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太陽系中是否存在一個(gè)未被發(fā)現(xiàn)的第九行星？這個(gè)問題已經(jīng)困擾了科學(xué)家多年，因?yàn)樗麄冇^察到太陽系外圍某些小型天體有著極不尋常的軌道。然而，一些科學(xué)家認(rèn)為，也許這些現(xiàn)象并不是由一個(gè)隱藏的行星造成的，而是由于我們對(duì)引力的理解有所偏差。
太陽系外緣有一個(gè)類似小行星帶的區(qū)域，叫做柯伊伯帶（Kuiper belt）。它的范圍從海王星軌道（距離太陽約 30 個(gè)天文單位，1 天文單位約等于地球到太陽的平均距離）開始，一直延伸到距離太陽約 50 個(gè)天文單位處。如同主小行星帶，柯伊伯帶主要包含很多小型天體?？乱敛畮н€包含至少 4 顆矮行星，分別是冥王星、妊神星、鳥神星和鬩神星。
2016 年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)柯伊伯帶中一些小型天體有著極不尋常的軌道，他們推測(cè)這或許是一顆未被發(fā)現(xiàn)的行星的引力所致。這顆假想的行星被稱為“第九行星”，據(jù)推算，其質(zhì)量約為地球的 5 到 10 倍，直徑是地球的 2 到 4 倍，軌道的長(zhǎng)半軸約為 400 到 800 個(gè)天文單位。
但在最近，一組科學(xué)家在《天文學(xué)雜志》（The Astronomical Journal）上發(fā)表了一篇論文，并指出那些柯伊伯帶天體的異常軌道可能并不是由一個(gè)隱藏的行星造成的，而是由于我們對(duì)引力的理解有所偏差。
他們研究了如果引力遵循一種叫做“修正牛頓動(dòng)力學(xué)”（Modified Newtonian Dynamics）的理論，銀河系對(duì)太陽系柯伊伯帶天體會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響。
什么是修正牛頓動(dòng)力學(xué)？
修正牛頓動(dòng)力學(xué)是由以色列物理學(xué)家莫德海?米爾格羅姆（Mordehai Milgrom）于 1983 年提出的，最初是為了解釋為什么星系邊緣恒星的旋轉(zhuǎn)速度大于預(yù)期。
根據(jù)牛頓引力定律，星系邊緣區(qū)域的恒星應(yīng)該以較慢的速度旋轉(zhuǎn)，然而，觀測(cè)表明，這些恒星實(shí)際上以相當(dāng)高的速度旋轉(zhuǎn)，這意味著星系中必須有一種看不見的物質(zhì)來提供額外的引力。
這種看不見的物質(zhì)被稱為暗物質(zhì)，它是目前主流的引力理論所假設(shè)的。然而，暗物質(zhì)至今沒有被直接探測(cè)到，它的本質(zhì)和分布仍然是一個(gè)謎。修正牛頓動(dòng)力學(xué)則提出了另一種可能的解釋，而不需要引入暗物質(zhì)這個(gè)概念：牛頓引力定律只適用于高加速度的情況，而在低加速度下，引力會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致不同于預(yù)期的效果。
具體來說，在很低的加速度下，物體之間所受到的引力與它們之間距離成反比，而不是與距離的平方成反比。此時(shí)，物體之間的引力會(huì)比牛頓引力定律預(yù)測(cè)的要強(qiáng)，這就可以解釋為什么星系邊緣區(qū)域的恒星能以如此快的速度旋轉(zhuǎn)。
修正牛頓動(dòng)力學(xué)如何影響太陽系？
修正牛頓動(dòng)力學(xué)雖然可以很好地解釋星系尺度上的觀測(cè)，但它是否也能適用于太陽系呢？這就是美國凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的物理學(xué)家哈什?馬圖爾（Harsh Mathur）和美國漢密爾頓學(xué)院的物理學(xué)家凱瑟琳?布朗（Katherine Brown）想要探索的問題。
為了探究這個(gè)問題，他們研究了銀河系對(duì)太陽系柯伊伯帶天體的引力影響。在牛頓引力定律的框架下，這種作用是可以忽略不計(jì)的，但在修正牛頓動(dòng)力學(xué)的框架下，它可能會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。
他們發(fā)現(xiàn)，在足夠長(zhǎng)的時(shí)間尺度下，柯伊伯帶中一些天體軌道的長(zhǎng)軸會(huì)逐漸沿著指向銀河系中心的方向?qū)R，并且遠(yuǎn)日點(diǎn)朝向銀河系中心。這種對(duì)齊會(huì)導(dǎo)致這些天體的軌道看起來出現(xiàn)了異常，從而形成了一種第九行星存在的假象。
馬圖爾和布朗稱，這種對(duì)齊現(xiàn)象非?！耙俗⒛俊?。他們的研究不僅說明了修正牛頓動(dòng)力學(xué)能適用于太陽系，還揭示了太陽系邊緣的異?，F(xiàn)象可能源于我們對(duì)引力理解的偏差，而不是因?yàn)榇嬖谝活w未被發(fā)現(xiàn)的行星。
不過，他們也坦言，這項(xiàng)研究存在諸多不確定性和局限性，例如數(shù)據(jù)不充分，以及修正牛頓動(dòng)力學(xué)本身仍有許多爭(zhēng)議。比如說，修正牛頓動(dòng)力學(xué)雖然能夠解釋星系邊緣異常高的旋轉(zhuǎn)速度，但并不適用于所有星系，科學(xué)家仍然需要暗物質(zhì)來解釋。它也不能解釋暗物質(zhì)理論所能解釋的一些現(xiàn)象，如宇宙微波背景輻射的溫度漲落和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成。而且，它與廣義相對(duì)論也有沖突。
因此，他們的研究還需要更多的觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證?！盁o論結(jié)果如何，這項(xiàng)工作表明，太陽系外緣是探索引力和物理學(xué)基本問題的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所?！辈祭收f道。
參考文獻(xiàn)：
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/acef1e
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