[论文解读] A Ninth Planet Would Produce a Distinctly Different Distant Kuiper Belt

Samantha Lawler, Cory Shankman+4 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2016

Astro and Planetary Science被引用 6

一句话总结

本研究利用40亿年的N体模拟，检验了一颗假设的第九大行星（质量为10倍地球质量，轨道距离200 AU以上）是否会在遥远古柏带中产生独特的轨道特征。结果表明，尽管第九大行星会使轨道离散和分离的跨海王星天体的近日点和轨道倾角升高，但其产生的分布与仅由四颗巨行星形成的模型在观测上无法区分，除非广视野、深空巡天专门针对高近日点、高倾角天体进行观测。

ABSTRACT

The orbital element distribution of trans-Neptunian objects (TNOs) with large pericenters has been suggested to be influenced by the presence of an undetected, large planet at 200 or more AU from the Sun. We perform 4 Gyr N-body simulations with the currently known Solar System planetary architecture, plus a 10 Earth mass planet with similar orbital parameters to those suggested by Batygin and Brown (2016) or Trujillo and Sheppard (2014), and a hundred thousand test particles in an initial planetesimal disk. We find that including a distant superearth-mass ninth planet produces a substantially different orbital distribution for the scattering and detached TNOs, raising the pericenters and inclinations of moderate semimajor axis (50 < a < 500 AU) objects. We test whether this signature is detectable via a simulator with the observational characteristics of four precisely characterized TNO surveys. We find that the qualitatively very distinct Solar System models that include a ninth planet are essentially observationally indistinguishable from an outer Solar System produced solely by the four giant planets. We also find that the mass of the Kuiper Belt's current scattering and detached populations is required be 3-10 times larger in the presence of an additional planet. Wide-field, deep surveys targeting inclined high-pericenter objects will be required to distinguish between these different scenarios.

研究动机与目标

• 检验遥远第九大行星的存在是否会在近日点较大的跨海王星天体（TNO）轨道分布中产生可探测的特征。
• 评估当前观测巡天是否能基于TNO轨道元素，区分存在与不存在第九大行星的太阳系模型。
• 确定在存在第九大行星的情况下，轨道离散和分离的TNO群体所需的质量，相对于标准模型的大小。
• 评估利用真实巡天特征探测第九大行星动力学印记的可能性。

提出的方法

• 对包含已知四颗巨行星及一颗质量为10倍地球质量、距离200 AU以上的第九大行星的太阳系进行40亿年的N体模拟。
• 在星子盘中初始化10万个测试粒子，以模拟原始的轨道离散和分离的TNO群体。
• 比较包含与不包含第九大行星的模型中，轨道离散和分离TNO的轨道根数分布（特别是近日点和倾角）。
• 模拟四次具有精确观测特征的真实TNO巡天，以测试第九大行星动力学印记的可探测性。
• 在观测约束条件下，分析包含与不包含第九大行星的模拟外太阳系在统计上的相似性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在200 AU以上的距离引入第九大行星，是否会在遥远古柏带中产生与标准四行星模型在定性上不同的轨道分布？
• RQ2 在已知观测限制下，当前的TNO巡天能否基于TNO轨道元素区分存在与不存在第九大行星的太阳系？
• RQ3 在存在第九大行星的情况下，轨道离散和分离的TNO群体所需的质量是多少？与标准模型相比有何差异？
• RQ4 哪种观测策略——特别是专门针对高倾角、高近日点天体——最能有效探测第九大行星的动力学印记？

主要发现

• 第九大行星的引入显著提高了中等半长轴TNO（50 < a < 500 AU）的近日点和轨道倾角，从而改变了其轨道分布。
• 尽管存在这些变化，但在当前巡天特性下，第九大行星模型中模拟的TNO轨道分布与仅由四颗巨行星形成的模型在观测上无法区分。
• 为匹配观测到的TNO群体，第九大行星存在时，轨道离散和分离TNO群体的质量必须是标准模型的3至10倍。
• 必须开展广视野、深空巡天，专门针对高倾角、高近日点TNO，才能区分第九大行星与标准太阳系模型。
• 尽管第九大行星的动力学印记在模拟中真实存在，但由于观测灵敏度和选择效应的影响，现有观测数据无法探测到该印记。