1930 年，天文学家克莱德·汤博在亚利桑那州弗拉格斯塔夫的洛厄尔天文台工作时发现了传说中的“第九行星”（或“X 行星”）。先前根据轨道的扰动预测了该天体的存在和海王星。
在收到来自世界各地的 1000 多条建议以及天文台工作人员的辩论后，这个新发现的天体被命名为冥王星——这是由一位来自牛津的年轻女学生提出的（维尼西娅·伯尼）。
从那时起，冥王星就成为大量研究的对象，引起了命名争议，并于 2015 年 7 月 14 日首次访问了冥王星。新视野使命。
从一开始就很清楚的一件事是冥王星轨道的性质，它是高度偏心率和倾斜的。根据新研究，冥王星的轨道在较长的时间尺度内相对稳定，但在较短的时间尺度内会受到混沌扰动和变化。
该研究由雷努·马尔霍特拉，亚利桑那大学路易斯·福卡尔·马歇尔科学研究教授月球与行星实验室（LPL），以及伊藤隆千叶工业大学副教授行星探索研究中心(PERC) 和日本国家天文台 (NAOJ)计算天体物理中心。
描述他们的发现的论文最近发表在美国国家科学院院刊。
详细来说，冥王星的轨道与行星的轨道完全不同，行星的轨道接近太阳赤道附近的圆形轨道，向外投射（又称黄道）。
相比之下，冥王星需要 248 年才能完成绕太阳运行的单一轨道，并遵循与太阳系黄道面倾斜 17° 的高椭圆轨道。
其轨道的偏心性质也意味着冥王星在每个周期中有 20 年的时间比海王星更靠近太阳。
冥王星轨道的性质是一个持久的谜团，天文学家在它被发现后不久就意识到了这一点。从那时起，人们做出了多项努力来模拟其轨道的过去和未来，这揭示了保护冥王星免于与海王星相撞的令人惊讶的特性。
正如马尔霍特拉通过电子邮件告诉《今日宇宙》，这是被称为“平均运动共振”的轨道共振条件：
“这个条件确保了当冥王星与海王星处于相同的日心距离时，它的经度与海王星的经度相差近90度。后来发现了冥王星轨道的另一个奇特特性：冥王星在远高于海王星轨道平面的位置到达近日点；这是一种不同类型的轨道共振，称为‘vZLK振荡’。”
这个缩写指的是 von Zeipel、Lidov 和 Kozai，他们将这种现象作为“三体问题”的一部分进行了研究。
该问题包括获取三个大质量物体（后来扩展到包括粒子）的初始位置和速度，并根据以下公式求解它们的后续运动牛顿运动三定律和他的万有引力理论– 没有通用的解决方案。
Malhotra 补充道：“20 世纪 80 年代末，随着更强大的计算机的出现，数值模拟揭示了第三个奇特的特性，即冥王星的轨道在技术上是混乱的，也就是说，初始条件的微小偏差会导致轨道解在数千万年中呈指数发散。
“然而，这种混沌是有限的。数值模拟发现，上述冥王星轨道的两个特殊性质在千兆年的时间尺度上持续存在，使其轨道非常稳定，尽管有混沌指标。”
在他们的研究中，马尔霍特拉和伊藤对太阳系未来长达 50 亿年的冥王星轨道进行了数值模拟。
特别是，他们希望解决有关冥王星和其他冥王星大小的物体（又名冥王星）的特殊轨道的未解决问题。这些问题已经通过过去几十年进行的研究得到了解决，例如“行星迁移理论”，但只达到了一定程度。
在这个假设中，冥王星被海王星拉入当前的平均运动共振，海王星在太阳系的早期历史中发生了迁移。
该理论的一个主要预测是其他海王星天体（TNO）将具有相同的共振条件，这一点已随着大量冥王星的发现而得到证实。
这一发现也使得行星迁移理论得到了更广泛的接受。
但正如马尔霍特拉解释的那样：“冥王星的轨道倾角与其 vZLK 振荡密切相关。因此我们推断，如果我们能够更好地了解冥王星 vZLK 振荡的条件，也许我们可以解开其倾角之谜。我们首先研究其他巨行星的个体作用（,，和天王星）在冥王星的轨道上。”
为此，马尔霍特拉和伊藤进行了计算机模拟，模拟了冥王星长达 50 亿年的轨道演化，其中包括八种不同的巨行星扰动组合。这些 N 体模拟包括与以下各项的交互：
- 海王星 (—NP)
- 天王星和海王星 (–UNP)
- 土星和海王星 (-S-NP)
- 木星和海王星 (J–NP)
- 土星、天王星和海王星 (-SUNP)
- 木星、天王星和海王星 (J-UNP)
- 木星、土星和海王星 (JS-NP)
- 木星、土星、天王星和海王星 (JSUNP)
“我们发现内部三颗巨行星的子集无法恢复冥王星的 vZLK 振荡；所有三颗行星——木星、土星和天王星——都是必要的，”马尔霍特拉说。 “但是这些行星对冥王星 vZLK 振荡至关重要的是什么？”
马尔霍特拉补充道。 “需要 21 个参数来表示木星、土星和天王星对冥王星的引力。这是一个非常大的参数空间，需要探索。”
为了简化这些计算，马尔霍特拉和伊藤通过引入一些简化将这些计算压缩为单个参数。这包括用一个密度均匀的圆环来表示每个行星，圆环的总质量等于行星的质量，圆环半径等于行星与太阳的平均距离（也称为半长轴）。
正如 Malhotra 指出的，这产生了代表木星、土星和天王星 (J2) 影响的单个参数，相当于“扁太阳”的影响。
“我们发现了巨行星质量和轨道的一种偶然排列，它在 J2 参数中描绘了一个狭窄的范围，在这个范围内冥王星的 vZLK 振荡是可能的，这是一种‘金发姑娘区’，”她说。
“这一结果表明，在太阳系历史上的行星迁移时代，海王星外天体的条件发生了变化，促使许多天体（包括冥王星）进入 vZLK 振荡状态。冥王星的倾斜很可能起源于这种动态演化。”
这些结果可能会对未来太阳系外层及其轨道动力学的研究产生重大影响。
马尔霍特拉相信，通过进一步的研究，天文学家将更多地了解巨行星的迁移历史以及它们最终如何定居在当前的轨道上。它还可能导致发现一种新的动力学机制，该机制将解释冥王星轨道和其他具有高轨道倾角的天体的起源。
这对于致力于研究太阳系动力学的天文学家来说特别有用。正如马尔霍塔指出的那样，该领域的研究人员开始怀疑，可能揭示冥王星轨道演化的证据可能已被这些相同轨道力学的不稳定性和混乱性质所抹去。
正如马尔霍特拉总结的那样：“我认为我们的工作为在当今太阳系动力学和历史太阳系动力学之间建立联系带来了新的希望。整个太阳系小行星（包括海王星天体）的轨道倾角的起源是一个尚未解决的重大问题；也许我们的工作会激发更多的关注。
“我们的研究强调的另一点是简单（r）近似对于复杂问题的价值：即将 21 个参数压缩为单个参数打开了了解影响冥王星和冥王星非常有趣但难以理解的轨道动力学的基本动力学机制的大门。”
