曾有流浪行星入侵太阳系，是真的吗？

银河系中的流浪行星。图片来源：NASA Tumblr

导读： 牛顿在后半生试图证明上帝曾来过太阳系并以其洪荒之力改变行星运动。今天，科学家们推测确实有天外来客，改变了太阳系行星系统的结构。这个天外来客，很可能就是流浪行星。 所谓流浪行星，就是银河系中不受任何恒星的引力束缚、飘荡在浩瀚无垠的星际空间的行星。科学家们基于当前的观测证据提出猜想，在太阳系长达45亿年的演化时间内，曾有流浪行星入侵太阳系。 今天的赛先生天文专栏，将为您深度解读流浪行星在太阳系中留下的痕迹。 黎健、夏志宏 ｜ 撰文 王馨心、韩越扬 ｜ 编辑 科幻电影“流浪地球”讲述了科学家们发现太阳急速衰老膨胀，包括地球在内的整个太阳系都将被太阳所吞没。人类为了自救，建造行星发动机驱使地球逃离太阳系，在星际空间航行2500多年，奔往4.22光年外的比邻星。 与之相对应的科学图景则为：银河系的恒星数量约在1000亿到4000亿之间，在这些恒星系统中形成的行星可能受到其它天体的强引力作用而被抛射出来，从而脱离母恒星的束缚，成为星际或宇宙之中的流浪者。 2011年，科学家利用微透镜法发现了流浪行星候选体的存在[1]，2013年，泛星（Pan-STARRS）望远镜用直接成像法观测到了流浪行星PSO J318.5-22。而最新的研究[2]表明，流浪行星数目可能接近主序恒星数目的20倍，其质量分布可从一个地球质量到数十个木星质量（平均质量大约为 4 个地球质量）。 2017年10月19日，泛星望远镜观测到了第一颗来自太阳系以外的天体——奥陌陌（1I/‘Oumuamua）（图1）。奥陌陌是在地球附近被发现的，距离地球仅约3300万公里，现在它已经朝着离开太阳系的方向运行。奥陌陌处于双曲轨道上，具有极大的逃逸速度，且以近乎垂直于黄道面的方向运行。此外，它还具有异常扁长的形状（约230米 × 35米 × 35米）。这些奇特的轨道和物理特征，都预示着奥陌陌并非起源于太阳系，而是星际来客。至此，人们揭开了发现来自其它恒星系统的天体的序幕，而奥陌陌正式名称中的“1I”，代表的就是第一个星际天体（1st Interstellar object）。不久之后，G. Borisov在2019年8月30日又发现了第二颗恒星际天体——2I/Borisov。

图1：奥陌陌（1I/‘Oumuamua）的轨道和形状。图片来源NASA 恒星际天体的发现，为我们提出了一个极为有趣的问题： 在太阳系长达45亿年的历史中，是否曾经有流浪行星侵入过？
美国加州大学洛杉矶分校的D. Jewitt和康奈尔大学的 D. Z. Seligman研究指出[3]，每年都会有一颗小天体进入太阳系。那么根据太阳系天体的组成，尺寸超过1公里的小天体数量在10亿颗的量级，而行星有8颗，可以简单估计流浪行星侵入事件在1亿年的尺度上可能会发生一次。虽然在人类短暂的文明史上我们无法观测到，但由于流浪行星的质量比奥陌陌和2I/Borisov这样的小天体大得多，它强大的引力效应或在太阳系天体的运行中留下某些特殊的痕迹，而这将为我们理解太阳系的形成和演化提供至关重要的线索。 通过近期对太阳系小行星的研究，我们发现了令人信服的证据，表明了流浪行星曾经来过太阳系，而这些证据和太阳系行星系统的某些平衡点密切相关。 1. 三体问题的特解——拉格朗日平衡点 三体问题是天体力学里的经典难题。其不存在数学上的解析解，或者说不存在一般意义上的通解。但是在特定情形下，三体问题有着一些特殊的解，甚至某些特解非常简单。1772年，拉格朗日发现：当两个大质量天体(如太阳和木星)相互绕转，在与它们构成等边三角形的位置处存在对称的平衡点L4和L5（图2）。若有一颗小行星刚巧位于L4或L5，那么它将永远与太阳和木星保持正三角形的构型。1906年，德国天文学家马克斯·沃夫（Max Wolf）在海德堡天文台发现了第一颗这样的小行星（588 Achilles），它运行在和木星共轨的轨道上，且与木星的角距离保持在60度左右，被称之为“木星特洛伊”。截至2023年6月，已经有超过12000颗木星特洛伊被观测到。

图2：拉格朗日平衡点和木星特洛伊。图片来源：维基百科 实际上，在两个大质量天体的连线上，还存在另外3个平衡点（L1, L2, L3）。这是由欧拉发现的，但由于这些平衡点不是稳定的，其附近没有自然天体存在。 2. 木星特洛伊——L4和L5数量不对称之谜 早在1989年，著名的美国天文学家舒梅克（Shoemaker）夫妇（Shoemaker–Levy 9彗星的共同发现者）就已经注意到，木星L4平衡点附近的特洛伊比L5附近的要多，但那是由于当时L5的方向对着银河系中心，由于背景太亮无法观测。当L5的位置随着时间发生改变，其附近越来越多的木星特洛伊被观测到，当前已有超过4300颗，但是，这依然远远小于L4附近特洛伊的数量——近8300颗。 实际上，从1999年至今的观测都显示，L4木星特洛伊的数量一直显著地超出L5木星特洛伊，且不受其尺寸和轨道特征的影响。在去除观测的选择性效应后，匈牙利塞格德大学的Gy. M. Szabó及其合作者给出了L4和L5特洛伊的无偏差数量比[4]：约为1.6。 从图2所示的几何构型来看，拉格朗日平衡点L4和L5完全对称；此外，由于木星是太阳系中最大的行星，此对称性受到其它天体的引力影响也非常小。那么， L4 和L5木星特洛伊高达60% 的数量差异是如何产生的呢？这个问题困扰着科学界30多年，一直都没有一个合理的解释：现有的相关理论要么无法产生如此显著的数量比，要么会引起其它小天体族群的分布与观测较大的差异，这也对太阳系的形成和演化理论提出了极大的挑战。 3. 木星快速向外迁移——“流浪行星”猜想的提出

图3：流浪行星入侵太阳系的示意图，木星初始轨道（实线）在其影响下发生向外扩展（虚线）。图片来源：黎健 由于木星特洛伊在L4和L5附近的稳定性几乎一致，要产生显著的数量不对称，必须在它们的演化过程中引入某种不对称机制，如：若木星早期经历了一次快速的向外迁移，会导致L4附近特洛伊稳定性的增强，而L5附近的则会减弱。然而，若木星迁移是由太阳系天体的引力作用引起的，迁移速度或不足以快到可以定量解释木星特洛伊的不对称问题。我们和多国科学家合作并提出猜想[5]：曾经有颗流浪行星侵入太阳系，并在经过木星附近时对其进行了加速，导致木星在10年的时间尺度上，向外迁移了0.12个天文单位（1个天文单位为太阳和地球间的平均距离，约1.5亿公里）。这个新的机制能够自然地解释L4附近的木星特洛伊是L5附近的1.6倍这样的显著数量比。 流浪行星猜想的提出解决了特洛伊之谜，但流浪行星的出现，势必会对太阳系产生其它影响。验证流浪行星猜想的关键是找到其它证据。幸运的是，希尔达小行星的沙漠之谜给出了另一个强有力的证据。 4. 更多的证据——希尔达小行星稳定区中的沙漠之谜

图4：希尔达小行星（橙色）的分布。图片来源：黎健 希尔达小行星处于木星轨道以内（见图1），且与木星发生3:2平运动共振（即与木星的轨道周期比约为3:2）。当前人们观测到了超过3700颗希尔达小行星，它们的分布显示（图4）：在距离平衡点的角距离不超过20度的区域（即红色曲线所包围的区域），没有任何的希尔达小行星存在，这是它们分布的沙漠区，而从动力学角度来看此区域恰恰是最稳定的。如此奇异的分布构型一直缺乏合理的解释。 令人惊奇的是，为了解释L4附近的木星特洛伊是L5附近的1.6倍这一数量不对称难题，所引入的同一颗流浪行星（即其可以引起木星在10年内向外迁移0.12个天文单位），还可以完美地解释希尔达小行星稳定区中存在的沙漠[6]：3:2 共振随着木星一起向外迁移，导致平衡点跳跃到原始的混沌区中，而那里空空如也，自然也不会观测到任何天体；但是，离开平衡点的角距离超过了20度的区域，在跳跃后和原始稳定区存在重叠区域，故有原始希尔达小行星存活至今。 至此，同一颗流浪行星入侵太阳系可以同时对“木星特洛伊L4和L5数量不对称”和“希尔达小行星稳定区中的沙漠”这两个天文之谜作出解释，并与观测结果几乎完全吻合。更重要的是，流浪行星的入侵或许将完全重塑太阳系的形成模型。 5. “流浪行星”定居太阳系了吗？——第9行星

图5：太阳系构型示意图。图片来源：黎健 (太阳和行星照片credit: NASA) 2003年，加州理工学院的麦克·布朗（M. E. Brown）及其合作者发现了当时已知最遥远的天体 —— 塞德娜（Senda）,它的近日点距离为76个天文单位。之后在2014年，查德·特鲁希略（C. A. Trujillo）和斯科特·谢泼德（S. S. Sheppard）又发现了一颗类似塞德娜的天体——2012 VP113。现在已知的此类遥远小天体共有14颗。奇特的是，它们的轨道都有着类似的空间指向，似乎受到了某种引力的束缚。由于这些小天体远离八大行星的引力作用范围，2016年康斯坦丁·贝提金（K. Batygin）和麦克·布朗共同提出猜想[7]：在距离太阳400-800天文单位处存在着一颗未知的行星，即所谓“第9行星”，其轨道面和黄道面的夹角（即轨道倾角）为15°-30°，质量为地球的几倍到几十倍（图5）。 实际上，流浪行星在与木星的相互作用中，会失去能量以提供木星向外迁移所需的能量，那么它有可能从双曲轨道演化至大椭圆轨道，从而停留在太阳系，成为第9行星的候选体。有趣的是，揭示木星特洛伊和希尔达之谜虽然对木星迁移有着特定的数据要求，但对于触发此动力学过程的流浪行星的参数却有着较大的分布范围：轨道倾角可以高达40度，而质量在几十个地球质量到若干个木星质量之间。这些参数似乎也与第9行星的猜想相吻合。那么，第9行星是否就是早期入侵太阳系的流浪行星呢？这值得科学家为之进一步探索。 作者简介： 黎健，南京大学天文学副教授。2003年于南京大学数学系获学士学位，2008年于南京大学天文系获理学博士学位，2016-2017年在美国西北大学数学系访问。其研究领域是太阳系行星系统动力学（包括行星、主带小行星、木星特洛伊、柯伊伯带小天体的形成和演化），非线性天体力学，以及机器学习在天体力学中的应用。 夏志宏，数学家、天文学家，1982年于南京大学天文系获学士学位，1988年获得美国西北大学博士学位，现任美国西北大学讲席教授，曾任教美国哈佛大学、佐治亚理工大学，研究领域为动力系统、天体力学。主要成就包括解决了早在1897年提出的庞勒维猜想、天体运动的混沌性、Hamilton系统的通有性质和遍历理论中的一系列问题。曾获多项国际重大奖项，包括美国总统青年研究者奖、Sloan Research Fellowship、首届布拉门塞尔数学进步奖、Monroe Martine应用数学奖等。 参考文献： 1. “Unbound or distant planetary mass population detected by gravitational microlensing”, T. Sumi, et al., Nature, 473 (2011) 349-352 2. “"Free-Floating planet Mass Function from MOA-II 9-year survey towards the Galactic Bulge”, T. Sumi, et al., arXiv:2303.08280 [astro-ph.EP] 3. “The Interstellar Interlopers”, D. Jewitt, D Z. Seligman, arXiv:2209.08182v1 [astro-ph.EP] 4. “The properties of Jovian Trojan asteroids listed in SDSS Moving Object Catalogue 3”, Gy. M. Szabó, et al., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 377 (2007) 1393-1406 5.  “The invasion of a free-floating planet and the number asymmetry of Jupiter Trojans”, 黎健,夏志宏,等, Astronomy & Astrophysics, 674 (2023) A138 6. “More evidence of the invasion of a free-floating planet into the Solar System”, 黎健,夏志宏,等, (2023) in preparation 7. “Evidence for a Distant Giant Planet in the Solar System”, K. Batygin, M. E. Brown, The Astronomical Journal, 151 (2016), 22

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