研究人員在海王星以外發(fā)現(xiàn)了具有奇特軌道的天體

日前，一項為期六年的研究顯示科學(xué)家在海王星軌道外又新發(fā)現(xiàn)了461個天體，其中有4個天體到太陽的距離超過了230天文單位（地球到太陽之間的直線距離被定義為一個天文單位，記作AU。其數(shù)值約為9300萬英里或1.496億千米），這些距離地球非常遙遠的天體有可能幫助我們進一步了解“第九行星”。這里提到的“第九行星”是一種理論上預(yù)言存在但目前尚未被觀測到的天體，雖然它處于深空之中難以被直接觀測到，但是它的引力會影響到處于太陽系邊緣的一些天體的軌道。

這一新發(fā)現(xiàn)來自于一項名為“暗能量調(diào)查”(Dark Energy Survey)的研究項目，該項目于2013年啟動，致力于幫助人們更好地認識宇宙的結(jié)構(gòu)和暗物質(zhì)?？茖W(xué)家在位于智利塞羅托洛洛的布蘭科望遠鏡 (Blanco Telescope) 上進行了為期6年的觀測，確認了817個新發(fā)現(xiàn)的天體，而詳細介紹其中461個天體的論文也首次在預(yù)印本平臺arXiv上發(fā)布。據(jù)“澳洲科技新聞網(wǎng) (ScienceAlert)” 報道，該論文已向某期刊投稿。

圖解：從引力透鏡產(chǎn)生的效應(yīng)，星系團CL0024+17內(nèi)部被發(fā)現(xiàn)存在有一個暗物質(zhì)圈，在這張哈勃太空望遠鏡像片里以藍色顯示出來。（圖源：Wikipedia）

該研究中的天體距離我們都至少30 AU，它們處在太陽系中一個難以想象的黑暗的區(qū)域。在這樣低溫的環(huán)境下，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了3000多個海外天體 (trans-Neptunian objects, or TNOs)，它們包括諸如冥王星和鬩神星這樣的矮行星，以及像小行星486958 (Arrokoth) 這樣的小柯伊伯帶天體（該小行星于2019年被“新視野號”飛掠探測）?？乱敛畮Ь褪怯蛇@些在距離太陽約30 AU和50 AU之間軌道上運行的冰凍天體所組成的。

原文配圖：藝術(shù)家對柯伊伯帶天體的想象圖?？乱敛畮翘栂颠吘壍囊粋€充滿冰物質(zhì)的帶狀區(qū)域，有許多天體就是從柯伊伯帶中發(fā)現(xiàn)的。（圖源：MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images）

這篇論文首次描述的461個天體中，有一些是非常值得我們關(guān)注的。其中有九個被稱為極端的海外天體，其軌道距離至少150 AU。還有四個天體距離我們更是遙遠至極，其軌道距離為230 AU。這些距離我們?nèi)绱诉b遠的天體幾乎不會受到海王星引力的影響，但是它們奇形怪狀的軌道表明它們受到了太陽系外天體的影響。一些研究人員認為，這種影響可能來自于一顆尚未發(fā)現(xiàn)的行星，被稱為“第九行星”。（但還有一部分研究人員認為，眾多小天體的引力，或者說是一種統(tǒng)計異常，也是可以解釋這些奇怪的行星軌道的）。因此，新發(fā)現(xiàn)的天體可以幫助研究人員進一步研究“第九行星”是否真的存在。

圖解：藝術(shù)家所想像的第九行星。海王星的軌道在太陽周圍顯示為一個小橢圓形。（圖源：Wikipedia）

研究人員還發(fā)現(xiàn)了四個新的海王星特洛伊天體。特洛伊天體是指那些和行星或衛(wèi)星共用軌道的天體，這也就是說海王星特洛伊天體和海王星共用其繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道。他們還發(fā)現(xiàn)了貝爾納迪內(nèi)利-伯恩斯坦彗星 (Bernardinelli-Bernstein comet)，該彗星是以上面提到的那篇論文的兩位主要作者——賓夕法尼亞大學(xué)宇宙學(xué)家加里·伯恩斯坦和華盛頓大學(xué)博士后學(xué)者佩德羅·貝爾納迪內(nèi)利的名字命名的。這兩位學(xué)者首次在研究暗能量的數(shù)據(jù)集中發(fā)現(xiàn)這枚彗星。貝爾納迪內(nèi)利-伯恩斯坦彗星的大小可能有100英里（160公里），它來自奧爾特云 (Oort cloud)，因為這種彗星云得不到任何恒星的光和熱，所以這是比柯伊伯帶更遙遠的一片“冰天雪地”。

圖解：木星的特洛伊群小行星，位于木星前方或后方60度，與木星有著相同的軌道。（圖源：Wikipedia）

在這次新發(fā)現(xiàn)的天體中，至少有155個被天文學(xué)家稱為“不接天體”(detached)。這意味著它們離海王星足夠遠，以至于海王星的引力對它們的影響并不大；相反，它們大多因為太陽的引力而與太陽系緊密聯(lián)系在一起。因為這些天體往往都具有巨大的橢圓軌道，因而有時也被稱為延展的黃道離散天體 (scattered disc objects)。

圖解：鬩神星，已知最大的黃道離散天體，和它的衛(wèi)星鬩衛(wèi)一（迪絲諾美亞，中央偏左的小光點）。（圖源：Wikipedia）

研究人員在論文中寫道，這些發(fā)現(xiàn)令人振奮，因為暗能量調(diào)查的目的并不是單純?yōu)榱藢ふ液Ｍ馓祗w，它的目標(biāo)是更好地描述理論上預(yù)言能影響宇宙加速膨脹的暗能量。然而，暗能量調(diào)查所得到的數(shù)據(jù)已經(jīng)包含了目前所有已知海外天體的20%，調(diào)查的范圍覆蓋了八分之一的天空。

研究人員寫道：“這些發(fā)現(xiàn)對于進一步研究海外天體所在區(qū)域是如何形成的，以及對其進行更為詳細的統(tǒng)計測試將具有很大的價值?！?/p>

在物理宇宙學(xué)和天文學(xué)中，暗能量是能在最大尺度上影響宇宙的一種未知的能量形式。關(guān)于暗能量存在的第一個觀測證據(jù)來自對超新星的觀測，這一觀測表明宇宙并非是以一個恒定的速度在膨脹，相反，宇宙正在加速膨脹。想要了解宇宙的演化就必須要了解宇宙在誕生時的初始條件及其組成。在此之前，人們普遍認為宇宙中所有形式的物質(zhì)和能量都只能導(dǎo)致宇宙膨脹的速度隨著時間推移而減慢。對宇宙微波背景 (cosmic microwave background) 的測量表明，宇宙誕生于熱大爆炸 (hot Big Bang)，在熱大爆炸模型中我們可以利用廣義相對論解釋宇宙的演化和隨后的大尺度運動。在這種模型下，如果不引入一種新的能量形式，就沒有辦法解釋我們已經(jīng)觀測到的正在加速膨脹的宇宙。自20世紀(jì)90年代以來，科學(xué)家普遍認為暗能量是導(dǎo)致宇宙加速膨脹的原因。而且目前在宇宙學(xué)領(lǐng)域有很多活躍的研究方向都旨在了解暗能量的本質(zhì)。

圖解：宇宙微波背景全天圖，根據(jù)普朗克衛(wèi)星探測結(jié)果繪制。宇宙微波背景（CMB）是一種充滿整個宇宙的電磁輻射。該輻射在大尺度上可近似認為是均勻且各向同性，但細微的殘留變化展現(xiàn)出各向異性。（圖源：Wikipedia）

如果我們假設(shè)宇宙學(xué)的ΛCDM模型 (lambda-CDM model) 是正確的，目前最好的觀測結(jié)果表明暗能量占當(dāng)今可觀測宇宙中總能量的68%，暗物質(zhì)和普通（重子）物質(zhì)分別貢獻26%和5%，而中微子和光子等其他成分的貢獻非常小。不過值得一提的是，暗能量的密度非常低（約7×10-30?g/cm3），遠遠低于星系中普通物質(zhì)或暗物質(zhì)的密度。然而，因為它在宇宙中是均勻分布的，所以它也是宇宙質(zhì)量（或能量）的最重要的組成部分。

圖解：在ΛCDM模型下加速膨脹的宇宙。（圖源：Wikipedia）

目前科學(xué)家提出了兩種可能的暗能量的形式：一種是宇宙學(xué)常數(shù)，它表示暗能量以某種恒定的能量密度在空間中均勻分布；另一種是標(biāo)量場，如精質(zhì) (quintessence) 或模 (moduli)?這樣具有能量密度的動力學(xué)量，它們可以隨時間和空間變化。來自空間中恒定標(biāo)量場的貢獻通常被包含在宇宙學(xué)常數(shù)中，我們可以認為宇宙學(xué)常數(shù)與空間的零點輻射（即真空能量）是等價的。對于隨空間變化的標(biāo)量場來說，因為它變化得非常緩慢，所以我們也很難將它與宇宙學(xué)常數(shù)區(qū)分開來。

考慮到協(xié)調(diào)宇宙學(xué) (concordance?cosmology)?是一個玩具模型 (toy model)，一些學(xué)者認為，如果對真實宇宙中所有尺度下所存在的結(jié)構(gòu)進行更為準(zhǔn)確的廣義相對論處理，那么可能就不需要引入暗能量這一概念。事實上這種想法也并非毫無根據(jù)，因為當(dāng)科學(xué)家試圖利用非均勻宇宙學(xué)去解釋結(jié)構(gòu)形成對空間度規(guī)的影響時，通常就不會引入任何暗能量對宇宙能量密度的貢獻。

BY:?Stephanie Pappas

FY:?小陣雨

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