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太阳系中真的存在第九行星吗?或许只是牛顿的引力理论出了问题

SF中文 2023/11/5 16:37:14 责编:梦泽
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本文来自微信公众号:SF 中文 (ID:kexuejiaodian),作者:SF

艺术家绘制的第九行星想象图(图片来源:Wikipedia)

太阳系中是否存在一个未被发现的第九行星?这个问题已经困扰了科学家多年,因为他们观察到太阳系外围某些小型天体有着极不寻常的轨道。然而,一些科学家认为,也许这些现象并不是由一个隐藏的行星造成的,而是由于我们对引力的理解有所偏差。

太阳系外缘有一个类似小行星带的区域,叫做柯伊伯带(Kuiper belt)。它的范围从海王星轨道(距离太阳约 30 个天文单位,1 天文单位约等于地球到太阳的平均距离)开始,一直延伸到距离太阳约 50 个天文单位处。如同主小行星带,柯伊伯带主要包含很多小型天体。柯伊伯带还包含至少 4 颗矮行星,分别是冥王星、妊神星、鸟神星和阋神星。

2016 年,科学家发现柯伊伯带中一些小型天体有着极不寻常的轨道,他们推测这或许是一颗未被发现的行星的引力所致。这颗假想的行星被称为“第九行星”,据推算,其质量约为地球的 5 到 10 倍,直径是地球的 2 到 4 倍,轨道的长半轴约为 400 到 800 个天文单位。

但在最近,一组科学家在《天文学杂志》(The Astronomical Journal)上发表了一篇论文,并指出那些柯伊伯带天体的异常轨道可能并不是由一个隐藏的行星造成的,而是由于我们对引力的理解有所偏差。

他们研究了如果引力遵循一种叫做“修正牛顿动力学”(Modified Newtonian Dynamics)的理论,银河系对太阳系柯伊伯带天体会产生什么样的影响。

什么是修正牛顿动力学?

修正牛顿动力学是由以色列物理学家莫德海・米尔格罗姆(Mordehai Milgrom)于 1983 年提出的,最初是为了解释为什么星系边缘恒星的旋转速度大于预期。

根据牛顿引力定律,星系边缘区域的恒星应该以较慢的速度旋转,然而,观测表明,这些恒星实际上以相当高的速度旋转,这意味着星系中必须有一种看不见的物质来提供额外的引力。

这种看不见的物质被称为暗物质,它是目前主流的引力理论所假设的。然而,暗物质至今没有被直接探测到,它的本质和分布仍然是一个谜。修正牛顿动力学则提出了另一种可能的解释,而不需要引入暗物质这个概念:牛顿引力定律只适用于高加速度的情况,而在低加速度下,引力会发生变化,导致不同于预期的效果。

具体来说,在很低的加速度下,物体之间所受到的引力与它们之间距离成反比,而不是与距离的平方成反比。此时,物体之间的引力会比牛顿引力定律预测的要强,这就可以解释为什么星系边缘区域的恒星能以如此快的速度旋转。

修正牛顿动力学如何影响太阳系?

修正牛顿动力学虽然可以很好地解释星系尺度上的观测,但它是否也能适用于太阳系呢?这就是美国凯斯西储大学的物理学家哈什・马图尔(Harsh Mathur)和美国汉密尔顿学院的物理学家凯瑟琳・布朗(Katherine Brown)想要探索的问题。

为了探究这个问题,他们研究了银河系对太阳系柯伊伯带天体的引力影响。在牛顿引力定律的框架下,这种作用是可以忽略不计的,但在修正牛顿动力学的框架下,它可能会产生显著的影响。

他们发现,在足够长的时间尺度下,柯伊伯带中一些天体轨道的长轴会逐渐沿着指向银河系中心的方向对齐,并且远日点朝向银河系中心。这种对齐会导致这些天体的轨道看起来出现了异常,从而形成了一种第九行星存在的假象。

马图尔和布朗称,这种对齐现象非常“引人注目”。他们的研究不仅说明了修正牛顿动力学能适用于太阳系,还揭示了太阳系边缘的异常现象可能源于我们对引力理解的偏差,而不是因为存在一颗未被发现的行星。

不过,他们也坦言,这项研究存在诸多不确定性和局限性,例如数据不充分,以及修正牛顿动力学本身仍有许多争议。比如说,修正牛顿动力学虽然能够解释星系边缘异常高的旋转速度,但并不适用于所有星系,科学家仍然需要暗物质来解释。它也不能解释暗物质理论所能解释的一些现象,如宇宙微波背景辐射的温度涨落和宇宙大尺度结构的形成。而且,它与广义相对论也有冲突。

因此,他们的研究还需要更多的观测和实验来验证。“无论结果如何,这项工作表明,太阳系外缘是探索引力和物理学基本问题的一个重要实验场所。”布朗说道。

参考文献:

  • https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/acef1e

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关键词:太阳系天文

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