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太阳系第九行星艺术概念图。
6柯伊伯带天体和可能的第九行星轨道示意图。
新闻背景
著名的国际杂志《科学》和《自然》都在2017年的科学展望中包括了对太阳系第九颗行星的搜索。这个问题是怎么产生的？天文学家为此做了哪些努力？
2016年是太阳系在“冥王星被降级”后又一个行星争端年。就在10年前，2006年，来自世界各地的天文学家齐聚布拉格，参加国际天文联合会会议，投票将冥王星重新定义为矮行星。这一重大事件的直接原因之一是加州理工学院的迈克·布朗发现了一颗质量比冥王星更高的行星。因此，许多人仍然认为布朗是“布鲁托·黑仔”。看看2016年1月布朗个人推特上一条非常有趣的消息:“好吧，好吧，现在我愿意承认:我坚信太阳系有九颗行星。”这到底是怎么回事？
一份“令人震惊”的报纸
2016年1月20日，《天文学杂志》发表了一篇“令人震惊”的论文，作者是加州理工学院的迈克·布朗和康斯坦丁·巴蒂金。根据六个奇怪的柯伊伯带天体(太阳系中位于海王星轨道之外、距太阳约30至50个天文单位的小天体)的数据，他们用计算机数值模拟的方法得出结论:太阳系可能有第九颗行星，质量约为地球的10倍，距太阳的平均距离约为海王星的20倍，是一个非常扁平的椭圆， 以及相对于其他行星的近日点(行星轨道上离太阳最近的位置),它需要大约10，000到20，000年才能绕太阳完成一整圈。
布朗这样描述了六个具有奇怪轨道的柯伊伯带物体:想象一个有六个指针的刻度盘，每个指针以不同的速度移动，但是当你在某个时刻看刻度盘时，你会惊讶地发现六个指针都指向同一个方向。该论文的作者认为，一颗尚未被发现和证实的行星只能解释这些柯伊伯带天体的奇怪轨道。
布朗和巴蒂金的论文发表后，他们引起了极大的关注，但也引起了不同的意见。西班牙的卡洛斯兄弟和英国剑桥大学的斯维尔·阿斯斯提出，如果第九颗行星的质量和轨道像布朗和巴蒂金所说的那样，那么如果第九颗行星对六个柯伊伯带天体的引力影响被逆转，就会发现六个天体的轨道是不稳定的，它们都可能在不到15亿年内离开太阳系。因此，在这个西班牙-英国团队看来，最有可能的情况是，不仅有一颗行星，而且还有太阳系以外的许多行星，从而保持奇怪的柯伊伯带天体的轨道稳定。
找到它至少需要三年时间？
布朗和巴蒂金分析的六个柯伊伯带物体中有一个特别有趣。它的编号是2012VP113，是由卡内基研究所的斯科特·谢泼德和双子座天文台的查德·维特基·特鲁希略共同发现的太阳系中最远的天体。
作为一个寻找第九颗行星的强有力的竞争团队，谢泼德和特鲁希略团队用位于智利和夏威夷的超大型望远镜搜索了大约10%的时间，但没有发现第九颗行星的任何踪迹，因为目前的数据只能给出可能行星的大致轨道。如果它位于近日点，它的亮度可以被地面望远镜探测到。如果运气不好，这颗可能的行星就位于远地点附近，只有世界上最大的望远镜才有机会捕捉到它的亮度。要搜索的天空面积太大，布朗和巴蒂金乐观估计至少需要三年才能找到它。
不确定的论点
天文学家普遍认为寻找第九颗行星将是一个漫长的等待。就在布朗和巴蒂金宣布第九颗行星可能存在的一个月后，来自大西洋彼岸的法国传来了好消息。在《天文学和天体物理学快报》上发表的一篇论文中，巴黎天文台的艾格尼丝·费恩加和雅库思·拉斯卡声称，他们使用了INPOP程序来比较卡西尼号探测器在2004年进入土星轨道后的数据，该程序以最高的精度计算太阳系的行星运动。发现如果将第九颗行星引入数值模型，可以解释数据和理论计算值之间的一些偏差。特别是通过这些数据的比较，研究小组可以为第九颗行星确定不可能的天空区域，甚至可以为第九颗行星的存在给出最可能的方向。换句话说，虽然第九颗行星的存在只能通过直接观测来证实，但法国天文学家的结论可以将该行星可能的天体区域的范围缩小一半，这确实是搜索和观测工作的事半功倍！
然而，美国喷气实验室卡西尼号探测器项目负责人威廉·福克纳立即发表声明，认为2004年至2016年的所有卡西尼号探测器轨道数据都可以用现有的数学模型来解释，而且“无法解释的”理论值和观测数据之间没有偏差。如果有第九颗行星，它的引力可能会影响土星的轨道，但不会对卡西尼的轨道产生任何影响。
法国天文学家认为，如果卡西尼号探测器的轨道数据能持续到2020年，它很可能会给第九颗行星的轨道测量带来很大的限制，但不幸的是，卡西尼号探测器将落入土星，并因燃料耗尽而在2017年晚些时候光荣退役。
三种可能的形成机制
即使我们更倾向于相信第九颗行星的存在，问题还是出现了:第九颗行星是如何形成的？美国哈佛-史密森尼天体物理中心的李和弗雷德·亚当斯考虑了三种可能的形成机制。其中，最可能的情况是太阳系中这颗行星的形成。由于太阳系在早期处于星团的内部，它很容易受到星团中其他恒星的引力影响，所以这颗行星逐渐被拉到太阳系的边缘，但这种情况的最高概率只有10%。另外两张图片分别是:第九颗行星是一颗系外行星，当太阳与行星的母星距离很近时，它被太阳捕获进入太阳系；第九颗行星原本是一颗自由行星，漫游在恒星空之间，被太阳捕获。这两种情况的概率更低，不到2%。
犹他大学的本杰明·布鲁姆利和哈佛-史密森尼学院的斯科特·肯扬的计算表明，李和亚当斯的第一个场景仍然是可能的。他们认为第九颗行星很可能是在靠近太阳的区域形成的，但是由于木星和土星的引力，它被慢慢抛向太阳系的边缘，如果这颗行星的存在能够被未来的观测所证实，那么这颗行星的形成历史可以通过分析这颗行星的组成来推断，但这一切都取决于观测。
认为第九颗行星可能是太阳系捕获的外行星的天文学家也在场。瑞典隆德大学的亚历山德拉·莫斯迪尔发表了一篇令人震惊的评论，认为第九颗行星是一颗系外行星，大约在45亿年前被太阳从其邻近的恒星“偷走”。当然，他的理论要求许多“有利因素”同时存在，例如行星的轨道必须非常平坦，星团中恒星之间的距离必须很近，等等。根据莫斯迪尔的说法，如果第九颗行星能够被证实存在，并且是一颗被太阳捕获的系外行星，那么它将是第一颗能够发送探测器近距离观察它的系外行星，因为其他系外行星的距离是用光年来测量的。
一百多年后，地球又被计算出来了？
正如美国卡内基研究所的斯科特·谢泼德所说:我们今天的处境与19世纪多么相似！自从赫歇尔在1781年发现天王星以来，天文学家已经注意到这颗行星的轨道观测值和理论计算值之间存在偏差。因此，一些人预测在天王星轨道之外还有另一颗行星。正是行星的引力导致了天王星轨道的偏离。英国的亚当斯和法国的利维尔独立计算了新星的位置。德国天文学家加勒最终通过望远镜观测证实了海王星的存在。因此海王星也被称为“笔尖上发现的行星”如果一架大型望远镜能够在可预见的未来观测到并确认第九颗行星的存在，那么它将是继海王星之后太阳系中另一颗通过计算预测的行星(只有这次借助于计算机数值模拟)，并通过观测得到证实。
如果我们真的能证实太阳系第九颗行星的发现，我们不仅能解释柯伊伯带天体的奇怪轨道，还能解释一系列困扰天文学家的难题，如“柯伊伯带悬崖”。太阳系有多少行星一直是最热门的天文话题。十年前，当冥王星被踢出行星团队时，有多少人哀叹甚至沉思到今天。历史总是惊人地重复。我想知道，由于100多年前其他天体的轨道异常，太阳系新行星的存在是否会通过计算和望远镜观测得到证实。让我们“擦擦镜子等着”。(作者是北京天文馆副馆长)
