第九行星，海外天体，暗能量调查还会带给我们怎样的惊喜
研究人员在海王星以外发现了具有奇特轨道的天体
日前，一项为期六年的研究显示科学家在海王星轨道外又新发现了461个天体，其中有4个天体到太阳的距离超过了230天文单位（地球到太阳之间的直线距离被定义为一个天文单位，记作AU。其数值约为9300万英里或1.496亿千米），这些距离地球非常遥远的天体有可能帮助我们进一步了解＂第九行星＂。这里提到的＂第九行星＂是一种理论上预言存在但目前尚未被观测到的天体，虽然它处于深空之中难以被直接观测到，但是它的引力会影响到处于太阳系边缘的一些天体的轨道。
这一新发现来自于一项名为＂暗能量调查＂(Dark Energy Survey)的研究项目，该项目于2013年启动，致力于帮助人们更好地认识宇宙的结构和暗物质。科学家在位于智利塞罗托洛洛的布兰科望远镜 (Blanco Telescope) 上进行了为期6年的观测，确认了817个新发现的天体，而详细介绍其中461个天体的论文也首次在预印本平台arXiv上发布。据＂澳洲科技新闻网 (ScienceAlert)＂ 报道，该论文已向某期刊投稿。
图解：从引力透镜产生的效应，星系团CL0024+17内部被发现存在有一个暗物质圈，在这张哈勃太空望远镜像片里以蓝色显示出来。 （图源：Wikipedia）
该研究中的天体距离我们都至少30 AU，它们处在太阳系中一个难以想象的黑暗的区域。在这样低温的环境下，人们已经发现了3000多个海外天体 ( trans-Neptunian objects, or TNOs)，它们包括诸如冥王星和阋神星这样的矮行星，以及像小行星486958 ( Arrokoth) 这样的小柯伊伯带天体（该小行星于2019年被＂新视野号＂飞掠探测）。柯伊伯带就是由这些在距离太阳约30 AU和50 AU之间轨道上运行的冰冻天体所组成的。
原文配图：艺术家对柯伊伯带天体的想象图。柯伊伯带是 太阳系边缘的一个充满冰物质的带状区域，有许多天体就是从柯伊伯带中发现的。（图源：MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images）
这篇论文首次描述的461个天体中，有一些是非常值得我们关注的。其中有九个被称为极端的海外天体，其轨道距离至少150 AU。还有四个天体距离我们更是遥远至极，其轨道距离为230 AU。这些距离我们如此遥远的天体几乎不会受到海王星引力的影响，但是它们奇形怪状的轨道表明它们受到了太阳系外天体的影响。一些研究人员认为，这种影响可能来自于一颗尚未发现的行星，被称为＂第九行星＂。（但还有一部分研究人员认为，众多小天体的引力，或者说是一种统计异常，也是可以解释这些奇怪的行星轨道的）。因此，新发现的天体可以帮助研究人员进一步研究＂第九行星＂是否真的存在。
图解：艺术家所想像的第九行星。海王星的轨道在太阳周围显示为一个小椭圆形。 （图源：Wikipedia）
研究人员还发现了四个新的海王星特洛伊天体。特洛伊天体是指那些和行星或卫星共用轨道的天体，这也就是说海王星特洛伊天体和海王星共用其绕太阳公转的轨道。他们还发现了贝尔纳迪内利-伯恩斯坦彗星 ( Bernardinelli-Bernstein comet)，该彗星是以上面提到的那篇论文的两位主要作者——宾夕法尼亚大学宇宙学家加里·伯恩斯坦和华盛顿大学博士后学者佩德罗·贝尔纳迪内利的名字命名的。这两位学者首次在研究暗能量的数据集中发现这枚彗星。贝尔纳迪内利-伯恩斯坦彗星的大小可能有100英里（160公里），它来自奥尔特云 (Oort cloud)，因为这种彗星云得不到任何恒星的光和热，所以这是比柯伊伯带更遥远的一片＂冰天雪地＂。
图解：木星的特洛伊群小行星，位于木星前方或后方60度，与木星有着相同的轨道。 （图源：Wikipedia）
在这次新发现的天体中，至少有155个被天文学家称为 ＂不接天体＂(detached) 。这意味着它们离海王星足够远，以至于海王星的引力对它们的影响并不大；相反，它们大多因为太阳的引力而与太阳系紧密联系在一起。因为这些天体往往都具有巨大的椭圆轨道，因而有时也被称为延展的 黄道离散天体 ( scattered disc objects) 。
图解： 阋神星，已知最大的黄道离散天体，和它的卫星阋卫一（迪丝诺美亚，中央偏左的小光点）。 （图源：Wikipedia）
研究人员在论文中写道，这些发现令人振奋，因为暗能量调查的目的并不是单纯为了寻找海外天体，它的目标是更好地描述理论上预言能影响宇宙加速膨胀的暗能量。然而，暗能量调查所得到的数据已经包含了目前所有已知海外天体的20%，调查的范围覆盖了八分之一的天空。
研究人员写道：＂这些发现对于进一步研究海外天体所在区域是如何形成的，以及对其进行更为详细的统计测试将具有很大的价值。＂
在物理宇宙学和天文学中，暗能量是能在最大尺度上影响宇宙的一种未知的能量形式。关于暗能量存在的第一个观测证据来自对超新星的观测，这一观测表明宇宙并非是以一个恒定的速度在膨胀，相反，宇宙正在加速膨胀。想要了解宇宙的演化就必须要了解宇宙在诞生时的初始条件及其组成。在此之前，人们普遍认为宇宙中所有形式的物质和能量都只能导致宇宙膨胀的速度随着时间推移而减慢。对宇宙微波背景 (cosmic microwave background) 的测量表明，宇宙诞生于热大爆炸 (hot Big Bang)，在热大爆炸模型中我们可以利用广义相对论解释宇宙的演化和随后的大尺度运动。在这种模型下，如果不引入一种新的能量形式，就没有办法解释我们已经观测到的正在加速膨胀的宇宙。自20世纪90年代以来，科学家普遍认为暗能量是导致宇宙加速膨胀的原因。而且目前在宇宙学领域有很多活跃的研究方向都旨在了解暗能量的本质。
图解：宇宙微波背景全天图，根据普朗克卫星探测结果绘制。宇宙微波背景（CMB）是一种充满整个宇宙的电磁辐射。该辐射在大尺度上可近似认为是均匀且各向同性，但细微的残留变化展现出各向异性。 （图源：Wikipedia）
如果我们假设宇宙学的 ΛCDM模型 ( lambda-CDM model ) 是正确的，目前最好的观测结果表明暗能量占当今可观测宇宙中总能量的68%，暗物质和普通（重子）物质分别贡献26%和5%，而中微子和光子等其他成分的贡献非常小。不过值得一提的是，暗能量的密度非常低（约7 10-30 g/cm 3 ），远远低于星系中普通物质或暗物质的密度。然而，因为它在宇宙中是均匀分布的，所以它也是宇宙质量（或能量）的最重要的组成部分。
图解：在ΛCDM模型下加速膨胀的宇宙。 （图源：Wikipedia）
目前科学家提出了两种可能的暗能量的形式：一种是宇宙学常数，它表示暗能量以某种恒定的能量密度在空间中均匀分布；另一种是标量场，如 精质 (quintessence) 或模 (moduli) 这样具有能量密度的动力学量，它们可以随时间和空间变化。来自空间中恒定标量场的贡献通常被包含在宇宙学常数中，我们可以认为宇宙学常数与空间的零点辐射（即真空能量）是等价的。对于随空间变化的标量场来说，因为它变化得非常缓慢，所以我们也很难将它与宇宙学常数区分开来。
考虑到 协调宇宙学 ( concordance cosmology ) 是一个玩具模型 (toy model)，一些学者认为，如果对真实宇宙中所有尺度下所存在的结构进行更为准确的广义相对论处理，那么可能就不需要引入暗能量这一概念。事实上这种想法也并非毫无根据，因为当科学家试图利用非均匀宇宙学去解释结构形成对空间度规的影响时，通常就不会引入任何暗能量对宇宙能量密度的贡献。
BY: Stephanie Pappas
FY: 小阵雨
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