第九行星

第九行星（Planet Nine）是位于太阳系外围的假想行星。它的引力效应可以解释一组极端海王星外天体轨道的特殊聚集，这些天体位于海王星之外，绕太阳运行的平均距离是地球的250倍以上。这些极端海王星外天体往往在一个扇形区内最接近太阳，其轨道也有类似的倾斜。这些排列表明，一颗未被发现的行星可能正在引导已知最遥远的太阳系天体的轨道。尽管如此，一些天文学家仍对这一结论提出了质疑，并断言这是由于在一年中的大部分时间里发现和跟踪这些天体的困难，因此是由于观测偏差造成极端海王星外天体轨道的聚集。
基于早期的估计，这颗假设的超级地球大小的行星的质量是地球的五到十倍，距离太阳的细长轨道是地球的400到800倍。2021年，科学家对轨道的估计进行了改进，得出了较小的半长轴为38080 AU。此后不久更新为460 100 AU。康斯坦丁·贝蒂金和麦克·布朗提出，第九行星可能是一颗巨行星的核心，该行星在太阳系起源期间被木星从其原始轨道抛出。其他人提出这颗行星是从另一颗恒星捕获的，之前是一颗星际行星；或者它在遥远的轨道上形成，并被一颗经过的恒星拉入偏心轨道。
尽管广域红外线巡天探测卫星（WISE）和泛星计划等巡天都没有探测到第九行星，但它们并没有排除在外太阳系中存在海王星直径的天体。过去的这些巡天探测第九行星的能力取决于它的位置和特征。正在使用NEOWISE和8米昴星团望远镜对其余区域进行进一步调查。除非观测到第九行星，否则它的存在纯属猜测。已经提出了几种替代假设来解释观察到的海王星外天体（TNO）的聚集。

**历史**
在1846年海王星的发现之后，有相当多的猜测认为有可能另一颗行星存在于其轨道之外。其中最著名的理论预测了一颗遥远行星的存在，这颗行星正在影响天王星和海王星的轨道。经过广泛的计算，帕西瓦尔·罗威尔预测了这颗假想的跨海王星行星的可能轨道和位置，并于1906年开始对其进行广泛的搜索。他将这个假想物体称为「X行星」；这个名字之前曾被加布里埃尔·达利特Gabriel Dallet。克莱德·汤博继续了罗威尔的搜寻，并于1930年发现冥王星，但很快就被确定为太小，不符合罗威尔的X行星的资格。1989年航海家2号飞越海王星后，天王星的预测轨道和观测轨道之间的差异被确定是由于使用了以前不准确的海王星质量。
通过轨道扰动等间接手段探测海王星以外的行星的尝试可以追溯到发现冥王星之前。其中第一位是George Forbes (scientist)，他在1880年假设存在两颗跨海王星行星。第一颗与太阳的平均距离或半长轴为100 天文单位（AU），是地球的100倍，第二颗将具有 300 AU 的半长轴。他的工作被认为与最近的第九行星理论相似，因为行星将负责几个物体轨道的群集，在这种情况下，周期性彗星的远日点距离的群集接近100和300天文单位。这类似于木星族彗星在其轨道附近群集。
2004年，发现轨道特殊的小行星赛德娜，导致人们猜测它遇到了一个巨大的天体，而不是已知的任何行星之一。赛德娜的轨道是独立轨道，近日点距离为76天文单位，因此即使通过近日点时也不会受到海王星引力影响其轨迹的海王星外天体。有几位作者提出，赛德娜是在遇到一个巨大的天体后进入这个轨道的，例如遥远轨道上的未知行星，与形成太阳的疏散星团的成员，或后来经过太阳系附近的另一颗恒星。2014年3月，在类似的轨道上发现了第二个近日点距离为80天文单位的类赛德娜天体，113，这再次引发了人们的猜测，即遥远的太阳系中仍然存在一个未知的超级地球。
在2012年的一次会议上，罗德尼·戈麦斯（Rodney Gomes）提出：一颗未被发现的行星负责一些轨道独立的ETNO的轨道，并且有着巨大半长轴的半人马小行星，而这些太阳系小天体们穿过巨行星的轨道。拟议的海王星质量行星将位于遥远（1500 AU）、偏心（离心率 0.4）和倾斜（倾角 ：40°）的轨道上。像第九行星一样，它会导致半长轴大于300天文单位的物体的近日点振荡，将一些送入行星交叉轨道，而另一些则进入像赛德娜这样的独立轨道。戈麦斯、苏亚雷斯（Soares）和布拉瑟（ Brasser）在2015年发表了一篇文章，详细介绍了他们的论点。
2014年，天文学家查德·楚希罗和史考特·桑德·雪柏注意到赛德娜和113以及其它几个ETNO的轨道相似。他们提出，一颗位于200至300天文单位之间圆形轨道上的未知行星正在扰乱它们的轨道。那年晚些时候，劳尔和卡洛斯·德拉富恩特·马科斯认为，轨道共振中的两颗大质量行星是产生如此多轨道的相似性所必需的，当时已知有13颗独立轨道的小行星。使用39颗ETNO的更大样本，他们估计较近的行星的半长轴在300-400天文单位范围内，离心率相对较低，倾角接近14度。

**巴蒂金和布朗的假说**
一条依据假想的第九行星远日点推导出，由西向东穿过alt=Starfield with hypothetical path of Planet Nine
2016年初，加州理工学院的芭蒂金和布朗描述了第九行星如何解释六个ETNO的相似轨道，并提出了该行星可能的轨道。这个假说也可以解释轨道垂直于内行星的ETNOs和其它有极端倾斜的小行星，并被作为对太阳旋转轴倾斜的解释。

**轨道**
最初假设第九行星以椭圆轨道绕太阳运行，偏心率为0.5，其半长轴估计为u=AU，大约是海王星到太阳距离的13到26倍。这颗行星需要10,000到20,000年的时间才能绕太阳运行一个完整的轨道，并且它与地球轨道平面黄道的倾角预计为u=°。远日点，即或离太阳最远的点，将位于金牛座，而近日点是离太阳最近的点，将位于巨蛇座（头）、蛇夫座或天秤座。布朗认为，如果第九行星存在，那么使用动力弹弓轨迹可以在短短20年内到达它。

**质量和半径**
据估计，这颗行星的质量是地球的5到10倍，半径是地球的2到4倍。布朗认为，如果第九行星存在，它的质量足以在45亿年（太阳系的年龄）里清除其轨道，以它的引力支配着太阳系的外缘，这足以使它符合成为行星的当前定义 。天文学家让-吕克·玛戈特（Jean-Luc Margot）也表示，第九行星符合它的标准，如果它被探测到，将有资格成为一颗行星。

**起源**
已经研究了第九行星的几种可能起源，包括它从已知巨行星附近抛射，从另一颗恒星捕获，以及「原位形成」。在他们最初的文章中，巴蒂金和布朗提出，第九行星在离太阳更近的地方形成，并在星云时代与木星或土星近距离接触后，被抛射到遥远的偏心轨道。然后，要么是附近恒星的引力，要么是来自太阳星云的气态残余物的拖曳降低了其轨道的偏心率。这个过程提高了它的近日点，使它不受其他行星的影响，处于一个非常宽阔但稳定的轨道上。
据估计，这种情况发生的几率仅为百分之几。如果它没有被扔进太阳系最远的地方，第九行星可能会从原行星盘中吸积更多的质量，并发展成气态巨行星或冰巨行星的核心。相对的，它的增长很早就停止了，使它的质量低于天王星或海王星。
来自巨大的小行星带的动态摩擦也可能使第九行星被捕获到一个稳定的轨道上。最近的模型表明，60–130sym=yes的小行星盘可能是在气体从原行星盘的外部清除时形成的。当第九行星穿过这个圆盘时，它的引力会改变单个物体的路径，从而降低第九行星相对于它的速度。这将降低第九行星的离心率并稳定其轨道。如果这个圆盘有一个遥远的内边缘，即100–200天文单位，一颗遇到海王星的行星将有20%的几率在与第九行星相似的轨道上被捕获，如果内缘在200天文单位，更有可能观测到轨道的群集。与气态星云不同，小行星盘可能已经存在很长时间，因此可能允许后来的捕获。
与另一颗恒星的相遇也可能改变遥远行星的轨道，将其从圆形轨道转变为偏心轨道。在这个距离上「原位」形成一颗行星需要一个非常巨大和广泛的圆盘，或者固体在消散的盘中向外漂移，形成一个狭窄的环，行星从这个环中吸积了十亿年。如果一颗行星在太阳处于其原始星团中时，在如此远的距离上形成，那么它在高度偏心的轨道上与太阳保持束缚的概率约为10%。然而，当太阳仍然在它形成的疏散星团中时，任何延伸的圆盘都会受到经过的恒星引力破坏和光蒸发造成质量的损失。
第九行星可能是在太阳和另一颗恒星近距离接触中，从太阳系外捕获的。如果一颗行星在围绕这颗恒星的遥远轨道上，三体在相遇期间的相互作用可能会改变行星的路径，使其处于围绕太阳的稳定轨道上。一颗起源于没有木星质量行星系统中的行星，可能会在遥远的偏心轨道上停留更长的时间，从而增加其被捕获的机会。更广泛的可能轨道范围将使它在相对低倾角轨道上被捕获的几率降低到1-2%。Amir Siraj和Avi Loeb发现，如果太阳曾经有一个遥远的、质量相等的联星伴星，那么太阳夺取第九行星的几率就会增加20倍。这个过程也可能发生在星际行星上，但它们被捕获的可能性要小得多，只有0.05-0.10%被捕获在类似于第九行星的轨道上。

**证据**
第九行星的引力影响可以解释太阳系的四个特点：- 极端海王星外天体轨道的群集；- 像赛德娜这样的天体的高近日点，它们是独立，不受海王星的影响；- 极端海王星外天体的高倾角，其轨道大致垂直于八颗已知行星的轨道；- 半长轴小于100 AU的高倾角海王星外天体（TNO）。
第九行星最初被提出来解释轨道的群集，通过一种机制来解释像赛德娜这样的天体的高近日点。其中一些天体演变成垂直轨道是出乎意料的，但发现与先前观察到的天体相匹配。后来发现，当其它行星被纳入模拟时，一些具有垂直轨道的物体的轨道会向较小的半长轴方向演化。尽管已经为这些特性提供了许多其它机制，但第九行星的引力影响是唯一可以解释所有四种现象的机制。然而，第九行星的引力也会增加穿过其轨道的其它物体的倾角，这可能会留下离散盘的物体，即在海王星之外轨道运行，半长轴大于50天文单位的天体，以及倾角分布比观测到的更宽的短周期彗星。在此之前，第九行星被假设为太阳自转轴相对于行星轨道倾斜 6 度的原因，但最近对其预测轨道和质量的更新将这种偏移限制在〜1度。

**观测：高近日点天体的轨道群集**
alt=天体的轨道显示为与黄道相交的倾斜椭圆。
特鲁希略和谢泼德最早描述了具有大半长轴的海王星外天体轨道的群集，他们注意到赛德娜和类赛德娜的113轨道之间的相似性。如果没有第九行星的存在，这些轨道应该是随机分布的，没有偏好任何方向。经过进一步分析，特鲁希略和谢泼德观察到，近日点大于u=AU且半长轴大于u=AU的12个海王星外天体的近日点参数聚集在零度附近，这意味着当它们最接近太阳时，它们会升至黄道上方。特鲁希略和谢泼德提出，这种排列是由海王星以外的一颗巨大的未知行星通过古在机制引起的。对于具有相似半长轴的物体，古在机制会将其近日点的论点限制在接近0度或180度。这种限制允许具有偏心和倾斜轨道的物体避免靠近行星，因为它们会在距离太阳最近和最远的点之间穿过行星轨道的平面，并在它们远高于或低于其轨道时穿过行星的轨道。特鲁希略和谢泼德关于这些物体如何通过古在机制对齐的假设，已被进一步的分析和证据所取代。
巴蒂金和布朗试图反驳特鲁希略和谢泼德提出的机制，还检查了具有大半长轴的海王星外天体的轨道。在排除了特鲁希略和谢泼德的原始分析中由于接近海王星而不稳定，或受到海王星平均运动共振影响的物体后，巴蒂金和布朗确定其余六个物体的近日点论点（赛德娜、113、474640 Alicanto、174、105、和98）被群集在一起，大约在u=°。这一发现与古在机制如何倾向于将轨道与近日点在0°或180°的论点对齐不一致。
最终帧轨道。）|alt=动画图从内行星和外行星的轨道缩小到最外层物体的大幅扩展轨道，这些天体指向萤幕的左侧。第九行星的假想轨道显示为一条虚线。
巴蒂金和布朗还发现，半长轴大于250 AU和近日点超过30 AU的六个ETNO的轨道（赛德娜、113、Alicanto、174、422、和98），它们在空间上与它们的近日点方向大致相同，导致它们的近日点黄经的群集，这是它们最接近太阳的位置。这六个天体的轨道也相对于黄道的轨道倾斜，并且大约共面，产生了它们的升交点黄经的群集，即它们各自通过黄道上升的方向。他们确定这种对齐组合是偶然的只有0.007%的可能性。 这六个天体是通过六架望远镜的六次不同调查发现的。这使得群集不太可能是由于观察偏差造成的，例如将望远镜指向天空的特定部分。观测到的群集应该在几亿年后被抹去，因为近日点和升交点的位置发生了变化，或者恒星进动，由于它们的半长轴和偏心率不同，它们以不同的速率变化。这表明群集不可能是由于遥远的过去的事件造成的， 例如，一颗路过的恒星，并且很可能由绕太阳运行物体的引力场维持。
六颗天体中的两颗（98和Alicanto）也具有非常相似的轨道和光谱。这导致了一种建议，即它们是在与遥远物体相遇时在远日点附近被破坏的联星天体。 联星的破坏需要相对近距离的相遇，但这在离太阳很远的地方变得不太可能。
在后来的一篇文章中，特鲁希略和谢泼德指出了近日点的经度与半长轴大于150天文单位的海王星外天体的近日点幅角之间的相关性。近日点经度为 0–120° 的近日点参数在280° 到360° 之间，近日点经度在180° 和 340° 之间的参数在0° 和40° 之间。该相关性的统计学意义为99.99%。他们认为，这种相关性是由于这些物体的轨道通过其轨道上方或下方来避免接近大质量行星。
卡洛斯和劳尔·德拉富恩特·马科斯在2017年的一篇文章中指出，到ETNO升交点的距离分布，以及半人马小行星和具有大半长轴的彗星的距离分布可能是双峰。他们认为这是由于ETNO避免接近半长轴为300-400天文单位的行星。随着数据的增加（40个物件），ETNO的相互节点距离分布显示出最短的相互升交点和降交点距离之间存在统计学上的显著不对称性，这可能不是由于观测偏差，而可能是外部扰动的结果。

**模拟：再现观察到的群集**
极端海王星外天体轨道的群集和近日点的升高在包括第九行星在内的模拟中再现。在巴蒂金和布朗进行的模拟中，以随机方向开始的半长轴高达550 AU的离散盘天体群被雕刻成空间受限轨道的近似共线和共面群的高度偏心轨道上。 这使得大多数天体的近日点指向相似的方向，并且天体的轨道具有相似的倾斜度。这些天体中有许多进入了像赛德娜这样的高近日点轨道，出乎意料的是，有些进入了垂直轨道。巴蒂金和布朗后来注意到这些轨道以前被观测到过。
在他们最初的分析中，巴蒂金和布朗发现，在使用10个地球质量的模拟中，最好的再现前六个极端海王星外天体的轨道分布