍絕滅,是由於一顆10公里直徑的小行星碰撞地球所致。再加上古生物地質學家指出在地球過去的歷史,平均每3千萬年左右便有一次全球性的生物絕滅現象的統計數字。觸發很多有關太陽小物體分佈和演變的創見(有的甚至牽涉到暗物質!)。其中一個理論是:太陽有一個小質量伴星,可能是一個紅矮星,或是棕矮星。這個叫做「復仇者女神」的恆星,約每3千萬年會接近太陽一次,它會在這段時間穿越位置在數萬AU的奧特星雲,產生為期約1~2百萬年的彗星「驟雨」進入內太陽系,由此產生週期性的毀滅碰撞事件。

經過仔細天文觀察搜索,在太陽附近尚未有找到符合條件的紅矮星或棕矮星。但這不是說太陽系和星系中其它恆星未曾有近距離的接觸。當賽德娜星首被發現時,因為它的近日點遠高於海王星軌道,所以不可能是從那裡的物體演變而成。一個可能解釋為:它(和其它賽德娜族物體)是來自奧特雲(半長軸約30000~50000 AU)和古柏帶(半長軸約40~50 AU)之間的一個叫做「內」奧特雲的區域。這個「內」奧特雲的結構比較扁平,但所含的物體數量和質量比「外」奧特雲的結構比較扁平,但所含的物體數量和質量比「外」奧特雲要大一百倍之上。偶然的恆星穿越此區便可以把其中星體分別射入「外」奧特雲和賽德娜族物體的軌道。

在中央大學天文所畢業的曹永新碩士的論文工作,便是計算在太陽系周邊經過的恒星對海王星外物體和「內」奧特雲物體的影響。他發現軌道變化的程度,與恆星質量和與太陽最接近時的距離成正比。在恆星經過後,一些本來傾角非常小的軌道可以轉變成差不多垂直黃道面的軌道。我們覺得這可能觀察到的是海王星外物體中有些傾角非常大,甚致是逆轉的物體的來源。當然,同樣的機制亦是可以應用在貝提金和布朗提議的第九行星。事實上,謝宗富同學、林省文博士和我討論特魯希略和雪帕德的近日點輻角分佈圖時,便有想到假如賽德娜族物體的分佈不是常態,而是一個偶發事件,要試試用小質量恆星(因為它們比較多)以及自由浮動行星(free-floating planets)來做模擬,看看可不可以得到比較理想的結果。

第九行星是否存在?
第九行星如果真的存在的話,我們說不定便要改寫太陽系來源的教科書了。事實上,我們可能已有足夠的線索。首先,根據隕石同位素鋁–26(^26Al)的研究,知道太陽是在一個星團中,和其它大小不一的恆星一齊生成的可能性很大。初始時,原始恆星之間的距離不大,所以它們的外圍行星受到旁邊恆星之重力干擾的機率也不小。假如原始太陽系的外行星不止天王星和海王星,更有第九和第十行星...。根據行星軌道遷移理論,它們的軌道範圍應該在50~100 AU之間。這便把受到破壞的機會增加10~100倍,創立行星碰積發生理論模型計算的已故美國天文學家韋特利爾(George Wetherill)教授,有次便跟我抱怨說,外行星不好弄,因為它們軌道角動量小,當質量增長到一定程度,彼此的重力彈射作用便會將軌道弄得越來越偏離圓形,以致動不動便會互相拋射到很遠的地方。說不定這便是第九行星的命運。

這個第九行星的消息出來之後,引起很大的興趣和迴響。譬如提出冥王星和海王星公轉週期共振作用來源的馬爾霍特立(Renu Malholtra)教授和合作者推論這幾個賽德娜物體的軌道排列,可能是和第九行星的共振作用所致。使得這個外行星的可能位置的範圍,有一進步的界定。相信不久的將來,如在夏威夷的昴星團望遠鏡(Subaru Telescope)或者在建造中的大型綜合巡天望遠鏡(Large Synoptic Survey Telescope)的觀察,將可以釐清這件事情的真相。但我們不會閒著,因為如前所述,在過去我們已做了不少工作,積聚很多能量在行星系統形成的理論和觀察研究,歡迎各位年輕同學和學者加入這個行列,一同邁向太陽系的新視野。