太阳系早期或有第五颗行星 40亿年前远离太阳并与海王星相撞

2015年8月20日讯，最新研究表明，冥王星所在区域存在的冰质天体群可能会成为太阳系存在过第五个巨行星的证据。这颗巨行星可能在40亿年前远离太阳的过程中与海王星相撞，使海王星进入其现今轨道，并导致海王星的一部分卫星散播到外太阳系的柯伊伯带中。

在太阳系形成早期，外太阳系充斥着各种原始颗粒。随着木星（绿色）、土星（橙色）、海王星（深蓝色）和天王星（浅蓝色）轨道的改变，在引力的作用下，许多冰冻天体被抛入现在的柯伊伯带。

这一群数量达千余个的冰冻岩体被称为“核心（kernel）”，长久以来天文学家们一直对其知之甚少。这些冰质天体紧密地排列在一起，并且从不偏离行星所在的轨道面，这些特点与柯伊伯带中的其他冰质天体大相径庭。早先的研究提出，这些紧密排列的天体是由更大型的天体激烈碰撞形成的。但“碰撞”理论很快就行不通了，因为科学家们意识到，如果这些天体真的是由碰撞形成的，那么它们应该会散布在整个柯伊伯带中。

然而现在，有一个科学家或许能够解答柯伊伯带的谜团。大卫•内斯沃尔尼（David Nesvorny）是美国西南研究院（Southwest Research Institute in Boulder, Colorado）的一名天文学家，他在《天文学杂志》（Astronomical Journal）九月刊上提出了“跳跃的海王星”理论（the jumping Neptune theory）。他在计算机上模拟了“核心”在过去40亿年中的运动，发现这些天体是在海王星远离太阳的过程中被卷入海王星引力场中的。海王星原始的轨道距土星和木星更近，在远离其原始轨道的过程中，一小部分原始太阳系里的物质被海王星牵引，随其共同运动：这些原始物质就是“核心”的雏形，在海王星公转一周的时间里，这些物质可以绕太阳转两周。

海王星的原始轨道距太阳约42亿千米（海王星轨道现在大约位于太阳与柯伊伯带外缘的正中，原始轨道距现代轨道并不远），海王星的轨道向外移动了7500万千米。那些被海王星引力场捕获的天体来不及响应这种突变，被抛离其原有轨道至距太阳69亿千米的地方，它们在那里继续运动形成现在的“核心””。

内斯沃尔尼认为，这种轨道突变唯一可能的解释是：海王星受到了另一个拥有强引力场的天体的影响，这个天体很可能就是一颗巨行星。而这颗巨行星并不是天王星、土星或木星，因为这三颗行星的轨道从未与海王星有过类似的相互作用。

没人知道那颗失踪的行星后来怎么样了，而在2011年，内斯沃尔尼还在研究前一个模型时，他发现解释现今太阳系轨道结构的最佳方法，就是引入第五颗巨行星。这颗神秘的巨行星很可能在扰乱现有行星的原始轨道后，永远地离开了太阳系。内斯沃尔尼认为这是一场引力角斗后的残局，但是在2011年，他从没想过他会找到证明这颗巨行星存在的证据。

“柯伊伯带就是线索，”内斯沃尔尼说，“你观测到了那里的结构，就要试着去弄清楚那样的结构代表着怎样的演化过程。”

但是弄清楚事实并不是件容易的事。在他当前用来研究“核心”形成过程的模型启动之前，内斯沃尔尼已经测试了100多种其他可能的方法。加拿大自治领天体物理观测台（Dominion Astrophysical Observatory in Victoria, Canada）的天文学家JJ•卡韦拉尔斯（JJ Kavelaars）表示，建模的难点之一就是让太阳系中的多个天体最终都要到达正确的位置。例如，早先用来模拟冥王星形成过程的模型最终使冥王星到达了正确的位置，但是并没有考虑到太阳系的其他部分。

“内斯沃尔尼的模型非常自洽，能同时正确表现多个结构，这真是够惊人的。”没有参与这项研究的卡韦拉尔斯对内斯沃尔尼的模型赞不绝口。

内斯沃尔尼表示下一步要做的是识别出柯伊伯带中更多的天体，尤其是那些位于“核心”中的，这会帮助科学家们做出更精确的对比，从而提升模型的精度。今年夏天晚些时候，外太阳系起源巡天计划（Outer Solar System Origins Survey）将正式启动，内斯沃尔尼希望这项调查的观测结果可以弥补一些空缺。

“我对观测结果非常期待，也很想知道观测结果和模型吻合得怎么样。” 内斯沃尔尼说。