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第九行星，海外天體，暗能量調查還會帶給我們怎樣的驚喜

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2022年4月19日 -
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研究人員在海王星以外發現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家在海王星軌道外又新發現了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。 其數值約為9300萬英裏或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”。 這裏提到的“第九行星”是一種理論上預言存在但目前尚未被觀測到的天體，雖然它處於深空之中難以被直接觀測到，但是它的引力會影響到處於太陽系邊緣的一些天體的軌道。 
這一新發現來自於一項名為“暗能量調查”(Dark Energy Survey)的研究項目，該項目於2013年啟動，致力於幫助人們更好地認識宇宙的結構和暗物質。 科學家在位於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個新發現的天體，而詳細介紹其中461個天體的論文也首次在預印本平台arXiv上發布。 據“澳洲科技新聞網 (ScienceAlert)” 報道，該論文已向某期刊投稿。 
圖解：從引力透鏡產生的效應，星系團CL0024+17內部被發現存在有一個暗物質圈，在這張哈勃太空望遠鏡像片裏以藍色顯示出來。 （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域。 在這樣低溫的環境下，人們已經發現了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（該小行星於2019年被“新視野號”飛掠探測）。 柯伊伯帶就是由這些在距離太陽約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：藝術家對柯伊伯帶天體的想象圖。 柯伊伯帶是太陽系邊緣的一個充滿冰物質的帶狀區域，有許多天體就是從柯伊伯帶中發現的。 （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。 這些距離我們如此遙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，這種影響可能來自於一顆尚未發現的行星，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，或者說是一種統計異常，也是可以解釋這些奇怪的行星軌道的）。 因此，新發現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）
研究人員還發現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的軌道。 他們還發現了貝爾納迪內利-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——賓夕法尼亞大學宇宙學家加裏·伯恩斯坦和華盛頓大學博士後學者佩德羅·貝爾納迪內利的名字命名的。 這兩位學者首次在研究暗能量的數據集中發現這枚彗星。 貝爾納迪內利-伯恩斯坦彗星的大小可能有100英裏（160公裏），它來自奧爾特雲 (Oort cloud)，因為這種彗星雲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，位於木星前方或後方60度，與木星有著相同的軌道。 （圖源：Wikipedia）
在這次新發現的天體中，至少有155個被天文學家稱為“不接天體”(detached)。 這意味著它們離海王星足夠遠，以至於海王星的引力對它們的影響並不大；相反，它們大多因為太陽的引力而與太陽系緊密聯系在一起。 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，和它的衛星鬩衛一（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，這些發現令人振奮，因為暗能量調查的目的並不是單純為了尋找海外天體，它的目標是更好地描述理論上預言能影響宇宙加速膨脹的暗能量。 然而，暗能量調查所得到的數據已經包含了目前所有已知海外天體的20%，調查的範圍覆蓋了八分之一的天空。 
研究人員寫道：“這些發現對於進一步研究海外天體所在區域是如何形成的，以及對其進行更為詳細的統計測試將具有很大的價值。 ”
在物理宇宙學和天文學中，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。 關於暗能量存在的第一個觀測證據來自對超新星的觀測，這一觀測表明宇宙並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和能量都只能導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，宇宙誕生於熱大爆炸 (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後的大尺度運動。 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觀測到的正在加速膨脹的宇宙。 自20世紀90年代以來，科學家普遍認為暗能量是導致宇宙加速膨脹的原因。 而且目前在宇宙學領域有很多活躍的研究方向都旨在了解暗能量的本質。 
圖解：宇宙微波背景全天圖，根據普朗克衛星探測結果繪制。 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出各向異性。 （圖源：Wikipedia）
如果我們假設宇宙學的ΛCDM模型 (lambda-CDM model) 是正確的，目前最好的觀測結果表明暗能量占當今可觀測宇宙中總能量的68%，暗物質和普通（重子）物質分別貢獻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），遠遠低於星系中普通物質或暗物質的密度。 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）
目前科學家提出了兩種可能的暗能量的形式：一種是宇宙學常數，它表示暗能量以某種恒定的能量密度在空間中均勻分布；另一種是標量場，如精質 (quintessence) 或模 (moduli) 這樣具有能量密度的動力學量，它們可以隨時間和空間變化。 來自空間中恒定標量場的貢獻通常被包含在宇宙學常數中，我們可以認為宇宙學常數與空間的零點輻射（即真空能量）是等價的。 對於隨空間變化的標量場來說，因為它變化得非常緩慢，所以我們也很難將它與宇宙學常數區分開來。 
考慮到協調宇宙學 (concordance cosmology) 是一個玩具模型 (toy model)，一些學者認為，如果對真實宇宙中所有尺度下所存在的結構進行更為准確的廣義相對論處理，那麼可能就不需要引入暗能量這一概念。 事實上這種想法也並非毫無根據，因為當科學家試圖利用非均勻宇宙學去解釋結構形成對空間度規的影響時，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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研究人員在海王星以外發現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家在海王星軌道外又新發現了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。其數值約為9300萬英裏或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”。這裏提到的“第九行星”是一種理論上預言存在但目前尚未被觀測到的天體，雖然它處於深空之中難以被直接觀測到，但是它的引力會影響到處於太陽系邊緣的一些天體的軌道。

這一新發現來自於一項名為“暗能量調查”(Dark Energy Survey)的研究項目，該項目於2013年啟動，致力於幫助人們更好地認識宇宙的結構和暗物質。科學家在位於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個新發現的天體，而詳細介紹其中461個天體的論文也首次在預印本平台arXiv上發布。據“澳洲科技新聞網 (ScienceAlert)” 報道，該論文已向某期刊投稿。

圖解：從引力透鏡產生的效應，星系團CL0024+17內部被發現存在有一個暗物質圈，在這張哈勃太空望遠鏡像片裏以藍色顯示出來。（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域。在這樣低溫的環境下，人們已經發現了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（該小行星於2019年被“新視野號”飛掠探測）。柯伊伯帶就是由這些在距離太陽約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：藝術家對柯伊伯帶天體的想象圖。柯伊伯帶是太陽系邊緣的一個充滿冰物質的帶狀區域，有許多天體就是從柯伊伯帶中發現的。（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。這些距離我們如此遙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，這種影響可能來自於一顆尚未發現的行星，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，或者說是一種統計異常，也是可以解釋這些奇怪的行星軌道的）。因此，新發現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）

研究人員還發現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的軌道。他們還發現了貝爾納迪內利-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——賓夕法尼亞大學宇宙學家加裏·伯恩斯坦和華盛頓大學博士後學者佩德羅·貝爾納迪內利的名字命名的。這兩位學者首次在研究暗能量的數據集中發現這枚彗星。貝爾納迪內利-伯恩斯坦彗星的大小可能有100英裏（160公裏），它來自奧爾特雲 (Oort cloud)，因為這種彗星雲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，位於木星前方或後方60度，與木星有著相同的軌道。（圖源：Wikipedia）

在這次新發現的天體中，至少有155個被天文學家稱為“不接天體”(detached)。這意味著它們離海王星足夠遠，以至於海王星的引力對它們的影響並不大；相反，它們大多因為太陽的引力而與太陽系緊密聯系在一起。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，和它的衛星鬩衛一（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，這些發現令人振奮，因為暗能量調查的目的並不是單純為了尋找海外天體，它的目標是更好地描述理論上預言能影響宇宙加速膨脹的暗能量。然而，暗能量調查所得到的數據已經包含了目前所有已知海外天體的20%，調查的範圍覆蓋了八分之一的天空。

研究人員寫道：“這些發現對於進一步研究海外天體所在區域是如何形成的，以及對其進行更為詳細的統計測試將具有很大的價值。”

在物理宇宙學和天文學中，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。關於暗能量存在的第一個觀測證據來自對超新星的觀測，這一觀測表明宇宙並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和能量都只能導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，宇宙誕生於熱大爆炸 (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後的大尺度運動。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觀測到的正在加速膨脹的宇宙。自20世紀90年代以來，科學家普遍認為暗能量是導致宇宙加速膨脹的原因。而且目前在宇宙學領域有很多活躍的研究方向都旨在了解暗能量的本質。

圖解：宇宙微波背景全天圖，根據普朗克衛星探測結果繪制。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出各向異性。（圖源：Wikipedia）

如果我們假設宇宙學的ΛCDM模型 (lambda-CDM model) 是正確的，目前最好的觀測結果表明暗能量占當今可觀測宇宙中總能量的68%，暗物質和普通（重子）物質分別貢獻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），遠遠低於星系中普通物質或暗物質的密度。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）

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

考慮到協調宇宙學 (concordance cosmology) 是一個玩具模型 (toy model)，一些學者認為，如果對真實宇宙中所有尺度下所存在的結構進行更為准確的廣義相對論處理，那麼可能就不需要引入暗能量這一概念。事實上這種想法也並非毫無根據，因為當科學家試圖利用非均勻宇宙學去解釋結構形成對空間度規的影響時，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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