尋找地球神秘的兄弟

圖一 新視野號(New Horizons)所拍攝下的冥王星影像(Credit: NASA/APL/SwRI)

撰文|蘇建翰

●神秘的X行星

加州理工學院的Mike Brown教授帶領的研究團隊近二十年來發現了許多軌道在海王星外的矮行星等小天體,或簡稱海外天體(trans-Neptunian objects, TNOs),其中最著名的一顆名叫Eris,你或許不認識這個名字,但如果談及Eris後續造成的效應那你肯定還有印象——研究團隊原本想要提名Eris成為太陽系的行星之一,最後國際天文聯合會的決議出爐反倒使冥王星和Eris一起被歸類到矮行星的分類去,八大行星的世界觀也就此維持下來。

在那之後,Mike Brown教授持續進行著有關的研究。2016年他和同事共同發表的一篇論文,透過對軌道半長軸更長,近日點更遠的極端海外天體(extreme trans-Neptunian objects, ETNOs)軌道的觀察,發現理論上應該隨機分布的ETNOs軌道多聚集在太陽的同一側,而根據模擬結果顯示,這應該是一個具有大質量的天體軌道佔據另外一側導致的現象。這一份研究為一直以來大家追尋的X行星的搜索提出一個新方向,攪亂了天文界的一池春水,大家都想要找到神秘的X行星,也就是第九大行星存在的證明。

●出發總要有個方向

有許多觀測上的資料都支持X行星的存在,那麼問題就來了,宇宙這麼大,茫茫的夜空中我們就要從哪裡找起?根據估算,這個尚未證實的X行星的質量雖然可以到達地球的八到十倍,遠遠大於曾經的老九冥王星,可以直接排進太陽系行星的第五名,直徑也可以達到地球直徑的兩到四倍,然而他的軌道距離太陽實在太遠,公轉一周的週期也跟著變的很長,長達一萬五千年,在夜空下就像是個既渺小移動又相當緩慢的目標,如果漫無目的地尋找簡直就像是大海撈針。

這時卡西尼探測器(Cassini)所蒐集到的資料提供了一些線索,卡西尼號是一艘環繞土星運行,研究土星系統的探測器,為了避免汙染可能有生命跡象的土星衛星,去年完成任務後以墜入土星大氣層燃燒殆盡的方式結束壯麗的一生。話說回來,一艘以研究土星為主的探測器要怎麼為探測遙遠的X行星幫上忙呢?一如前人利用天王星軌道的攝動(簡單來說就是軌道受其他星體影響而產生變化)推測海王星的存在,科學家想到可以利用卡西尼號精準的測量到土星和地球之間的距離,因為假如X行星真的存在,我們就能在土星的軌道上觀察到攝動的現象。利用這個方法,根據對X行星質量假設的不同,科學家們成功的將搜尋的範圍縮小到不等程度的區間,而這些範圍便是我們可以優先搜尋的目標。

●X行星或許早就在我們的手中

而在調動現有的天文望遠鏡直接觀測這個方法以外,一如伽利略兩次觀測到海王星都誤認為是恆星,也或許我們早就已經拍攝到卻尚未發掘到X行星的存在,因此搜尋現有的圖庫裡也是個好方法。因為恆星的位置幾乎是不會改變的,因此只要參考恆星的位置,我們就可以找出在天空移動的物體軌跡,包含行星。

基於前述的原理來自加州大學柏克萊分校的兩位研究生Michael Medford和Danny Goldstein提出一個新的搜尋方法,他們首先找出同一位置但不同時間的影像後,將已知的天體和雜訊帶來的影響移除,這時影像上所剩下的便是未知的物體,接下來順著時間的演進將影像重疊在一起,便可以這些未知物體是否有移動,如果有移動的話軌跡又是如何。透過這個方式我們可以找出在天空中有移動的物體,除了行星以外,同時也包含像是衛星或是宇宙射線等等,為此,他們利用機器學習訓練了一個模型來排除我們不要的資訊。如果這個技術能夠成功找到X行星,其他星體的標定也可以透過這個方式進行而更有效率。

圖二 已發現的ETNOs軌道以及預測的第九行星(綠色軌跡)的軌道圖 (Credit to wikipedia user: Tomruen)

●越來越接近的答案

近日,來自華盛頓卡內基研究所的Scott S. Sheppard帶領的團隊經過三年觀察後確定了2015發現的2015 TG387的軌道,這個暱稱為哥布林(Goblin)的ETNO和他一起漂浮在海王星外廣袤空間的小夥伴們一樣,都具有距離太陽相當遠的近日點和距離相當長的軌道半長軸,此外哥布林也和其他ETNOs一樣軌道聚集在太陽的同一側,經過模擬顯示在假設X行星存在下,哥布林可以維持軌道的穩定,因此哥布林的發現同樣也支持著X行星存在的假說。

隨著越來越多的ETNOs被發現,我們也越來越接近X行星是否存在的答案,人類自從十九世紀發現天王星後已經超過一百五十年,能否再度發現行星,這個榮譽又獎落誰家,相信在近幾年內就會揭曉。

 

參考資料:

[1] Is There a Giant Planet Lurking Beyond Pluto?

[2] Observational Constraints on Planet Nine : Cassini Range Observations

[3] A New High Perihelion Inner Oort Cloud Object

 

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