自從有了牛頓經典力學和愛因斯坦的相對論,科學家們就掌握了太陽系天體的運行規律,甚至連水星進動的問題也得到了完美的解釋。
可是,隨着我們對太陽系天體發現得越來越多,明明看似對太陽系越來越瞭解,但實際上反而越來越困惑。對於那些新發現的、遠離我們的天體,科學家們發現了不同尋常之處。從冥王星開始,那些在海王星以外的天體普遍有着非常詭異的運行規律。
這些天體都位於我們通常所説的柯伊伯帶內,由於它們幾乎都位於海王星軌道以外,所以又被稱作外海王星天體或者海外天體。以冥王星為例,它距離太陽最遠的時候可以達到73.8億公里,而最近的時候卻只有44.4億公里,比海王星還要近。而2015年發現的海外天體Leleākūhonua更加誇張,近日點為65個天文單位,遠日點甚至達到了約2000個天文單位(3000億公里),偏心率達0.94。
除此之外,這些天體還有一個特點,那就是軌道傾角非常大。目前科學家認為:太陽系形成於一片原始星雲,其中的物質通過引力坍縮形成了今天的太陽系天體。同樣在引力作用下,它們幾乎會聚集在一個平面內,因此我們看到的太陽系和銀河系形狀都是扁的。不過,它們也不是絕對位於一個平面內,它們的軌道所在的平面之間有一些夾角也是正常的,但是這些海外天體的軌道傾角則尤其大。
(圖片説明:以冥王星為代表的柯伊伯帶天體,軌道既扁又傾斜)
很長時間以來,科學家們將這些海外天體的運行規律歸因於第九大行星,認為是這顆行星的強大引力干擾了它們的運行,但是又始終找不到這顆傳説中的天體。另一方面,如果不是這顆行星,科學家又很難找到其他原因來解釋這個現象。
問題就在於,它們實在太遙遠了,而且本身又不發光,體積和質量也非常小,這給我們的觀測帶來了極大的難度。正如科羅拉多大學博爾德分校的天體物理學家Ann-Marie Madigan所説:“這個範圍內的宇宙,比銀河系內的恆星或者其他可以觀測到的天體要近得多。”然而實際情況是,我們對這片區域的瞭解卻非常有限,也不知道這裏到底有沒有第九大行星。
不過最近,一些天體物理學家似乎找到了問題的答案。他們認為,這些天體之所以有如此詭異的運行規律,與第九大行星無關,而是它們內部的問題,是它們自己相互之間的不穩定性導致它們在幾百萬年的時間裏出現了軌道的變動。
近些年來,雖然我們對這片區域的瞭解仍然非常有限,但也發現了越來越多的證據,證明這裏的天體可能會非常密集,這很有可能是導致這些天體離奇的運行規律的根本原因。
為了找到二者之間的關係,Madigan和科羅拉多大學博爾德分校的另一位天體物理學家Alexander Zderic對這片區域進行了計算機模擬。憑藉着超級計算機的強大計算能力,以及目前所掌握的該區域內天體的質量等數據,兩個人模擬了它們的運行軌跡。
實際上,他們早在2018年就進行過這一項模擬,但是,他們的這一次模擬更加接近真實狀態,“模擬了一些可能位於外太陽系的一些天體,並且將木星等巨行星的引力干擾考慮在內”。同時,他們將範圍設定在了距離太陽100-1000個天文單位之內,遠遠超過了我們目前可以觀測的範圍。
模擬的起點,是一個非常穩定的太陽系。但是,這些天體的有序狀態並沒有保持多久,尤其在整體質量較高的情況下,混亂來得更早。隨着模擬的進行,這些混亂的天體不但自己不再安分,而且還互相干擾,彼此“推拉”,使對方偏離原來的軌道。
到模擬的最後,他們確實得到了這些外太陽系天體按照今天的規律運行的結果。這令他們非常興奮,Madigan自豪地説:“我們是第一個能夠完美再現這個過程的團隊,科學家們在這些年來發現的所有奇怪的軌道現象都重演了。”
不過,要想得到這樣的模擬結果,有一個條件不能忽略,那就是外太陽系必須有足夠的總質量。Madigan指出:“這需要總計達到20倍地球質量的天體,理論上這是可能的,但是肯定會和其他人所認為的相矛盾。”
而且,這也比此前一些科學家推測的第九大行星質量要大一些。那些將外太陽系天體軌道異常歸因於第九大行星的科學家認為,這是因為有一顆質量為地球十倍的天體導致的,而這一次Madigan等人推測的質量高,比這個數字大了一倍。
值得注意的是,此前有兩支科學團隊在外太陽系發現了一些小天體,結果發現,它們的運行規律與第九大行星干擾的理論並不匹配。如今加上Madigan和Zderic的理論,更是讓第九大行星的推測遭受到了前所未有的挑戰。
實際上,除了在太陽系外側尋找新的行星之外,科學家們還一度想在水星內部尋找行星,以解釋水星進動之謎。不過,最終人們沒有任何新的發現,這個謎題也是被愛因斯坦的廣義相對論給破解了的。因此,外太陽系出現的這種情況,或許也與其他行星無關,而是來自於我們未知的一些理論。
儘管Madigan等人相信自己的理論很可能就是終極答案,但這最終也要依賴於更強大的觀測能力。我們只能寄希望於更加強大的望遠鏡出現,才能解決外太陽系的謎題。就像Zderic所説的那樣,我們對於外太陽系的瞭解,恐怕還不如對銀河系其他恆星的瞭解那麼多,更不要説柯伊伯帶之外的奧爾特雲了。如何徹底瞭解我們的太陽系,將是天文學家們接下來要重點思考的問題。