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柯伊伯带

柯伊伯带是太阳系在海王星轨道(距离太阳约30天文单位)之外黄道面附近、天体密集的中空圆盘状区域。柯伊伯带的假说最初是由爱尔兰裔天文学家艾吉沃斯提出,杰拉德·柯伊伯(GPK)完善了该观点。

柯伊伯带被认为包含许多微星,它们是来自环绕着太阳的原行星盘碎片,它们因为未能成功地结合成行星,因而形成较小的天体,最大的直径都小于3000公里。

近代的计算机模拟显示柯伊伯带受到木星和海王星极大的影响,同时也认为即使是天王星或海王星都不是在土星之外的原处形成的,因为只有少许的物质存在于这些地区,因此如此大的天体不太可能在该处形成。换言之,这些行星应该是在离木星较近的地区形成的,但在太阳系早期演化的期间被抛到了外面。1984年,费南德兹和艾皮的研究认为与被抛射天体的角动量交换可以造成行星的迁徙。终于,轨道的迁徙到达木星和土星形成2:1共振的确切位置:当木星绕太阳运转两圈,土星正好绕太阳一圈。引力如此的共振所产生的拉力,最终还是打乱了天王星和海王星的轨道,造成它们的位置交换而使海王星向外移动到原始的柯伊伯带,造成了暂时性的混乱。当海王星向外迁徙时,它激发和散射了许多外海王星天体进入更高倾角和更大偏心率的轨道。

然而,模型仍然不能说明许多分布上的特征,引述其中一篇科学论文的叙述:这问题继续挑战分析技术和最快速的数值分析软件和硬件。

全称为艾吉沃斯-柯伊伯带(英语:Edgeworth-Kuiper belt;EKB,一般简称作柯伊伯带,或译作古柏带、库柏带、库珀带等)。

柯伊伯带有时被误认为是太阳系的边界,但太阳系还包括向外延伸两光年之远的奥尔特星云。早在20世纪50年代,柯伊伯和埃吉沃斯(Edgeworth)就预言:在海王星轨道以外的太阳系边缘地带,充满了微小冰封的物体,它们是原始太阳星云的残留物,也是短周期彗星的来源地。

1992年,人们找到了第一个柯伊伯带天体(KBO);如今已有约1000个柯伊伯带天体被发现,直径从数千米到上千公里不等。许多天文学家认为:由于冥王星的个头和柯伊伯带中的小行星大小相当,所以冥王星应该被排除在太阳系行星之外,而归入柯伊伯带小行星的行列当中;而冥王星的卫星则应被视作其伴星。不过,因冥王星是在柯伊伯带理论出现之前被发现的,所以传统上仍被认为是行星。2006年,在布拉格召开的第26届国际天文学联合会(IAU)会议上以表决的方式通过决议,剥夺了冥王星作为太阳系大行星的地位,将其降为矮行星。无论如何,柯伊伯带的存在现已是公认的事实,但柯伊伯带为什么会存在着种种疑问成为太阳系形成理论的许多未解谜团的一部分。

在距离太阳40~50个天文单位的位置,低倾角的轨道上,过去一直被认为是一片空虚,太阳系的尽头所在。但事实上这里满布着大大小小的冰封物体,热闹无比,就是柯伊伯带。柯伊伯带上的这些物体是怎么成形的呢?如果按照行星形成的吸积理论来解释,那就是他们在绕日运动的过程中发生碰撞,互相吸引,最后粘附成一个个大小不一的天体,形成的样子。

为解开这个谜团,陆续有几个理论出现,可惜它们都有些明显限制。如今,美国西南研究院(SwRI,Southwest Research Institute)的Harold Levison教授以及法国de la Cote d'Azur天文台的Alessandro Morbidelli教授共同提出了一个理论,认为柯伊伯带天体是在距离太阳更近位置成形后,又被海王星一个个甩出去的,所以躲开了柯伊伯带总质量不足的问题。

杰拉德·柯伊伯(1

以半长轴为准的轨道分类。由于存在着轨道共振,海王星对柯伊伯带的结构产生了重大的作用。在与太阳系年龄比较的时标上,海王星的引力使在某些轨道上的天体不稳定,不是将她们送入内太阳系内,就是逐入离散盘或星际空间内。这在柯伊伯带内制造出一些与小行星带内的柯克伍德空隙相似的空白区域。例如,在40至42天文单位的距离上,没有天体能稳定的存在于这个区间内。无论何间,在这个区间内被观测到的天体才进入并且会被移出到其他的空间。

传统的柯伊伯带

主条目:传统柯伊伯带天体

大约在~42至~48天文单位,虽然海王星的引力影响已经是微不足道的,而且天体可以几乎不受影响的存在着,这个区域就是所谓的传统柯伊伯带,并且观测到的柯伊伯带天体有三分之二在这儿。因为近代第一个被发现的柯伊伯带天体是1992 QB1,因此它被当成这类天体的原型,在柯伊伯带天体的分类上称为类QB1天体。

传统的柯伊伯带忾来是两种不同族群的综合体,第一类是“dynamically cold”的族群,比较像行星:轨道接近圆形,轨道离心率小于0.1,相对于黄道的倾角低于10度(它们的轨道平面贴近黄道面,没有太大的倾斜)。第二类是“dynamically”的族群,轨道有较大的倾斜(可以达到30度)。这两类会有这样的名称主要并不是因为温度上的差异,而是以微小的气体做比喻,当它们变热时,会增加它们的相对速度。这两种族群不仅是轨道不同,组成也不同,冷的族群在颜色比热的红,暗示它们在不同的环境形成。热的族群相信是在靠近木星的地区形成,然后被气体巨星抛出。而另一方面,冷的族群虽然也可能是海王星在向外迁徙时清扫出来的,但无论是较近或较远,相信是在比较靠近所在的位置形成的。

共振

主条目:共振外海王星天体

类QB1天体、冥族小天体和邻近散射天体的分布。当一个天体的轨道周期与海王星有明确的比率时(这种情况称为平均运动共振),如他它们的相对基线是适当的,它们可能被锁定在与海王星同步的运动,以避免受到摄动而使轨道变得不稳定。如果天体在这种正确的轨道上,在实例上,如海王星每绕太阳三周它便会绕行二周,则每当它回到原来的位置时,海王星总比它多运行了半条轨道的距离,因为这时海王星在轨道上绕行了1.5圈。这就是所谓的2:3(3:2)的轨道共振,这种轨道特征的半长轴大约是39.4天文单位,而已知的2:3共振天体,包括冥王星和他的卫星在内,已经超过200个,而这个家族的成员统统归类为冥族小天体。许多冥族小天体,包括冥王星,都会穿越过海王星的轨道,但因为共振的缘故,永远不会与海王星碰撞。其有一些,像是欧侉尔和伊克西翁的大小,都已经大到可以列入类冥矮行星的等级。冥族小天体有高的轨道离心率,因此它们当初原本应该不是在现的位置上,而是因为海王星的轨道迁徙被转换到这儿的。1:2共振(每当海王星转一圈,它才完成半圈)的轨道半长轴相当于47.7天文单位,但数量稀稀落落的,这个族群有时会被称为twotino。较小的共振族

另外,还没有明确的理由可以解释在半长轴小于39天文单位的距离内缺乏共振的天体。当前被接受的假说是在海王星迁徙时被驱离了,因为这个区域在迁移中是轨道不稳定的地区,因此在这儿的任何天体不是被扫清,就是被重力抛出去。

柯伊伯断崖

图示为柯伊伯带天体与太阳距离的数量关系。1:2共振之外已知的数量非常少,看起来是个边界,但还不能确定这是传统柯伊伯带外侧的边界,还是只是一个宽阔的空隙。观测到2:5共振的距离大约在55天文单位,被认为在传统柯伊伯带之外;然而,预测上在传统柯伊伯带与共振带之间的大量天体尚未被观测到。

早期的柯伊伯带模型认为在50天文单位之外的大天体数量应该增加二个数量级,因此,这突然的数目下降,被称为“柯伊伯断崖”,是完全未被预料到的,并且它的原因至今仍不清楚。伯恩斯坦和屈林(Trilling)等人发现直径在100公里或更大的天体在50天文单位的距离上确实突然减少的证据,并不是观测上造成的偏差。可能的解释是在那个距离上的物质太缺乏或太分散,因此不能成长为较大的天体;或者是后续的过程摧毁了已经形成的天体。日本神户大学的向井正和Patryk Lykawka则主张一个大小有如地球,尚未曾被看见的行星,或许应该对这件事负责,并且可能在未来的10年内发现这个天体。

1950年,荷兰天文学家奥尔特(J.H.Oort)作了彗星轨道的统计研究,发现轨道半径为3万至10万天文单位的彗星数目很多,他推算那里有个大致球层状的彗星储库,有上千亿颗彗星。早在1932年欧匹克(E.Opiek)也曾提出过类似看法,因而这个彗星储库称为“奥尔特云”或“奥尔特一欧匹克云”,那里的彗星绕太阳公转的周期长达几百万年。更仔细研究,奥尔特云中有上万亿至十万亿颗彗星。当然,这些遥远的彗星绝大多数尚不能直接观测到,只有在恒星的引力摄动下或彗星相互碰撞时,有的彗星发生很大的轨道变化,当它沿扁长轨道进入内太阳系时,才成为“新”

1951年,美国天文学家柯伊伯(G.Kuiper)研究彗星性质与彗星形成,认为在太阳系原始星云很冷的外部区里的挥发物凝聚为冰体一彗星,当外行星在冰体群中长大时,外行星的引力弥散作用使一些彗星驱入奥尔特云,但是冥王星之外没有行星形成,他提出冥王星之外有个彗星带一即柯伊伯带,那里有很多彗星,它们的轨道近于圆形,轨道面对黄道面倾角不大。1964年,惠普尔(F.Whipple)等提出,冥外彗星带会引起外行星及彗星引力摄动,若此带在40天文单位处,则彗星总质量约为地球质量的80%;若在50天文单位处,则总质量为地球的1.3倍。1988年邓肯(M.Duncan)证明,柯伊伯带是短周期彗星的主要源,而奥尔特云不是它们的源区。

2014年8月1日天文学家宣称在太阳系边缘的柯伊伯带发现了两个新的冰冻天体。据悉,这是他们在利用哈勃太空望远镜进行观测仅两周后就取得的发现。柯伊伯带被认为是太阳系的尽头所在,遍布着直径从几公里到上千公里不等的冰封微行星。发现的两个天体距离地球约64亿公里,名称是1110113Y和0720090F。 

正如前面所述的,新发现的冥外天体1992QB1(Smiley)和1993FW应是柯伊伯带内边界区的彗星(尽管以小行星方式命名),而离太阳32至35天文单位的1993RO、1993RP、1993SB、1993SC可能是从柯伊伯带摄动出来、处在向短周期演变的天体。柯伊伯带从离太阳40天文单位外延到几百天文单位(其外界尚不知道),估计此带中的彗星有上万颗,它们是太阳系形成时期的原始冰体残留下来的,这些彗星保存着太阳系原始物质的信息。欧洲空间局将在2003年发射罗赛达(Rosetta)飞船会合由柯伊伯带来的短周期彗星,揭示彗星性质及太阳系形成的奥秘。

在内太阳系有四颗所谓的类地行星,火星处于最外层。再往外是由气体和冰构成的超大行星。再往外,才是埋没在大群小行星和彗星之中的由冰和岩石构成的冥王星。

50年前,一位名叫吉纳德·柯伊伯的科学家首先提出在海王星轨道外存在一个小行星带,其中的星体被称为KBO(Kuiper Belt Objects)。1992年,人类发现了第一个KBO;今天,我们知道KBO地带有大约10万颗直径超过100公里的星体。以后,天文学界就以纳德·柯伊伯名字命名此小行星带。

柯伊伯带天体,是太阳系形成时遗留下来的一些团块。在45亿年前,有许多这样的团块在更接近太阳的地方绕着太阳转动,它们互相碰撞,有的就结合在一起,形成地球和其他类地行星,以及气体巨行星的固体核。在远离太阳的地方,那里的团块处在深度的冰冻之中,就一直原样保存了下来。柯伊伯带天体也许就是这样的一些遗留物,它们在太阳系刚开始形成的时候就已经在那里了。

柯伊伯带是所知的太阳系的边界,是太阳系大多数彗星来源地。有天文学家认为,由于冥王星的大小和柯伊伯带的小行星的大小相约,所以冥王星应该排除在九大行星之列,而归入柯伊伯带小行星的行列当中;而冥王星的卫星则应被当作是冥王星的伴星。

在距离太阳40~50个天文单位的位置,低倾角的轨道上,过去一直被认为是一片空虚,太阳系的尽头所在。但事实上这里满布着径从数公里到上千公里的冰封物体,热闹无比,就是柯伊伯带。柯伊伯带上的这些物体的成形:如果按照行星形成的吸积理论解释,那就是他们在绕日运动的过程中发生碰撞,互相吸引,最后黏附成一个个大小不一的天体,形成的样子。

发现经过

黄色点环为柯伊伯带。20世纪50年代,柯伊伯(Kuiper)和埃吉沃斯(Edgeworth)预测在海王星的轨道以外,充满了微小冰封的物体,他们是原始太阳系星云的残存物质,也是短周期彗星的来源地。1992年,人们找到第一个柯伊伯带天体;如今大约有1000个柯伊伯带天体被发现的纪录,而且有许多天文学家认为,冥王星应该也是柯伊伯带的一份子,只是冥王星在柯伊伯带理论出现前就已经被发现,所以才被认为是行星。无论如何,柯伊伯带的存在已是公认的事实,但柯伊伯带为什么会存在等种种疑问却也成为太阳系形成理论的许多未解谜团。

柯伊伯带之谜

可是这个理论有个致命的问题:如果在柯伊伯带的位置,要形成直径上千公里的天体,那么柯伊伯带上物体的总质量至少要是地球质量的10倍以上,可是推估的柯伊伯带总质量,不过只有地球质量的十分之一,其他99%的质量,难道凭空消失了?

为了解开这个谜团,陆续有好几个理论出现,可惜它们都有些明显的限制。如今,美国西南研究院(SwRI,Southwest Research Institute)的Dr. Harold Levison以及法国de la Cote d'Azur天文台的Dr. Alessandro Morbidelli共同提出了一个理论,认为柯伊伯带天体是在距离太阳更近的位置成形之后,再被海王星一个个甩出去,因此躲开柯伊伯带总质量不足的问题。

20年前,科学家就已经知道行星的轨道会飘移,特别是天王星与海王星,更是从成形之后就已经逐渐向外移动。Levison和Morbidelli提出的理论模型认为,太阳系原始星云有一个过去并不晓得的边界,大概就是现在海王星的位置,也就是距离太阳约30AU的地方。在这个范围内,各个行星、卫星、小行星、彗星以及在柯伊伯带上的天体都有足够的质量得以碰撞吸积成形,而在这个范围以外,就是空无一物的太空。当这些大天体成形并逐渐向外移动的时候,柯伊伯带上的天体也被带着往外迁移,然后当海王星碰到太阳系原始星云的边界后,它不得不停下来,因此才会停留在的轨道上。至于这些柯伊伯带上的天体,就在海王星迁移的最后一个阶段,逐渐被甩出去而形成。

科学家先前已经知道行星的轨道会漂移,特别是天王星与海王星,更是从成形之后就已经逐渐向外移动。Levison和Morbidelli提出的理论模型认为:太阳系原始星云有个过去并不知道的边界,大概是海王星的位置,也就是距离太阳约30天文单位的地方。在这个范围内,各个行星、卫星、小行星、彗星以及柯伊伯带上天体都有足够的质量得以碰撞吸积成形;而在这个范围以外,就是空无一物的太空。当这些大天体成形并逐渐向外移动的时候,柯伊伯带上的天体也被带着往外迁移。然后当海王星碰到太阳系原始星云的边界后,它不得不停下来,因此才会停留在的轨道上。至于这些柯伊伯带上的天体,就在海王星迁移的最后一个阶段,逐渐被甩出去而形成。

这还有一个重要问题没有解决,就是土星和木星质量为什么很大,且卫星很多,更重要的是他们几乎就是所谓的“冰”或者气体形成的行星,还有一个很明显的标志就是唯有土星和木星有绚丽的光环而其他行星没有。事实上也存在另外一种假说,太阳系形成初期,太阳首先形成,其他行星和小行星随后形成,但是这些行星内部活跃,地震和火山频发,大量气体和水汽被喷出,而这些行星因为引力不够,气体逐渐流失,他们和还未形成行星的星云一起在太阳风的作用下被逐渐推送到土星和木星,而这里异常寒冷,水汽和其他气体都凝结成冰,这些物质被强大的土星和木星捕获,甚至他们的卫星也因此收益,覆盖了厚厚的冰层,在漫长的时间积累下,太阳风中的氢和氦也逐渐被土星和木星捕获。也就是说,内圈散布出去的气体被土星和木星捕获后形成了土星和木星厚厚的冰层以及光环等,然后在天王和海王漂移的作用下,这些物质又被甩了出去,没有被土星和木星捕获的,在更远的地方形成了冰层,因为土星和木星不可能时刻出现轨道的任何位置,太阳风是球形散播出去的,被捕获的可能只是很少一部分,逃逸出去的才是主流,因为太阳风的能力也是有限的,有些冰层距离天王和海王也恰好不是太远,当天王和海王到来的时候,可能会被他们的引力摄动,所以彗星因此形成,彗星不过是水和其他气体形成的结晶,在堕落太阳的过程中,又会蒸发,蒸发后最终又会被吹到太阳系边缘,然后又可能被天王海王引力摄动,重新形成彗星,这不过是周而复始的循环运动,不过彗星在运动的过程中,会受到土星木星的强大引力,有些会堕落到土星木星上,有些可能成为他的卫星,所以彗星又成为土星和木星物质的一种来源,这又在太阳系大循环内形成了小循环,事实上太阳系不过是盖上锅盖的一个锅而已,宇宙亦然,所谓永远膨胀下去的理论不过是妄想。

结论:柯依伯不是个带,是一个球形,这个球形形成的根本原因是太阳是球形的,并且球形状进行热辐射和光波辐射,物质是太阳自身氢氧结合形成的水汽等等,就是第2点中提到的物质,在远离太阳时,水蒸气受冷形成冰,这时速度大幅降低,部分被土星和木星捕获,而更多的是运行到更远的地方形成了球形的柯依伯。

2006年8月24日,根据国际天文学联合会大会投票5号决议,部分通过新的行星标准,冥王星被排除在行星行列之外,而将其列入“矮行星”。自此九大行星成为历史,虽然教科书已经印刷的不做更改,但科学上已经为“八大行星”。

国际天文学联合会第26届大会刚刚通过了行星新定义,根据决议,冥王星被从太阳系九大行星中“除名”后,为表示该含义建议将其中文译名改为冥神星,以体现低于天王星、海王星,而与谷神星、婚神星等同属矮行星的含义。

相对于200多年前发现的谷神星和近30年前发现的卡戎,齐娜是一个完全陌生的新来者。2003UB313的编号表示科学家发现它时所依据的观测数据是2003年获得的。

齐娜的公转轨道是个很扁的椭圆,它公转一周需要560年,离太阳最近的距离是38个天文单位(1天文单位为地球到太阳的距离,约1.5亿公里),最远时为97个天文单位。由于齐娜是如此遥远,哈勃望远镜给它拍到的最好照片,也只能显示出一个分辨率极低的白色光点。

天文学家认为,齐娜的直径约2300公里至2500公里,只比冥王星略大。科学家说,齐娜的大气可能由甲烷和氮组成,它离太阳太远,大气都结成了冰;当它运动到近日点时,表面温度将有所升高,甲烷和氮会重新变成气态。至于其内部结构,还只能猜测,有可能是冰和岩石的混合物,与冥王星类似。

齐娜有一颗卫星,科学家暂时称之为加布里埃尔,他是好战公主齐娜的随从。这些非正式的名字最终都将被正式名称取代。

NASA的哈勃太空望远镜发现了So far在可见光波段所能看到的最小柯伊伯带天体。柯伊伯带是由冰质残片组成的巨环,位于海王星轨道之外,环绕着太阳系的外边缘。

哈勃发现的这个沧海一粟一般的天体只有3200英尺宽,位于42亿英里之外的遥远天边。先前利用反射光发现的柯伊伯带天体(KBO)中,最小的一个直径大约是30英里,相当于前者的50倍。

这是在柯伊伯带中发现的第一条观测证据,表明了彗星尺度天体族群的存在,这类天体是经由碰撞过程塑造而成的。因此柯伊伯带是通过碰撞过程演化的,这意味着在过去的4500万年,该区域的水冰成分出现过变更。

哈勃探测到的这个天体非常暗——35等,比哈勃直接能够看到的最暗亮度还要暗上100倍。

那么太空望远镜是如何揭示出如此小的天体的呢?

刊登在某期《自然》杂志上的一篇文章中,来自帕萨迪那加州理工学院的希尔克·施利赫廷(Hilke Schlichting)与她的同事报告说,小小流浪星球的迹象并非来自直接成象,而是从哈勃的指向数据中提取而出的。

哈勃望远镜拥有3架名为精密指向传感器(Fine Guidance Sensors,FGS)的光学仪器。FGS可以观测选定的引导星进行定位,为空间望远镜的姿态控制系统提供高精度导航信息。为了精密测量恒星的位置,传感器利用了光线的波动本质。

施利赫廷及其同事确定,FGS仪器非常优异,它们可以察觉到穿越恒星前方的小型天体产生的影响。由于来自背景引导星的光线被前方通过的KBO弯曲了,该现象会导致FGS的数据中出现短暂的掩星以及衍射信号。

他们选择了FGS四年半的数据进行分析。在此期间,哈勃总共花费了12000小时来观测距离太阳系黄道面20度以内的天区,大多数KBO应该位于此处。小组总共分析了FGS对50000颗引导星的观测。

施利赫廷与她的小组在分析数据的时候,发现了单独的一个持续0.3秒的掩星事件。其原因只可能是FGS仪器的样本星光每秒变化40次。掩星的长度很短,这很大程度上是地球环绕太阳的轨道运动所导致的。

他们假设KBO的轨道是圆形的,且相对黄道的倾角是14度。KBO的距离是根据掩食长度估计的,亮度减暗的程度则用于计算天体的尺度。利赫廷说:“在数据中找到这个,我非常陶醉。”

哈勃对邻近恒星的观测表明,其中的很多拥有类似于柯伊伯带的冰质残片盘环绕。盘面是行星形成的残存。根据预计,在几十亿年的时间里,残片会相互发生碰撞,将KBO型天体碾碎到更小,这已经不再是原始柯伊伯带的天体族群了。

该发现有力论证了根据哈勃存档数据得出重要新发现的可能性。在揭示其他小型KBO的一项工作中,该小组计划分析自从1990年发射以来哈勃几乎所有工作时间内剩余的FGS数据。

哈勃太空望远镜是NASA与欧洲空间局之间的国际合作项目。NASA的戈达德太空飞行中心管理着这架望远镜。空间望远镜科学研究所管理着哈勃的科研运转。研究所由华盛顿的大学天文研究联合组织为NASA管理,同时该所还是2009年国际天文年计划的合作者。 



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