第九行星

第九行星（Planet Nine）是位於太陽系外圍的假想行星。它的引力效應可以解釋一組極端海王星外天體軌道的特殊聚集，這些天體位於海王星之外，繞太陽運行的平均距離是地球的250倍以上。這些極端海王星外天體往往在一個扇形區內最接近太陽，其軌道也有類似的傾斜。這些排列表明，一顆未被發現的行星可能正在引導已知最遙遠的太陽系天體的軌道。儘管如此，一些天文學家仍對這一結論提出了質疑，並斷言這是由於在一年中的大部分時間裡發現和跟蹤這些天體的困難，因此是由於觀測偏差造成極端海王星外天體軌道的聚集。
基於早期的估計，這顆假設的超級地球大小的行星的質量是地球的五到十倍，距離太陽的細長軌道是地球的400到800倍。2021年，科學家對軌道的估計進行了改進，得出了較小的半長軸為38080 AU。此後不久更新為460 100 AU。康斯坦丁·貝蒂金和麥克·布朗提出，第九行星可能是一顆巨行星的核心，該行星在太陽系起源期間被木星從其原始軌道拋出。其他人提出這顆行星是從另一顆恆星捕獲的，之前是一顆星際行星；或者它在遙遠的軌道上形成，並被一顆經過的恆星拉入偏心軌道。
儘管廣域紅外線巡天探測衛星（WISE）和泛星計劃等巡天都沒有探測到第九行星，但它們並沒有排除在外太陽系中存在海王星直徑的天體。過去的這些巡天探測第九行星的能力取決於它的位置和特徵。正在使用NEOWISE和8米昴星團望遠鏡對其餘區域進行進一步調查。除非觀測到第九行星，否則它的存在純屬猜測。已經提出了幾種替代假設來解釋觀察到的海王星外天體（TNO）的聚集。

**歷史**
在1846年海王星的發現之後，有相當多的猜測認為有可能另一顆行星存在於其軌道之外。其中最著名的理論預測了一顆遙遠行星的存在，這顆行星正在影響天王星和海王星的軌道。經過廣泛的計算，帕西瓦爾·羅威爾預測了這顆假想的跨海王星行星的可能軌道和位置，並於1906年開始對其進行廣泛的蒐索。他將這個假想物體稱為「X行星」；這個名字之前曾被加布裡埃爾·達利特Gabriel Dallet。克萊德·湯博繼續了羅威爾的搜尋，並於1930年發現冥王星，但很快就被確定為太小，不符合羅威爾的X行星的資格。1989年航海家2號飛越海王星後，天王星的預測軌道和觀測軌道之間的差異被確定是由於使用了以前不準確的海王星質量。
通過軌道擾動等間接手段探測海王星以外的行星的嘗試可以追溯到發現冥王星之前。其中第一位是George Forbes (scientist)，他在1880年假設存在兩顆跨海王星行星。第一顆與太陽的平均距離或半長軸為100 天文單位（AU），是地球的100倍，第二顆將具有 300 AU 的半長軸。他的工作被認為與最近的第九行星理論相似，因為行星將負責幾個物體軌道的群集，在這種情況下，週期性彗星的遠日點距離的群集接近100和300天文單位。這類似於木星族彗星在其軌道附近群集。
2004年，發現軌道特殊的小行星賽德娜，導致人們猜測它遇到了一個巨大的天體，而不是已知的任何行星之一。賽德娜的軌道是獨立軌道，近日點距離為76天文單位，因此即使通過近日點時也不會受到海王星引力影響其軌跡的海王星外天體。有幾位作者提出，賽德娜是在遇到一個巨大的天體後進入這個軌道的，例如遙遠軌道上的未知行星，與形成太陽的疏散星團的成員，或後來經過太陽系附近的另一顆恆星。2014年3月，在類似的軌道上發現了第二個近日點距離為80天文單位的類賽德娜天體，113，這再次引發了人們的猜測，即遙遠的太陽系中仍然存在一個未知的超級地球。
在2012年的一次會議上，羅德尼·戈麥斯（Rodney Gomes）提出：一顆未被發現的行星負責一些軌道獨立的ETNO的軌道，並且有著巨大半長軸的半人馬小行星，而這些太陽系小天體們穿過巨行星的軌道。擬議的海王星質量行星將位於遙遠（1500 AU）、偏心（離心率 0.4）和傾斜（傾角 ：40°）的軌道上。像第九行星一樣，它會導致半長軸大於300天文單位的物體的近日點振盪，將一些送入行星交叉軌道，而另一些則進入像賽德娜這樣的獨立軌道。戈麥斯、蘇亞雷斯（Soares）和布拉瑟（ Brasser）在2015年發表了一篇文章，詳細介紹了他們的論點。
2014年，天文學家查德·楚希羅和史考特·桑德·雪柏注意到賽德娜和113以及其它幾個ETNO的軌道相似。他們提出，一顆位於200至300天文單位之間圓形軌道上的未知行星正在擾亂它們的軌道。那年晚些時候，勞爾和卡洛斯·德拉富恩特·馬科斯認為，軌道共振中的兩顆大質量行星是產生如此多軌道的相似性所必需的，當時已知有13顆獨立軌道的小行星。使用39顆ETNO的更大樣本，他們估計較近的行星的半長軸在300-400天文單位範圍內，離心率相對較低，傾角接近14度。

**巴蒂金和布朗的假說**
一條依據假想的第九行星遠日點推導出，由西向東穿過alt=Starfield with hypothetical path of Planet Nine
2016年初，加州理工學院的芭蒂金和布朗描述了第九行星如何解釋六個ETNO的相似軌道，並提出了該行星可能的軌道。這個假說也可以解釋軌道垂直於內行星的ETNOs和其它有極端傾斜的小行星，並被作為對太陽旋轉軸傾斜的解釋。

**軌道**
最初假設第九行星以橢圓軌道繞太陽運行，偏心率為0.5，其半長軸估計為u=AU，大約是海王星到太陽距離的13到26倍。這顆行星需要10,000到20,000年的時間才能繞太陽運行一個完整的軌道，並且它與地球軌道平面黃道的傾角預計為u=°。遠日點，即或離太陽最遠的點，將位於金牛座，而近日點是離太陽最近的點，將位於巨蛇座（頭）、蛇夫座或天秤座。布朗認為，如果第九行星存在，那麼使用動力彈弓軌跡可以在短短20年內到達它。

**質量和半徑**
據估計，這顆行星的質量是地球的5到10倍，半徑是地球的2到4倍。布朗認為，如果第九行星存在，它的質量足以在45億年（太陽系的年齡）裡清除其軌道，以它的引力支配著太陽系的外緣，這足以使它符合成為行星的當前定義 。天文學家讓-呂克·瑪戈特（Jean-Luc Margot）也表示，第九行星符合它的標準，如果它被探測到，將有資格成為一顆行星。

**起源**
已經研究了第九行星的幾種可能起源，包括它從已知巨行星附近拋射，從另一顆恆星捕獲，以及「原位形成」。在他們最初的文章中，巴蒂金和布朗提出，第九行星在離太陽更近的地方形成，並在星雲時代與木星或土星近距離接觸後，被拋射到遙遠的偏心軌道。然後，要麼是附近恆星的引力，要麼是來自太陽星雲的氣態殘餘物的拖曳降低了其軌道的偏心率。這個過程提高了它的近日點，使它不受其他行星的影響，處於一個非常寬闊但穩定的軌道上。
據估計，這種情況發生的幾率僅為百分之幾。如果它沒有被扔進太陽系最遠的地方，第九行星可能會從原行星盤中吸積更多的質量，並發展成氣態巨行星或冰巨行星的核心。相對的，它的增長很早就停止了，使它的質量低於天王星或海王星。
來自巨大的小行星帶的動態摩擦也可能使第九行星被捕獲到一個穩定的軌道上。最近的模型表明，60–130sym=yes的小行星盤可能是在氣體從原行星盤的外部清除時形成的。當第九行星穿過這個圓盤時，它的引力會改變單個物體的路徑，從而降低第九行星相對於它的速度。這將降低第九行星的離心率並穩定其軌道。如果這個圓盤有一個遙遠的內邊緣，即100–200天文單位，一顆遇到海王星的行星將有20%的幾率在與第九行星相似的軌道上被捕獲，如果內緣在200天文單位，更有可能觀測到軌道的群集。與氣態星雲不同，小行星盤可能已經存在很長時間，因此可能允許後來的捕獲。
與另一顆恆星的相遇也可能改變遙遠行星的軌道，將其從圓形軌道轉變為偏心軌道。在這個距離上「原位」形成一顆行星需要一個非常巨大和廣泛的圓盤，或者固體在消散的盤中向外漂移，形成一個狹窄的環，行星從這個環中吸積了十億年。如果一顆行星在太陽處於其原始星團中時，在如此遠的距離上形成，那麼它在高度偏心的軌道上與太陽保持束縛的概率約為10%。然而，當太陽仍然在它形成的疏散星團中時，任何延伸的圓盤都會受到經過的恆星引力破壞和光蒸發造成質量的損失。
第九行星可能是在太陽和另一顆恆星近距離接觸中，從太陽系外捕獲的。如果一顆行星在圍繞這顆恆星的遙遠軌道上，三體在相遇期間的相互作用可能會改變行星的路徑，使其處於圍繞太陽的穩定軌道上。一顆起源於沒有木星質量行星系統中的行星，可能會在遙遠的偏心軌道上停留更長的時間，從而增加其被捕獲的機會。更廣泛的可能軌道範圍將使它在相對低傾角軌道上被捕獲的幾率降低到1-2%。Amir Siraj和Avi Loeb發現，如果太陽曾經有一個遙遠的、質量相等的聯星伴星，那麼太陽奪取第九行星的幾率就會增加20倍。這個過程也可能發生在星際行星上，但它們被捕獲的可能性要小得多，只有0.05-0.10%被捕獲在類似於第九行星的軌道上。

**證據**
第九行星的引力影響可以解釋太陽系的四個特點：- 極端海王星外天體軌道的群集；- 像賽德娜這樣的天體的高近日點，它們是獨立，不受海王星的影響；- 極端海王星外天體的高傾角，其軌道大致垂直於八顆已知行星的軌道；- 半長軸小於100 AU的高傾角海王星外天體（TNO）。
第九行星最初被提出來解釋軌道的群集，通過一種機制來解釋像賽德娜這樣的天體的高近日點。其中一些天體演變成垂直軌道是出乎意料的，但發現與先前觀察到的天體相匹配。後來發現，當其它行星被納入模擬時，一些具有垂直軌道的物體的軌道會向較小的半長軸方向演化。儘管已經為這些特性提供了許多其它機制，但第九行星的引力影響是唯一可以解釋所有四種現象的機制。然而，第九行星的引力也會增加穿過其軌道的其它物體的傾角，這可能會留下離散盤的物體，即在海王星之外軌道運行，半長軸大於50天文單位的天體，以及傾角分佈比觀測到的更寬的短週期彗星。在此之前，第九行星被假設為太陽自轉軸相對於行星軌道傾斜 6 度的原因，但最近對其預測軌道和質量的更新將這種偏移限制在〜1度。

**觀測：高近日點天體的軌道群集**
alt=天體的軌道顯示為與黃道相交的傾斜橢圓。
特魯希略和謝潑德最早描述了具有大半長軸的海王星外天體軌道的群集，他們注意到賽德娜和類賽德娜的113軌道之間的相似性。如果沒有第九行星的存在，這些軌道應該是隨機分佈的，沒有偏好任何方向。經過進一步分析，特魯希略和謝潑德觀察到，近日點大於u=AU且半長軸大於u=AU的12個海王星外天體的近日點參數聚集在零度附近，這意味著當它們最接近太陽時，它們會升至黃道上方。特魯希略和謝潑德提出，這種排列是由海王星以外的一顆巨大的未知行星通過古在機制引起的。對於具有相似半長軸的物體，古在機制會將其近日點的論點限制在接近0度或180度。這種限制允許具有偏心和傾斜軌道的物體避免靠近行星，因為它們會在距離太陽最近和最遠的點之間穿過行星軌道的平面，並在它們遠高於或低於其軌道時穿過行星的軌道。特魯希略和謝潑德關於這些物體如何通過古在機制對齊的假設，已被進一步的分析和證據所取代。
巴蒂金和布朗試圖反駁特魯希略和謝潑德提出的機制，還檢查了具有大半長軸的海王星外天體的軌道。在排除了特魯希略和謝潑德的原始分析中由於接近海王星而不穩定，或受到海王星平均運動共振影響的物體後，巴蒂金和布朗確定其餘六個物體的近日點論點（賽德娜、113、474640 Alicanto、174、105、和98）被群集在一起，大約在u=°。這一發現與古在機制如何傾向於將軌道與近日點在0°或180°的論點對齊不一致。
最終幀軌道。）|alt=動畫圖從內行星和外行星的軌道縮小到最外層物體的大幅擴展軌道，這些天體指向螢幕的左側。第九行星的假想軌道顯示為一條虛線。
巴蒂金和布朗還發現，半長軸大於250 AU和近日點超過30 AU的六個ETNO的軌道（賽德娜、113、Alicanto、174、422、和98），它們在空間上與它們的近日點方向大致相同，導致它們的近日點黃經的群集，這是它們最接近太陽的位置。這六個天體的軌道也相對於黃道的軌道傾斜，並且大約共面，產生了它們的升交點黃經的群集，即它們各自通過黃道上升的方向。他們確定這種對齊組合是偶然的只有0.007%的可能性。 這六個天體是通過六架望遠鏡的六次不同調查發現的。這使得群集不太可能是由於觀察偏差造成的，例如將望遠鏡指向天空的特定部分。觀測到的群集應該在幾億年後被抹去，因為近日點和升交點的位置發生了變化，或者恆星進動，由於它們的半長軸和偏心率不同，它們以不同的速率變化。這表明群集不可能是由於遙遠的過去的事件造成的， 例如，一顆路過的恆星，並且很可能由繞太陽運行物體的引力場維持。
六顆天體中的兩顆（98和Alicanto）也具有非常相似的軌道和光譜。這導致了一種建議，即它們是在與遙遠物體相遇時在遠日點附近被破壞的聯星天體。 聯星的破壞需要相對近距離的相遇，但這在離太陽很遠的地方變得不太可能。
在後來的一篇文章中，特魯希略和謝潑德指出了近日點的經度與半長軸大於150天文單位的海王星外天體的近日點幅角之間的相關性。近日點經度為 0–120° 的近日點參數在280° 到360° 之間，近日點經度在180° 和 340° 之間的參數在0° 和40° 之間。該相關性的統計學意義為99.99%。他們認為，這種相關性是由於這些物體的軌道通過其軌道上方或下方來避免接近大質量行星。
卡洛斯和勞爾·德拉富恩特·馬科斯在2017年的一篇文章中指出，到ETNO升交點的距離分佈，以及半人馬小行星和具有大半長軸的彗星的距離分佈可能是雙峰。他們認為這是由於ETNO避免接近半長軸為300-400天文單位的行星。隨著數據的增加（40個物件），ETNO的相互節點距離分佈顯示出最短的相互升交點和降交點距離之間存在統計學上的顯著不對稱性，這可能不是由於觀測偏差，而可能是外部擾動的結果。

**模擬：再現觀察到的群集**
極端海王星外天體軌道的群集和近日點的升高在包括第九行星在內的模擬中再現。在巴蒂金和布朗進行的模擬中，以隨機方向開始的半長軸高達550 AU的離散盤天體群被雕刻成空間受限軌道的近似共線和共面群的高度偏心軌道上。 這使得大多數天體的近日點指向相似的方向，並且天體的軌道具有相似的傾斜度。這些天體中有許多進入了像賽德娜這樣的高近日點軌道，出乎意料的是，有些進入了垂直軌道。巴蒂金和布朗後來注意到這些軌道以前被觀測到過。
在他們最初的分析中，巴蒂金和布朗發現，在使用10個地球質量的模擬中，最好的再現前六個極端海王星外天體的軌道分佈