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美国加州理工学院的学者发现，外太阳系可能存在着一个轨道狭长奇特的巨行星。学者们称其为“行星九号”，它的质量大约是地球的10倍，轨道半径平均值超过海王星的20倍（海王星轨道半径的平均值大约是28亿英里）。这个行星每1万至2万年才能完成一次公转。 
这幅艺术渲染图从背面描绘了这颗遥远的“行星九号”。据信这颗行星是气体巨行星，与天王星和海王星类似。Caltech / R. Hurt
Konstantin Batygin和Mike Brown两位学者，通过数学模型演算获得了这颗行星存在的证据，但尚未直接观察到它。
“这是一颗行星，”行星天文学教授Brown这样说。“古代之后，人类只发现过两颗货真价实的行星，而这可能是第三颗。外太阳系是一个我们知之甚少的疆域，那里存在着许多令人兴奋的新事物。”
根据Brown的推断，这颗行星的质量是冥王星的5000倍，它的体积相当大，因此毫无疑问是一颗行星。和身形较小的矮行星不同，“行星九号”的引力统治着它周围的一切。实际上，它的所辖范围比其它一切已知行星都要大。
Batygin和Brown在《天文学期刊》上撰文阐述了这颗行星和海王星轨道外的冰雪地带——柯伊伯带身上诸多谜团间的联系。
Batygin（右）和Brown（左）。Lance Hayashida / Caltech
“起初对于这颗行星是否存在的构想是颇具推测性的，但随着对其轨道和外太阳系天体间关系的进一步调研，我们越来越能肯定它的存在。”行星科学助理教授Batygin这样说。“150年以来，我们第一次有了坚实的证据，表明人类对太阳系行星数量的调查是不完备的。”
通往这一发现的路途并不顺利。2014年，Brown的博士后Chad Trujillo和另一位同事Scott Sheppard发表了一篇论文，指出柯伊伯带内13个最为遥远的天体似乎共同遵遁着一个不怎么显著的特点。为了解释这种相似性，他们认为那里可能存在着一个小型行星。Brown并不认可这个观点，但却被这一想法激起了兴趣。
他带着疑问来找Batygin，两个人用了一年半的时间，合作调查了这些遥远的天体。一位观察家，一位理论家，两位学者从不同的角度进行突破。Brown善于仰望天空，寻找那些可以被发现的东西；而Batygin把自己投入到动力学中，从物理学的立场来思考可能存在的机制。这种差异让学者们的观点撞出了火花，获得了新的思路。“我通常会带来一些观测方面的建议；而他总是从理论的角度提出观点。然后我们互相推进，”Brown说。“这一两年，可能是我从事太阳系研究工作以来最有意思的一段时期。”
不久后，两位学者就意识到，Trujillo和Sheppard提到的那些最为遥远的柯伊伯带天体中，有6个天体的椭圆型轨道指向了空间的相同一侧。这是一个非常令人吃惊的发现，因为它们椭圆形轨道的外侧顶点会围绕太阳系移动，且速度是各不相同的。
六个海王星轨道以外的遥远天体神秘地排列在了同一个方向（粉色）。在三维空间中，它们又和太阳系平面保持了相同的夹角。学者们发现，只有在太阳系的相反方向上存在一个质量10倍于地球的行星（黄色），才能维持这样的轨道格局。Caltech / R. Hurt
“也就是说它们就像时钟上的六根针，在以不同的速度运行。但是每当我们抬头观看，都保持着相同的布局。”Brown说。产生这种布局的概率大约是百分之一。但是这六个天体的轨道面，都与已知8大行星的轨道面在同一方向上呈大约30度的夹角。发生这种情况的概率只有大约0.007%。“从根本上说，这种布局不可能是随机的，”Brown说。“因此我们认定有什么因素，迫使它们维持着这样的轨道布局。”
第一种可能性是，遥远的柯伊伯带天体足够多——一部分尚未发现——在它们引力的共同作用下，这些天体的轨道维持着这样的布局。但这种可能性很快就被排除，因为如果这种假设为真，那么柯伊伯带的总质量必须是当前已知质量的大约100倍。
剩下的就是行星的可能了。他们先是凭直觉运行了一个计算机模拟，模拟在6倍于柯伊伯带轨道半径处是否存在行星，这颗行星的引力可以像套索一样，把这些前面那些天体的轨道布局成现在这个样子。Batygin说，这种方法几乎可行，但是不能与观测所得的偏心率精确相符。“差不多行得通了，”他是这么说的。
然后，完全是个巧合，Batygin和Brown发现，如果他们在与这些轨道指向相反的方向上模拟一颗大质量行星——一颗轨道近日点位于所有其它小天体及已知行星近日点相反方向180度处的行星——柯伊伯带中那些遥远的天体在模拟中获得的轨道排列结果，就能够和观测结果相吻合。
“人们很自然的反应就是，‘这样的轨道几何结构肯定是不对的，它不可能保持长期稳定，因为行星和其它天体会相遇、相撞，’”Batygin说。但是通过一种名为“平均运动共振（mean-motion resonance）”的机制，就能够让这第九颗行星保持这样的反向排列，同时使柯伊伯带内的天体避免相撞，并保持现有布局。这是因为，在轨道上运行的天体靠近时会交换能量。举例来说，就是“行星九号”每完成4次公转，柯伊伯带内的天体刚好完成9次公转。这样它们就不会相撞。而且，“行星九号”还会向外推动柯伊伯带天体的轨道，修正它们的布局，使彼此间的关系得以维持。
“我当时仍然十分怀疑，”Batygin说。“我从未见过这样的天体运行机制。”
但是慢慢地，对其它一些特点以及理论模型推论的研究，让他们的信心越来越强。“一个好的理论不但要能够解释你要它解释的现象，还应该能够解释你并未要求它解释的现象，而且作出能够加以检验的预测，”Batygin说。
“行星九号”的存在不仅仅是有助于解释遥远柯伊伯带中的天体排列。它还解释了这些天体其中两个身上的谜团。第一个就是“塞德娜”。它是Brown于2003年发现的。一般的柯伊伯带天体都是被海王星的引力“踢”出去的，但不久后又会返回海王星附近。但“塞德娜”从未靠近过海王星。第二个和“塞德娜”非常相似，名为2012 VP113，是由Trujillo和Sheppard在2014年公布的。Batygin和Brown发现，如果有“行星九号”的存在，它的引力就会自然而然地将许多标准的柯伊伯带天体，缓慢地推向与海王星引力关系较弱的轨道，产生“塞德娜”这样的天体。
如果存在“行星九号”，就会存在另外一组轨道非常特殊的天体。它们与“行星九号”呈一定的夹角，并与太阳系平面几乎垂直。这些天体确实存在，已知的有五个（蓝色）。Caltech / R. Hurt
学者们面临的真正挑战是，计算机模拟显示，在柯伊伯带内存在着轨道面与原有行星轨道面几乎垂直的天体。Batygin不断地在模拟中寻找证据，然后把它们带到了Brown跟前。“突然，我意识到确实存在着这样的天体，”Brown回忆道。过去三年间，观测者发现有多个天体的轨道面与海王星的轨道面几乎呈直角。“我们把这些天体的位置和轨道标注了出来，它们和模拟的结果完全吻合，”Brown说。“当我发现它们时，我的下巴都快掉了。”
“模拟结果与柯伊伯带天体的排列情况相符，又能导致‘塞德娜’这样的天体产生，对此我们已经觉得非常不可思议——这简直是‘一石二鸟’，”Batygin说。“但当‘行星九号’的存在又能解释那些近乎垂直的轨道时，就意味着你不但用一块石头打中了两只鸟，你还碰巧打下了另一只你并不知道它存在的鸟。”
“行星九号”从何而来？它为何又会在外太阳系孤独地徘徊？科学家长久以来都相信，早期太阳系产生时，拥有四个行星核心，它们都在不停地俘获四周的气体，进而产生了四个气体巨行星——木星、土星、天王星和海王星。随着时间的推移，行星间的冲突和弹射作用重塑了它们之间的关系，并最终在当前的位置上稳定下来。“但是没有理由一定不存在第五个核心，”Brown说。“行星九号”可能就是那第五个核心，假如它离木星或土星太近，就有可能被引力抛到这样既遥远又古怪的轨道上。
Batygin和Brown仍在进行模拟，以求获知与这个行星轨道有关的信息，以及它对太阳系远方的影响。与此同时，Brown和同事们开始在天空中搜寻“行星九号”。但是目前我们只知道它的大致轨道，而不是精确位置。如果它刚好在近日点附近，Brown说，天文学家可能已经在之前的几次巡天中获取了它的影像数据。但是如果它在轨道的最远处，就需要动用全球最大的望远镜——比如凯克天文台的双子10米望远镜和昴星团望远镜来寻找。如果它现在位于这两点之间，那么许多望远镜应该都有能力找到它。
“我非常乐意去找它，”Brown说。“但是如果别人找到了它，也是一件非常令人愉快的事。这就是我们发表论文的目的。我们希望激发起大家的兴趣，一起来寻找。”
把这件事放在理解整个宇宙的角度上来看，也有多方面的意义。这第九颗行星是如此古怪，但与此同时也让我们的太阳系与宇宙中的其它行星系统有了更多的相似性。首先，大部分系外行星并不是在单一的轨道范畴内运行——部分行星和恒星非常靠近，部分的轨道又极其遥远。其次，大部分常见系外行星的质量范围在1倍至10倍于地球之间。
“在这些发现中，最突出的一点是，大部分行星的质量介于地球和海王星之间，”Batygin说。“在此之前，我们还以为太阳系缺乏此类行星。现在看来，我们并不特殊。”
Brown在冥王星降级事件中起过重要作用，他说，“所有为冥王星失去行星头衔而疯狂的人理应兴奋，因为现在有一颗货真价实的行星在等着我们去发现。行动起来吧，找到它，让太阳系重获第九大行星！” | 
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