第九行星

最初假设第九行星以椭圆轨道绕太阳运行，偏心率为6999200000000000000♠0.2 to 0.5，其半长轴估计为7013598391482800000♠400 to 800 AU[upper-alpha 2]，大约是海王星到太阳距离的13到26倍。这颗行星需要10,000到20,000年的时间才能绕太阳运行一个完整的轨道，并且它与地球轨道平面黄道的倾角预计为6999261799387799150♠15° to 25°[2][31][upper-alpha 3]。远日点，即或离太阳最远的点，将位于金牛座[32]，而近日点是离太阳最近的点，将位于巨蛇座（头）、蛇夫座或天秤座[33][34]。布朗认为，如果第九行星存在，那么使用动力弹弓轨迹可以在短短20年内到达它[35]。

据估计，这颗行星的质量是地球的5到10倍，半径是地球的2到4倍[2]。布朗认为，如果第九行星存在，它的质量足以在45亿年（太阳系的年龄）里清除其轨道，以它的引力支配着太阳系的外缘，这足以使它符合成为行星的当前定义 [36]。天文学家让-吕克·玛戈特（Jean-Luc Margot）也表示，第九行星符合它的标准，如果它被探测到，将有资格成为一颗行星[37][38]。

已经研究了第九行星的几种可能起源，包括它从已知巨行星附近抛射，从另一颗恒星捕获，以及「原位形成」。在他们最初的文章中，巴蒂金和布朗提出，第九行星在离太阳更近的地方形成，并在星云时代与木星或土星近距离接触后，被抛射到遥远的偏心轨道[4]。然后，要么是附近恒星的引力，要么是来自太阳星云的气态残余物的拖曳[39]降低了其轨道的偏心率。这个过程提高了它的近日点，使它不受其他行星的影响，处于一个非常宽阔但稳定的轨道上[40][41]。

据估计，这种情况发生的几率仅为百分之几[42]。如果它没有被扔进太阳系最远的地方，第九行星可能会从原行星盘中吸积更多的质量，并发展成气态巨行星或冰巨行星的内核[36][43]。相对的，它的增长很早就停止了，使它的质量低于天王星或海王星[44]。

来自巨大的小行星带的动态摩擦也可能使第九行星被捕获到一个稳定的轨道上。最近的模型表明，60–130M_🜨的小行星盘可能是在气体从原行星盘的外部清除时形成的[45]。当第九行星穿过这个圆盘时，它的引力会改变单个物体的路径，从而降低第九行星相对于它的速度。这将降低第九行星的离心率并稳定其轨道。如果这个圆盘有一个遥远的内边缘，即100–200{{{2}}}，一颗遇到海王星的行星将有20%的几率在与第九行星相似的轨道上被捕获，如果内缘在200{{{2}}}，更有可能观测到轨道的群集。与气态星云不同，小行星盘可能已经存在很长时间，因此可能允许后来的捕获[46]。

与另一颗恒星的相遇也可能改变遥远行星的轨道，将其从圆形轨道转变为偏心轨道。在这个距离上「原位」形成一颗行星需要一个非常巨大和广泛的圆盘[4]，或者固体在消散的盘中向外漂移，形成一个狭窄的环，行星从这个环中吸积了十亿年[47]。如果一颗行星在太阳处于其原始星团中时，在如此远的距离上形成，那么它在高度偏心的轨道上与太阳保持束缚的概率约为10%[48]。然而，当太阳仍然在它形成的疏散星团中时，任何延伸的圆盘都会受到经过的恒星引力破坏和光蒸发造成质量的损失[2]。

第九行星可能是在太阳和另一颗恒星近距离接触中，从太阳系外捕获的。如果一颗行星在围绕这颗恒星的遥远轨道上，三体在相遇期间的相互作用可能会改变行星的路径，使其处于围绕太阳的稳定轨道上。一颗起源于没有木星质量行星系统中的行星，可能会在遥远的偏心轨道上停留更长的时间，从而增加其被捕获的机会[8]。更广泛的可能轨道范围将使它在相对低倾角轨道上被捕获的几率降低到1-2%[48]。Amir Siraj和Avi Loeb发现，如果太阳曾经有一个遥远的、质量相等的联星伴星，那么太阳夺取第九行星的几率就会增加20倍[49][50]。这个过程也可能发生在星际行星上，但它们被捕获的可能性要小得多，只有0.05-0.10%被捕获在类似于第九行星的轨道上[51]。

第九行星的引力影响可以解释太阳系的四个特点[52]：

• ETNO轨道的群集；
• 像塞德娜这样的天体的高近日点，它们是独立，不受海王星的影响；
• ETNO的高倾角，其轨道大致垂直于八颗已知行星的轨道；
• 半长轴小于100 AU的高倾角海王星外天体（TNO）。

第九行星最初被提出来解释轨道的群集，通过一种机制来解释像塞德娜这样的天体的高近日点。其中一些天体演变成垂直轨道是出乎意料的，但发现与先前观察到的天体相匹配。后来发现，当其它行星被纳入仿真时，一些具有垂直轨道的物体的轨道会向较小的半长轴方向演化。尽管已经为这些特性提供了许多其它机制，但第九行星的引力影响是唯一可以解释所有四种现象的机制。然而，第九行星的引力也会增加穿过其轨道的其它物体的倾角，这可能会留下离散盘的物体[53]，即在海王星之外轨道运行，半长轴大于50天文单位的天体，以及倾角分布比观测到的更宽的短周期彗星[54]。在此之前，第九行星被假设为太阳自转轴相对于行星轨道倾斜 6 度的原因[55]，但最近对其预测轨道和质量的更新将这种偏移限制在〜1度[2]。

该图说明了天体的真实异常、近心点的论点、升交点的经度和倾角。

特鲁希略和谢泼德最早描述了具有大半长轴的海王星外天体轨道的群集，他们注意到塞德娜和类塞德娜的2012 VP₁₁₃轨道之间的相似性。如果没有第九行星的存在，这些轨道应该是随机分布的，没有偏好任何方向。经过进一步分析，特鲁希略和谢泼德观察到，近日点大于7012448793612100000♠30 AU且半长轴大于7013224396806050000♠150 AU的12个海王星外天体的近日点参数聚集在零度附近，这意味着当它们最接近太阳时，它们会升至黄道上方。特鲁希略和谢泼德提出，这种排列是由海王星以外的一颗巨大的未知行星通过古在机制引起的[5]。对于具有相似半长轴的物体，古在机制会将其近日点的论点限制在接近0度或180度。这种限制允许具有偏心和倾斜轨道的物体避免靠近行星，因为它们会在距离太阳最近和最远的点之间穿过行星轨道的平面，并在它们远高于或低于其轨道时穿过行星的轨道[26][56]。特鲁希略和谢泼德关于这些物体如何通过古在机制对齐的假设，已被进一步的分析和证据所取代[4]。

巴蒂金和布朗试图反驳特鲁希略和谢泼德提出的机制，还检查了具有大半长轴的海王星外天体的轨道[4]。在排除了特鲁希略和谢泼德的原始分析中由于接近海王星而不稳定，或受到海王星平均运动共振影响的物体后，巴蒂金和布朗确定其余六个物体的近日点论点（塞德娜、2012 VP₁₁₃、小行星474640、2010 GB₁₇₄、2000 CR₁₀₅、和2010 VZ₉₈）被群集在一起，大约在7000555014702134197♠318°±8°。这一发现与古在机制如何倾向于将轨道与近日点在0°或180°的论点对齐不一致[4][upper-alpha 4]。

六个遥远的海王星外天体之间的轨道相关性导致了这一假设。（参见：最终帧轨道。）

巴蒂金和布朗还发现，半长轴大于250 AU和近日点超过30 AU的六个ETNO的轨道（塞德娜、2012 VP₁₁₃、Alicanto、2010 GB₁₇₄、2007 TG₄₂₂、和2013 RF₉₈），它们在空间上与它们的近日点方向大致相同，导致它们的近日点黄经的群集，这是它们最接近太阳的位置。这六个天体的轨道也相对于黄道的轨道倾斜，并且大约共面，产生了它们的升交点黄经的群集，即它们各自通过黄道上升的方向。他们确定这种对齐组合是偶然的只有0.007%的可能性[4][57][58]。 这六个天体是通过六架望远镜的六次不同调查发现的。这使得群集不太可能是由于观察偏差造成的，例如将望远镜指向天空的特定部分。观测到的群集应该在几亿年后被抹去，因为近日点和升交点的位置发生了变化，或者恒星进动，由于它们的半长轴和偏心率不同，它们以不同的速率变化[upper-alpha 5]。这表明群集不可能是由于遥远的过去的事件造成的[4]， 例如，一颗路过的恒星[59]，并且很可能由绕太阳运行物体的引力场维持[4]。

六颗天体中的两颗（2013 RF₉₈和Alicanto）也具有非常相似的轨道和光谱[60][61]。这导致了一种建议，即它们是在与遥远物体相遇时在远日点附近被破坏的联星天体。 联星的破坏需要相对近距离的相遇，但这在离太阳很远的地方变得不太可能[62]。

在后来的一篇文章中，特鲁希略和谢泼德指出了近日点的经度与半长轴大于150天文单位的海王星外天体的近日点幅角之间的相关性。近日点经度为 0–120° 的近日点参数在280° 到360° 之间，近日点经度在180° 和 340° 之间的参数在0° 和40° 之间。该相关性的统计学意义为99.99%。他们认为，这种相关性是由于这些物体的轨道通过其轨道上方或下方来避免接近大质量行星[63]。

卡洛斯和劳尔·德拉富恩特·马科斯在2017年的一篇文章中指出，到ETNO升交点的距离分布，以及半人马小行星和具有大半长轴的彗星的距离分布可能是双峰。他们认为这是由于ETNO避免接近半长轴为300-400天文单位的行星[64][65]。随着数据的增加（40个对象），ETNO的相互节点距离分布显示出最短的相互升交点和降交点距离之间存在统计学上的显著不对称性，这可能不是由于观测偏差，而可能是外部扰动的结果[66][67]。

超海王星外天体绕轨道运行

六个原始轨道和八颗额外的超海王星外天体，其近日点附近的当前位置为紫色，假设的第九行星轨道为绿色

13颗超海王星外天体当前位置的特写视图

超海王星外天体轨道的群集和近日点的升高在包括第九行星在内的仿真中再现。在巴蒂金和布朗进行的仿真中，以随机方向开始的半长轴高达550 AU的离散盘天体群被雕刻成空间受限轨道的近似共线和共面群的高度偏心轨道上。 这使得大多数天体的近日点指向相似的方向，并且天体的轨道具有相似的倾斜度。这些天体中有许多进入了像塞德娜这样的高近日点轨道，出乎意料的是，有些进入了垂直轨道。巴蒂金和布朗后来注意到这些轨道以前被观测到过[4]。

在他们最初的分析中，巴蒂金和布朗发现，在使用10个地球质量的仿真中，最好的再现前六个超海王星外天体的轨道分布{{efn-ua|巴蒂金和布朗提供了质量的一个数量级估计。

• 如果「M」等于0.1地球质量，那么动力学演化将以异常缓慢的速度进行，太阳系的寿命可能不足以进行所需的轨道雕刻。
• 如果「M」等于1地球质量，那么长寿命拱点的反对齐轨道确实会发生，但不稳定轨道的移除将发生在比太阳系当前演化更长的时间尺度上。因此，即使它们会表现出对特定拱点方向的偏好，它们也不会像数据那样表现出真正的局限性。
• 他们还指出，「M」大于10地球质量意味着半长轴更长。因此，他们估计该天体的质量可能在5到15M_🜨。位于以下轨道的行星：[upper-alpha 6]
• 半长轴「a」 ≈ 7014104718509490000♠700 AU（轨道周期 700^1.5=18,520 年）
• 离心率 「e」 ≈ 0.6，（近日点 ≈ 7013418874037960000♠280 AU， 远日点 ≈ 7014167549615184000♠1,120 AU）
• 倾角「i」 ≈ 对黄道倾角30°
• 升交点黄经「Ω」 ≈ 7000174532925199433♠100°.[upper-alpha 7]
• 近心点幅角「ω」 ≈ 140° 和近心点经度「ω」= 7000418879020478640♠240°[68]。

第九行星的这些参数对海王星外天体产生了不同的仿真效果。半长轴大于250天文单位的天体与第九行星强烈反对齐，近日点与第九行星的近日点相对。半长轴在150 AU到250 天文单位之间的天体与第九行星弱对齐，近日点与第九行星的近日点方向相同。半长轴小于150天文单位的天体几乎没有受到影响[9]。仿真还显示，半长轴大于7013373994676750000♠250 AU，如果它们的偏心度较低，就可以有稳定、对齐的轨道。这些天体尚待观察[4]。

还研究了第九行星的其它可能轨道，其半长轴在7013598391482800000♠400 AU和7014224396806050000♠1500 AU之间，离心率高达0.8，轨道倾角范围很广。这些轨道产生了不同的结果。巴蒂金和布朗发现，如果第九行星有更高的倾角，超海王星外天体的轨道更有可能有类似的倾角，但反对齐也会减少[9]。Becker等人的仿真表明，如果第九行星的离心率较小，它们的轨道会更稳定，但在离心率较高的情况下，反对齐的可能性更大[69]。劳勒等人发现，如果第九行星的轨道是圆形的，那么与第九行星发生轨道共振时捕获的天体会更小，到达高倾角轨道的天体也会更少[70]。Cáceres等人的研究表明，如果第九行星的近日点轨道较低，超海王星外天体的轨道会更好地对齐，但其近日点需要高于90 AU[71]。巴蒂金等人后来的研究发现，更高的离心率轨道降低了超海王星外天体轨道的平均倾斜[2]。 虽然第九行星的轨道参数和质量有很多可能的组合，但没有一种替代仿真能更好地预测观测到的原始超海王星外天体的排列。更多遥远太阳系天体的发现将使天文学家能够对这颗假设行星的轨道做出更准确的预测。这些也可能为第九行星假说提供进一步的支持或反驳[72][73]。

包括巨行星迁移在内的仿真导致超海王星外天体轨道的排列较弱[54]。对齐的方向也发生了变化，随着半长轴的增加，从更对齐变为反对齐，随着近日点距离的增加，也从反对齐变为对齐。后者将导致螺线管的轨道与大多数其它超海王星外天体相反[53]。

第九行星对半长轴为250天文单位的超海王星外天体诱导的长期演化[74][75]。蓝色：反对齐排列，红色：对齐排列，绿色：亚稳的，橙色：循环的。黑在线方的是交叉轨道[upper-alpha 8]

第九行星通过一系列效应改变了超海王星外天体的轨道。在很长的时间尺度上，第九行星对超海王星外天体的轨道施加力矩，该力矩随其轨道与第九行星的对齐而变化。由此产生的角动量交换导致近日点上升，将它们置于类似塞德纳的轨道上，然后下降，在数亿年后使它们回到原来的轨道。当它们的离心率很小时，它们的近日点方向的运动也会反转，使物体保持反对齐，见图上的蓝色曲线，或对齐的红色曲线。在较短的时间尺度上，与第九行星的运动共振提供了相位保护，通过略微改变天体的半长轴来稳定它们的轨道，使它们的轨道与第九行星同步，并防止近距离接近。海王星和其他巨行星的引力，以及第九行星轨道的倾斜，减弱了这种保护。这导致了天体在共振之间跳跃时，半长轴的混沌变化，包括百万年时间尺度上的高端共振，如27:17[75]。如果超海王星外天体和第九行星都在倾斜轨道上，那么平均运动共振对于它们的生存可能不是必要的[76]。天体的轨道极点围绕太阳系拉普拉斯平面的极点进动。在大的半长轴上，拉普拉斯平面向第九行星轨道的平面弯曲。这导致超海王星外天体的轨道极点平均向一侧倾斜，并且使其升交点的经度群集[75]。

其中五颗轨道高度倾斜（几乎垂直于黄道）天体的轨道在这里显示为青色椭圆，假设的第九行星为橙色。

第九行星可以将超海王星外天体送入大致垂直于黄道的轨道[77][78]。已经观测到几个倾角大于50°、半长轴大于250 AU的天体[79]。当一些低倾角的超海王星外天体在到达低离心率轨道时与第九行星形成长期共振时，就会产生这些轨道。共振导致它们的离心率和倾角增加，将超海王星外天体输送到具有低近日点的垂直轨道上，在那里它们更容易被观测到。然后，超海王星外天体演变成具有较低离心率的逆行轨道，之后它们经过第二阶段的高离心率垂直轨道，然后返回低离心率和倾斜轨道。与第九行星的长期共振涉及轨道参数和近日点经度的线性组合：Δϖ – 2ω。与谷在机制不同，这种共振导致物体在几乎垂直的轨道上达到最大离心率。在巴蒂金和莫比德利进行的仿真中，这种进化相对常见，38%的稳定物体至少经历过一次[75]。当它们到达低近日点时，这些天体的近日点论点群集在第九行星的附近或对面，它们的升交点经度群集在距离第九行星任一方向90°左右[4][76]。这与观测结果大致一致，这些观测结果的差异归因于与已知巨行星的遥远相遇[4]。

半长轴小于100天文单位的高倾角超海王星外天体族群可能是由第九行星和其它巨行星的共同作用产生的。进入垂直轨道的超海王星外天体的近日点足够小，其轨道可以与海王星或其他巨行星的轨道相交。与其中一颗行星的相遇可以将超海王星外天体的半长轴降低到100 AU以下，在那里，物体的轨道不再由第九行星控制，使其轨道类似2008 KV₄₂。预测这些天体中寿命最长的天体轨道分布是不均匀的。大多数轨道的近日点在5 AU到35 AU之间，倾角在110°以下；在一个几乎没有天体的间隙之外，将是其它倾斜度接近150°和近10 AU的物体[29]。以前有人提出这些物体起源于欧特云[80]。欧特云是理论上在2,000到200,000天文单位的距离上围绕太阳的冰星子[81]。然而，在没有第九行星的仿真中，欧特云产生的数量与观测结果相比不足[53]。一些高倾角的海王星外天体可能会变成逆行的木星特洛伊 [82]。