太阳系|著名的弦理论学家提出寻觅太阳系神秘“第九行星”的新方法飞船|天文|弦理论

太阳系外围有一个质量很大的东西（至少，看起来是这样）。其迹象散布在太阳系的最外围——引力有地球的5到10倍。从没有人见过它，他就想幽灵一般躲过了望远镜数年的追捕。事实上，很多人都不相信这是真的。如今，天文学者们将其称为“第九行星” 。

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物理学家爱德华·威滕(Edward Witten)提议，使用一系列激光发射的探测器，比如“突破摄星”(Breakthrough Starshot) ，来寻找被称为“行星9”的神秘引力源。
(图片:插图:Rafi Letzter ，源图:Breakthrough Startshot)
如今，著名的理论物理学家爱德华.威顿发表了一篇论文，就如何追踪这个游荡在太阳系外围的“幽灵”展开论述：在其最新的论文中，威顿主张通过激光发射一支能够达到千分之一光速的微型探测器舰队，使其覆盖那一片区域，这样就可以锁定这个“幽灵”的位置。（该论文还未经同行评审，也未在任何杂志上发表。）

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作为普林斯顿高等研究院（新泽西州）的一名理论物理学家和数学家，威顿最著名成果的是对于量子场论的数学研究，同时他也是弦理论中统一“M-理论”的鼻祖。此外，他还是首位获得数学界最具盛名的菲尔茨奖的物理学家。
他告诉《生命科学》杂志：“我提出的寻觅‘第九行星’的方法是否能够实现还未可知，即使能够实现也未必是最好的方法。 ”

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威顿的想法大量借鉴了“突破摄星”计划。 “突破摄星”计划由身价过亿的物理学家尤里.米尔纳、史蒂芬.霍金以及马克.扎克伯格共同创立，其目的是探索距地球4.37光年的半人马座阿尔法星系。 “摄星”计划将发射一枚速度可达15%或20%光速的探测器，在发射后20年或30年到达。但自2016提出以来，该工程至今没有明确的发射日期。
威顿在其4月29日发表于arXiv数据库的一篇论文中写道：“这个与‘Breakthrough Starshot’计划类似的项目将在探索‘第九行星’的过程中体现出两大优势：第一，需求的速度是可以达到的；第二，发射几百只甚至更多的探测器也是可以实现的。 ”

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一个由小型探测器组成的大型舰队
威顿的想法只需要每个用来定位失踪物体的小型探测器携带两个设备：精准的时钟和无线电发射机。
这些探测器只需要在每个时钟向地球发送一条短讯，是地端的接受者能够飞船上的时间。不过随着探测器离地球越来越远，这些短讯的传递时间将越来越长，也就会产生越来越大的延迟。将这些时钟信号与地面的原子钟同步，并追踪其延迟，就能够在任何时间精准地计算每个探测器与地球之间的距离了。

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这就给研究人员绘制探测器的飞行地图提供了可行性。在前几年，可预测性较高：我们已经非常了解太阳系内部的重力场；我们只要向上看就能看到大多数行星的位置。但是在发射十年后，探测器将越过海王星轨道，进入“第九行星”轨道区域。
威顿告诉《生命科学》杂志：“随着飞船途经‘第九行星’ ，其受到行星引力的影响将得到加速。所以，飞船将在预计时间离地球更远，即飞船传回的信号也会比预期延迟更高。 ”
通过追踪哪个探测器飞行更快、快多少，威顿预测，这支舰队将能够绘制“第九行星”的重力场并追踪它。他计算得到，为使航天器能够在千分之一光速下能够工作，这些时钟必须精准到百万分之一秒，舰队需要几百个探测器。

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他强调，搭建激光设备将十分昂贵，根据一篇“Breakthrough Starshot”的报道，该数字预计为517,000,000美元。不过一旦能够搭建起来，每一枚探测器的发射都将花费更少——电池燃料加上相对简单的探测器花费总计8000美元。
任何引力都能做到
威顿的想法在天体物理学界引起了强烈的兴奋，却也遭到了深深的怀疑。
对“第九行星”的寻觅已经持续了很久，以致于一些天文学家开始认为是其自身的某些特质使其一直难以捉摸。也许它的轮廓映衬着银河系明亮的光带。这种观点认为，该行星表面对太阳光的微弱反射被银河系明亮的光芒掩盖。又或许，它根本就不是一颗行星，而是其他特别的物体。分页标题

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【太阳系|著名的弦理论学家提出寻觅太阳系神秘“第九行星”的新方法】2019年10月，《生命科学》杂志罕见地报道了一篇又一对物理学家提出的观点：“第九行星”根本就不是行星。也许这是一个诞生于宇宙初期并且在太阳系外围终结生命的一个葡萄柚大小、与行星质量差不多的黑洞。不过就连这篇文章的作者都觉得这不太可能；尽管如此，他们还是开始寻找环绕在该黑洞外围的暗物质光环的标志：暗物质自我灭亡时产生的伽马射线。
伊利诺斯大学芝加哥分校的物理学家、同时也是那篇葡萄柚大小的黑洞论文的作者之一——詹姆斯·昂温表示：威顿观点的优势在于，如果能够起到作用，那么对于任何引力源将都能适用。即使这个物体十分诡异以至于我们无法直接观测到，一张其重力阱的地图将帮助天体物理学家弄清楚它在哪里，甚至有希望弄清楚它是什么。
詹姆斯·昂温告诉《生命科学》：“本来，威顿教授认为这个‘幽灵’是一个无法观测到的行星，或者其隐藏于某个难以观测的角落，亦或它是一个暗物质没有毁灭（暗物质毁灭将产生伽马射线）的黑洞。真的就好像撒了一张大网在那里一般。 ”
行星、黑洞甚至更离谱的理论界对象（夸克金块）都有可能。

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伟大的想法正经受考验
问题是，确实有一个好的理由去怀疑威顿博士的理论是否契合实际。
美国国家航空局艾姆斯研究中心的退休董事、突破奖基金会（‘Breakthrough Starshot’计划的发起者）主席皮特·沃顿对《生命科学》杂志说：“我们对威顿教授的提议十分感兴趣，并且正在就这一振奋人心的提议与他及更广泛的科学界和工程界进行后续合作。 ”
然而，他把“详细评论”留给了哈佛大学天体物理学家、“Breakthrough Starshot”咨询委员会主席阿维·罗布。
罗布以他时而非同寻常的想法而闻名，他告诉《生命科学》杂志威顿教授的提议遗漏了“第九行星”附近的一个关键特征。
由于威顿教授的想法中，是用高速的飞船搜寻十分微小的质量体，所以时钟的准确度显得尤为重要。当速度达到千分之一光速，即使是一秒中的一小部分也都意味着很远的距离。这就是为什么威顿教授一定要航天器上面的时钟精确到十万分之一秒。此外，罗布还表示，即使是很微弱的干扰，也会使测量精度遭到破坏。
罗布说：“‘第九行星’位于日球层顶的外围，星际物质已经证明了此处太阳风的存在。 ”
美国国家航空局于1977年发射的旅行者1号、旅行者2号是目前仅存的抵达日球层顶的飞船。他们在过去的十年间已经到达了日球层顶，但至今仍未抵达“第九行星”可能运行的轨道区域。穿过日球层顶，太阳风将不复存在。相反，你将受到宇宙射线以及游荡的带电尘埃——星际物质的冲击。

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罗布还说：“当我读到威顿教授的这篇文章，我就知道星际物质的干扰将带来远超预期的噪声。 ”
罗布告诉《生命科学》杂志：“飞船受到星际物质的牵引力将超过‘第九行星’的引力，这将带来难以预期的波动，因此带来的噪声将使传回的信号不够理想。此外，飞船从星际物质表面粒子获得的微弱电荷，将使其受到星际磁场的影响偏离预期轨道，而这个影响将大于‘第九行星’的引力影响。 ”
罗布在其2017发表在《天体物理学快报》上与人合著的一篇文章中表示，威顿教授计划中的基本原理是行得通的，但不是针对“第九行星” 。在这篇文章中，罗布提议在“Breakthrough Starshot”计划途经半人马座α星时，使用类似的方法测量系外行星的引力。
这个提议依赖于一种更为复杂、前所未有的方法来在极致的速度之下测量加速度。并且半人马座α星处于日球层中，将保护飞船不受星际物质的冲击，将使这个对于“第九行星”无法实现的想法能够成为可能。

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降低威顿教授计划中的飞船速度以提高灵敏度同样不可行。
他说：“如果速度较慢，飞船可能要一个世界才能到达‘第九行星’ 。 ”
罗布将对于威顿教授计划的批判汇总，并与今年3月发表在了arXiv（一个收集数学、物理学、天文学、生命科学论文预印本的网站）上面。
威顿教授说：“我看到那篇文章了，他提出了一系列的担忧，这可以帮助我更好地改正我的计划。 ”
尽管如此，罗布还是认为威顿教授的想法是振奋人心的。分页标题
“除了‘第九行星’ ，我们可以将这些高速探测器用于检测系内目标。 ”
罗布表示，太阳系内有很多物体是无法用装载在化学火箭上的大型探测器来探测的。星际彗星，例如“'Oumuamua ”穿过太阳系的速度太快，传统的探测器根本无法捕捉、研究其细节。此外，激光发射探测器相对低廉的花费使其可以用于研究潜在的生命环境——例如土卫二上方的羽状水。
作者: Rafi Letzter
FY: Laurels
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