失蹤的第五顆巨行星

在星際空間深處的某個地方，在遠離太陽的無盡黑暗之中，有一顆孤獨的行星正在銀河系中流浪。它的質量與海王星相當，擁有大氣，富含冰。這顆自由運行的行星不受制于任何一顆恒星，漂泊在永恒的黑夜之中。從來沒有人見過它，天文學家也無法確切指出它在廣袤宇宙中的下落。它是宇宙中最神秘的天體之一。

或者，至少有一部分天文學家是這么認為的。根據目前的情況，這樣一顆有趣的巨行星仍是假說中的天體，但天文學家有令人信服的證據證明它確實存在。畢竟，在宇宙中可能存在著數十億顆自由飄蕩的行星不同的是，它們都是養育了它們的行星系統的棄兒。與其他孤兒行星不同的是，在天文學家提出的一個理論中，這顆有趣的巨行星對太陽系的形成產生了重要的影響。

美國西南研究所的天文學家戴維·內斯沃爾尼認為，太陽系最初有5顆巨行星，而不是今天我們看到的4顆。在太陽系的最初階段，第五顆巨行星和木星、土星、天王星以及海王星一同形成，誕生于彼此靠近的區域中，通過吸收相同的氣體和塵埃生長。但是，當它們漸漸長大，博弈也隨之開始了。內斯沃爾尼通過計算機模擬發現，它們之中有一個必須要被逐出家門。

這個發現建立在于2005年發表的尼斯模型上。尼斯模型認為，最初巨行星十分靠近太陽，彼此之間也非常緊密，之后它們向外遷移到了目前的位置。內斯沃爾尼說：“這個模型假設太陽系是不斷演化的，在某一個點上行星會變得不穩定，所以我就進行了數千次的計算機模擬。我想測算出這一動力學不穩定性發生的概率，看看它是如何造就我們今天見到的太陽系的。”

當內斯沃爾尼最初進行計算機模擬時，和之前許多人一樣是在太陽系中擁有4顆巨行星的基礎上進行的。在每一次模擬中，不是海王星就是天王星會被逐出太陽系，只剩下3顆巨行星。這無疑帶來了一個大難題，因為它與觀測到的事實不符。“在計算機模擬中，最終留有4顆巨行星的概率微乎其微，” 內斯沃爾尼說，“我進行的模擬沒有一個能做到這一點。在最好的情況下，要么是天王星，要么是海王星會被拋射出太陽系。因此，我開始思考解決這個問題的辦法。”

許多年來，天文學家一直熱衷于這種模擬，因為他們想知道行星是如何演化到目前的狀態的。但讓理論天文學家困惑的是，相較于太陽系外的行星，太陽系的行星實在是太規則了。例如，在太陽系之外，有許多巨行星要遠比太陽系中的更加靠近其宿主恒星，其中一些甚至比水星到太陽的距離還要小。

除此之外，其他行星系統中的許多行星都具有大橢圓軌道，而太陽系中行星的偏心率都很小。這些現象表明，行星系統的多樣性和可能性遠遠超出了我們曾經的想象。或許，在太陽系中曾經存在過第五顆巨行星也絕非不可能。

“我首先增大了原行星盤的質量，雖然這可以保留下最外面的兩顆巨行星，但會得出其他不可能的結果。”正在進行這項研究的內斯沃爾尼說，“每到這個時候，我都會得到一個與目前情況并不相符的太陽系。但是，當我增加了一顆巨行星之后，一切都改變了。”

通過改變質量和位置，內斯沃爾尼對額外的行星進行了實驗。他最終提出了一個模型，一個包含木星、土星以及另外3顆冰質巨行星（這里面有2顆是我們已知的天王星和海王星，另一顆則是他加進去的額外行星）的模型。這一“五巨行星理論”是一個驚人的想法。雖然該理論剛剛起步，但有令人信服的證據支持它，而且它還能就這顆額外的行星有什么樣的特性以及它今天可能身在何方給出一些有趣的線索。

首先，可以肯定它是一顆冰質巨行星。如果它是氣態巨行星，它的質量將比天王星和海王星更大并導致極強的不穩定性，還會使得木星軌道的偏心率變得與今天我們看到的不相符，因此行不通。此外，它必須是一顆質量與海王星相當的行星。如果添加一顆地球大小的行星，或者是一顆質量是海王星1.5倍的行星，又或者質量僅為海王星1/2的行星，計算機模擬同樣無法奏效。

更重要的是，這顆巨行星需要被放置在土星和天王星的初始軌道之間——也就是10天文單位至15天文單位之間——計算機模擬的結果才最好。至于這顆行星的顏色，借由其他行星的形成過程而做出的最佳猜測是，它很可能具有和海王星相同的顏色和溫度。

這顆額外的行星被人們以希臘神話中冥界之神的名字非正式地命名為“哈迪斯”。幾乎可以肯定的是，它會以與海王星相同的方式形成。想象這顆額外巨行星的形成絕對不是問題，因為根據不同的行星形成理論，在外太陽系中常常會形成2顆以上的冰質巨行星，多出這顆額外的冰質巨行星不是什么大問題，對于認識目前外太陽系中僅有的2顆冰質巨行星也不會造成什么影響。它有著與天王星和海王星相同的形成機制——受青睞的行星吸積理論，該理論認為行星通過吸積

物質形成并生長。

當然，計算機模擬也支持這顆額外的巨行星的存在。把第五顆行星加入模型中，超過1/2的模擬都會演化出今天我們看到的太陽系。在每一種情況下，模擬結果都會給出一個只有4顆巨行星——木星、土星、天王星和海王星——的太陽系，它們都位于今天所在的軌道上。對內斯沃爾尼來說，這些發現是不容忽視的，值得更多的研究。

但這些研究導致了一些不可避免的問題：增加的這顆巨行星是如何使得太陽系最終演化成只含4顆巨行星的？這顆巨行星又去了哪里？答案是驚人的：因為木星與其他行星的角力，第五顆巨行星——并非天王星或海王星——被猛烈地拋射進了星際空間。這意味著，木星成為殺手，而這顆額外的行星成了替罪羊。如果沒有這顆行星，海王星或者天王星就會被拋射出去，因為至少有一顆冰質巨行星必須被逐出太陽系。

木星要比天王星和海王星大得多，因此它幾乎不受影響。通常的結果是，在幾次交會之后，木星會使得這顆額外的冰質巨行星的半長軸增大，因此它會離太陽越來越遠。這會使得它的軌道越來越偏離圓形，直到它的速度超過它所處位置的逃逸速度。因此，這顆冰質巨行星就會被拋射進星際空間。

有趣的是，這顆巨行星的運動速度其實并不算高。計算機模擬表明，它逃逸的速度只有1000米/秒。這聽起來似乎很快，但比起地球圍繞太陽30千米/秒的公轉速度，該數值絕對不算高，以天文學的標準，甚至可以說是龜速。但是，由于這一拋射事件發生在很久很久以前，所以當一個天體以1000米/秒的速度運動了40億年之后，也已經走出了非常遙遠的距離。現在，這顆行星應該會在銀河系中距離我們相對較遠的地方。

在早期太陽系中增加一顆額外的行星有助于解釋太陽系的4顆巨行星是如何定居在它們現在的軌道上的，同時也為月球上絕大多數環形山的成因提供了某種解釋。地球也曾遭受到猛烈的小天體轟擊，但由于地質學和生物學活動，這些撞擊坑已經被抹掉了。當木星在太陽系中開疆拓土、其他行星尋找自己最終的軌道之時，位于海王星軌道之外的柯伊伯帶——包含許多彗星、小行星

和冰質小天體——也受到了擾動。

在太陽系歷史的這一早期階段，柯伊伯帶仍在形成中，這一擾動使得其中的許多小天體飛向內太陽系。在41億至38億年前，這些高速運動的天體撞上了剛剛形成的類地行星和衛星。這些觀點是尼斯模型的一部分，與5顆巨行星的假說完美相符。更重要的是，早期太陽系有5顆巨行星還有助于解釋柯伊伯帶天體是如何聚集到一起的。在柯伊伯帶中距離太陽44天文單位處，存在著冰質天體的異常聚集現象，它們都有著較低的軌道傾斜和較小的偏心率。天文學家最初認為，這可能是柯伊伯帶天體碰撞的結果，撞擊出的殘骸形成了這一聚集。但問題是，撞擊拋射物的速度通常可以達到每秒數百米，會使得撞擊殘骸分布到一個非常大的軌道區域中。這顯然無法解釋天文學家觀測到的聚集現象。

2015年，內斯沃爾尼提出一個觀點，認為柯伊伯帶天體曾經處于海王星的引力控制范圍之內。但是，當第五顆巨行星在向外遷移的過程中與海王星發生引力交會時，柯伊伯帶天體便與海王星脫離了“干系”。為了做到這一點，該引力交會必須使得海王星向前“跳”一大步。由于跟不上海王星的步伐，柯伊伯帶天體便失去了海王星引力的控制，被它遺棄。與此同時，這一引力交會也迫使第五顆巨行星進一步向外遷移。

在一開始進行包含柯伊伯帶的計算機模擬時，內斯沃爾尼設定海王星僅具有緩慢的遷移。之后，他引入了由第五顆巨行星引力交會導致的跳躍，使得海王星從28天文單位跳到了30天文單位。在這之后，海王星恢復緩慢遷移，但它的軌道已經發生了改變。更重要的是，海王星與第五顆巨行星的相互作用可以解釋柯伊伯帶天體的這一聚集。這個問題已經困擾了天文學家十幾年，它也許可以作為海王星曾與一顆冰質巨行星發生過交會的間接證據。

然而，事情真的必須如此嗎？第五顆巨行星有沒有可能目前仍在太陽系內，與其他4顆一起繞太陽公轉呢？答案是有可能的。這取決于這個過程的初始狀態。如果驅動行星遷移的外彗星盤由于某種原因消失了或者質量大幅度減少，這一遷移就不會發生，行星系統也就不會因此失穩。

在這種情況下，太陽系中就會有5顆外行星，這不會讓天文學家感到驚訝。我們會看到2顆海王星、1顆天王星、1顆土星和1顆木星，而今天我們將試圖解釋它們是如何形成的。但對今天的太陽系來說，添加第五顆巨行星是解釋所有觀測事實的途徑之一。這無疑是一個有趣的假說。