太阳系第九大行星的探索与假设

作者: 小雨

来源: 原理

发布日期: 2016-01-23

本文探讨了太阳系可能存在的第九大行星——行星X的假设及其对现有天体运行轨道的影响。文章还讨论了如果存在,探测器到达行星X所需的时间以及在其表面可能的体验。此外,文章还估算了行星X的表面温度,并讨论了其大气层对温度的影响。

最近,你肯定已经在各大新闻里看到了太阳系存在第九大行星的消息。如果你还不知道,下面是几个要点。在太阳系的柯伊伯带(比冥王星还远),天文学家发现其中6颗天体的运行轨道异常。如果我们假设有一颗行星存在,对这些天体产生了引力影响,就可以解释这些运行轨道的异常。因此天文学家相信太阳系或许存在行星X。

根据柯伊伯带的天体运行轨迹可以推算出行星X环绕太阳一周需时1至2万年,半长轴为700 AU(1 AU是地球到太阳的距离)。行星X的质量远大于地球,大约为地球的十倍。半径为13,000到26,000公里之间(地球的半径为6,371公里)。紫色的轨迹代表柯伊伯带的六颗天体,称为“矮行星”。如果存在第九大行星(橙色轨迹)就可以解释六颗矮行星的运行轨迹异常。

现在我们已经大概了解了行星X的一些信息,我们就考虑一些实际的问题。“新视野号”需要耗时多久才能到达行星X?这个问题我们需要进一步的澄清,并把它划分为两个问题。第一,“新视野号”(前不久才抵达冥王星)在它现在的位置需要多久才能抵达新行星?答案或许是无限久。因为新视野无法获得足够的燃料继续供他航行那么远的距离。那么我们再换个问法,一个像“新视野号”的飞船需要多久才能到达行星X。

虽然“新视野号”并不是以恒速在空间中飞行的,但是为了简化计算下面我就取飞船的平均速度为每秒16,000米。假定飞船要飞行到行星X离太阳最近的距离(近日点),也就是200AU。现在我们就可以用平均速度(一维的情况)的标准定义来计算。我们就得到187后面再跟7个零秒的时间,如果把秒转换为年,那么得到的结果就是59.3年。作为比较,“新视野号”飞到冥王星耗时了9年。

那么,如果飞船要飞到行星X离太阳最远的距离(远日点),那得到的结果将是355.7年。啊哦!这么久远的时间,如果想看看行星X的真面目(如果它真的存在),看来唯一的办法就是要制造更快的宇宙飞船!在行星X上散步是何等感受?我们需要首先假设行星X拥有固态表面。那么我们走在行星X上是什么感受?这其实跟行星表面引力场有关。在地球的表面,我们感受到的引力场强度是9.8N/kg。

我们切身体会在到在地球表面的情况,所以这个数字可以帮助我们来做比较。一个行星的表面引力场强度(g)取决于行星的质量(M)和半径(R)。质量越大行星,引力场越强。相反,半径越大则引力场越弱。在行星表面的引力场大小可以通过如下公式简单计算:利用行星X的最大和最小半径取值,我们通过上面的公式很快就可以得到引力场强度为5.9和23.7N/kg。所以,行星X上的引力场强度跟地球比较接近(但是更加寒冷)。

当然,如果行星X拥有上限半径,那我们感受到的引力强度是23.7N/kg,这将使我们寸步难行。在行星X的表面有多冷?这里,我们假设行星X上并没有大气层,这很重要,因为行星上的大气层会对行星表面的温度有很大的影响(如火星、地球和金星)。这里我们也假设太阳是完美的黑体辐射,这样我们就可以估算从太阳辐射出的能量。如果能量向各个方向都均匀辐射,那么光的强度会反比与距离的平方。

当一颗行星吸收了太阳的辐射,行星表面就会被加热。如果这样的情形发生,行星也会成为黑体辐射体。当行星辐射和吸收的能量相等,我么就说行星达到了平衡温度。这是一个大体的概念,这边我就不打算再列出公式了。根据上述的温度模型,当恒星X距离为200AU时,它的表面温度为20.5K。这比行星霍斯(星战里的场景)都要冷!!!当然真实情况是行星X并不能完全的吸收来自太阳的辐射,所以实际温度还要更低一点。

如果我们用同样的模型来计算地球上的情况,我们将得到地球的表面温度为288K,由于地球并不是完美吸收体,所以实际问题也要低一点。如果地球没有大气层,那么表面温度将降为255K。关于行星X我们就说到这里,它的存在还是个未知数,如果存在,那么未来天文学家还需要探索它的诸多性质,比如是否拥有生命?当然要向它发射探测器,我们还需努力。不管如何,我们都希望未来它能够成为太阳系的新成员。

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