太阳系存在第九大行星吗？

祝伟

2020-05-17

Image credit: Nature

内太阳系

外太阳系

小行星带

柯伊伯带

奥尔特星云

太阳系已知结构

散射盘

第九大行星？

Image credit: James Tuttle Keane/Caltech

Mike Brown

Kanstantin Batygin

• 轨道半长轴：400-800天文单位
• 公转周期：10000-20000年
• 行星质量：5-10倍地球质量
• 轨道离心率：0.2-0.5
• 原初行星级黑洞？？

行星运动的开普勒三定律

Johannes Kepler

(1571–1630)

“第一位天体物理学家，也是最后一位用科学方法研究占星术的人”

－－卡尔 萨根

1. 椭圆定律：每一个行星都沿各自的椭圆轨道环绕太阳，而太阳则处在椭圆的一个焦点。
2. 等面积定律：在相等时间内，太阳和运动着的行星的连线所扫过的面积都是相等的。
3. 周期定律：各个行星绕太阳公转周期的平方和它们的椭圆轨道的半长轴的立方成正比。

近日点

远日点

三体（多体）系统引力扰动

Isaac Newton

(1643-1727)

海王星的发现

• 1781年，William Herschel发现天王星(Uranus)；
• 1846年，法国Le Verrier，英国Adams独立预测了未知行星的轨道；同年海王星(Neptune)被发现。

John Couch Adams

Urbain Le Verrier

Johann Galle

Neptune in 1989 as imaged by the Voyager 2 probe

Vulcan的乌龙

Planet X和冥王星

1930年，Clyde Tombaugh发现冥王星(Pluto)

矮行星定义

(2006)

Eris的发现和冥王星的降级

• 2005年Mike Brown领导的观测组发现
• 比冥王星重27%

2003 UB\(_{313}\)

发现的年份

散射盘

近日点距离在海王星(Neptune)和冥王星(Pluto)轨道之间的高离心率天体。

Detached Objects

Sedna: The Flying Dutchman, or 2003 VB\(_{12}\)

Orbital Clusterings of Distant (stable) KBOs

稳定轨道

不稳定轨道

暂稳轨道

• 拥有稳定轨道的长周期KBO:
  • 轨道平面相近；
  • 近日点相近；
• 支持九大行星理论的关键证据！

Batygin & Brown (2016); Batygin et al. (2019)

第九大行星参数

WISE巡天观测下限

对海王星轨道扰动

原生星团的外部扰动

矮行星/行星界限

• 轨道半长轴：400-800天文单位
• 公转周期：10000-20000年
• 行星质量：5-10倍地球质量
• 轨道离心率：0.2-0.5
• 也有可能是行星级黑洞？？

寻找第九大行星

• 望远镜巡天（光学近红外，CMB巡天）
• 原初行星级黑洞？
  • 亚光速人造卫星？
    • Edward Witten：可行
    • Avi Loeb：不可行
  • 引力透镜

不一样的声音一：观测样本偏差？

RA=6h

RA=12h

RA=0h

RA=18h

形成模型的困境

• 第九大行星不同之处：
  • 离太阳太远（～500天文单位）；
  • 其轨道相对黄道面倾角大（～20度）；
  • 轨道离心率大（～0.3）。
• “三步走”形成模型：

三个臭皮匠顶一个诸葛亮？

Volk & Malhotra (2017); Silsbee & Tremaine (2018)

总结

～1600：开普勒三定律

Johannes Kepler