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柯伊伯带的秘密
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S Alan Stern 文 Shea 编译 |
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从海王星以外寒冷的边缘地带正在引发一场太阳系起源和演化的革命。 1930年2月18日下午，24岁的克莱德·汤博（Clyde Tombaugh）做出了一个划时代的发现。当时这名美国洛韦尔天文台的天文学家正在比较上个月拍摄的两张底片，他发现双子座中有一个微小的光点相对于背景的恒星位置有了稍稍地移动。短短几个月内，天文学家就把它命名为“冥王星”，而太阳系中也在海王星之外多了一颗行星。 几十年之后天文学家才发现了另一个与之类似的天体。1992年，美国夏威夷大学的天文学家戴夫·朱伊特（Dave Jewitt）和简·路（Jane Luu）发现一个大型的天体，它绕太阳公转的轨道完全都在海王星轨道之外。柯伊伯带天体1992 QB1的发现告诉天文学家，太阳系的周围存在着一个由这些天体组成的带或者盘。这些古老的天体代表着的正是行星形时期的残余物。 但其实早在20世纪30、40和50年代，一些行星科学家——弗雷德里克·伦纳德（Frederick Leonard）、肯尼思·埃奇沃思（Kenneth Edgeworth）以及其中最著名的是杰勒德·柯伊伯（Gerard Kuiper）——猜测在太阳系的外围存在一个由遥远的天体所组成的带。 然后，在1978年，美国亚利桑那大学的查尔斯·科沃尔（Charles Kowal）发现了一个冰质的天体，被命名为“喀戎”。它绕太阳公转的轨道大部分在土星和天王星的轨道之间。这个直径180千米的天体的轨道在数百万年内就会变得不稳定，因此它必定起源自更为遥远的地方。虽然现在天文学家认为它是一个来自柯伊伯带的“逃犯”，但在当时即使是发现了喀戎也并没有让柯伊伯带的存在变得令人信服。 直到20世纪80年代后期，当研究彗星动力学的天文学家掌握了越来越多的证据之后，事情才出现了转机。对彗星轨道的整体分析显示，即便是遥远的奥尔特云也不足以解释出现在太阳系行星轨道面内彗星数量。因此，行星科学家们开始形成一个共识，柯伊伯带也许真的存在。很快，越来越复杂的动力学模型证实了这一结果，暗示在海王星轨道之外还存在着一个遥远的彗星乃至更大天体的仓库。 观测天文学家们把他们的望远镜和CCD相机对准了天空来寻找这些天体。在各路人马大海捞针了数年之后，朱伊特和路终于发现了1992 QB1。1992 QB1在最亮时也只有24或25等——比肉眼所能看到的最暗弱天体还要暗上数百万倍，相对于背景恒星也几乎不动。 就在发现1992 QB1的短短一年之内，天文学家又发现了4个柯伊伯带天体。1年后，柯伊伯带天体的总数为10个。到1992 QB1发现10周年时，柯伊伯带天体的数量已接近1,000。但更让人吃惊的是，发现这些天体的巡天仅仅覆盖了沿着黄道超过15,000平方度的天区中还不到1%的部分。 行星天文学家很快意识到，在如此小的区域中发现了数目如此庞大的天体意味着还有大量与之类似的天体尚未被发现。柯伊伯带从海王星轨道开始向外至少延伸出55个天文单位（1天文单位约为1.5亿千米），这个数字是巨行星区域宽度的2倍数。其覆盖的范围则超过了6,500平方天文单位。  [图片说明]：柯伊伯带概念图。版权：NASA/ESA/M. Brown (Caltech)。 改写教科书 柯伊伯带的发现使我们重新绘制了太阳系的地图。毕竟，它是在整个行星系统中最大的结构。它的尺度、质量以及绝对数量都让小行星带相形见绌。这一发现的影响决不亚于在地球上发现了太平洋之后所有的地图都不得不整个重新画过。 同样神奇的是，柯伊伯带中还包含了许多大型的天体。天文学家估计，1992 QB1的直径达到了大约100千米，质量则达到了一颗典型彗星的约30,000倍。但很快天文学家们又发现了直径是它2倍、3倍乃至10倍以上、质量1,000倍于它的天体。科学家们认识到，柯伊伯带不仅保留了构建行星的建材还留存有矮行星。后者的直径可以达到数百甚至数千千米。 柯伊伯带的发现也首次揭示出了冥王星所处的环境。它并不是一个在一条奇怪轨道上运转的孤独星球，相反它是众多散落在外太阳系的矮行星中被发现的第一个。 这两项发现——太阳系中最大的结构并且认识到太阳系早期形成了许多矮行星——从根本上改变了天文学家的看法。其意义相当于几个世纪前对天王星和海王星的发现。 而这仅仅是发现柯伊伯带之后10年间的事情。但不曾想柯伊伯带还带给了我们更多的惊喜，且每一个都更加地令人兴奋。  [图片说明]：柯伊伯带是一个巨大的包含有成千上万个天体的盘。 冰山一角 研究行星形成的天文学家发现，柯伊伯带中较大的天体不可能是从今天我们所看到的柯伊伯带中形成的。目前的柯伊伯带实在太稀了，物质分布得过于松散无法形成大质量的天体。相反，计算机数值模型显示，要形成如今观测到的柯伊伯带天体必须要有10个甚至多达50个地球质量的物质。而这个数字是当前柯伊伯带质量的数百倍。 对柯伊伯带天体轨道的研究清楚地表明，它们中的绝大数轨道偏心率和相对于黄道的倾角都过高，根本无法进行吸积。为了形成行星或者是类似柯伊伯带中较大的天体，较小物质团块轨道的偏心率和倾角都必须很小。只有这样，它们之间的碰撞才不会过于猛烈从而可以逐渐增大进入早期吸积阶段。 因此，正如这些大型的天体所告诉我们的，柯伊伯带曾经的质量比现在的要大得多，这些天体的轨道分布还表明有东西严重地扰乱了柯伊伯带的动力学以及其中天体的轨道。 这意味着当今的柯伊伯带和远古的截然不同，这着实令人震惊，因为它说明外太阳系外经历了剧烈的变化。它同时还提出了一个新的问题：那些“失踪的物质”到底去了哪里？ 对柯伊伯带天体轨道的进一步研究可以为这个问题提供线索甚至更深入的见解。当然，第一条线索是柯伊伯带天体的轨道和太阳系内行星以及巨行星区天体的有着天壤之别。与这些天体近圆、共面的轨道不同，柯伊伯带天体轨道显得纵横交错、杂乱无章。整个柯伊伯带的厚度可以高达10个天文单位。 埋藏在柯伊伯带天体轨道中的另一条线索是它们中许多的公转周期都和海王星的呈整数比。例如，其中一些每绕太阳公转2圈的时间正好和海王星绕太阳3圈的时间相等。长久以来天文学家就已经知道冥王星就拥有这样的轨道，但大约在15年前天文学家又陆续发现了其他具有这一特性的柯伊伯带天体。这些柯伊伯带天体的轨道周期和海王星的之比为2:1、5:3和7:4，这一现象也被称为共振。  迁移 是什么会造就了这些共振轨道？天文学家认为，柯伊伯带天体轨道的共振、大偏心率以及高倾角反映出的正是行星的迁移。 由此，柯伊伯带又告诉了我们一些全新的东西，巨行星已经迁移到了远离它们出生地的地方。在这个过程中，它们会在柯伊伯带天体的轨道分布上留下印迹。这是研究柯伊伯带天体带来的又一革命。这颠覆了对行星系统的传统观念。 最近的计算机模拟显示，虽然木星和土星迁移的距离可能不超过1个天文单位，但天王星和海王星却远离了它们的诞生地许多个天文单位。事实上，这两颗行星甚至可能就形成于木星和土星之间的某个地方。 另一个意外是，天文学家在2000年和2001年发现柯伊伯带天体的轨道倾角可以分为两大族群。其中一族在动力学上是“冷”的，它们具有较小的轨道倾角，似乎预示它们是在当地形成的。还有一族在动力学上则是“热”的，它们具有较大的轨道倾角，极有可能是在巨行星清空其周围的物质以及迁移的过程中被散射到柯伊伯带的。 这奇特的现象虽然让人吃惊，但却是真实的。同时柯伊伯带天体的颜色也支持了这一观点。热族的柯伊伯带天体总体上要比颜色多样的冷族柯伊伯带天体更红。  柯伊伯带天体自身 上面提到的大多数有关柯伊伯带的发现关注的都是它的整体特征。柯伊伯带天体的存在以及它们的轨道细节为外太阳系的起源和演化提供了线索。但对于每一个柯伊伯带天体由于它们十分遥远再加上非常暗弱，因此很难被单独研究。尽管如此，科学家们还是尝试了解了它们的物理性质。 天文观测显示柯伊伯带天体具有繁杂的多样性。有些柯伊伯带天体看上去暗如黑色的天鹅绒，而另一些则具有冰一般的反射率。有些看上去红如火星，而其他的则没有颜色。光谱观测表明，水冰是一些柯伊伯带天体表面的主要成分，而其他的则更多地含有如甲烷、乙烷、铵基水合物、一氧化碳和氮等特殊的物质。冥王星就属于含氮的一族。 许多柯伊伯带天体还具有卫星。虽然目前的技术还无法直接探测这些卫星，但在已知的柯伊伯带天体中有超过20%的拥有卫星。这包括了其中最大的四个：冥王星、阋神星、妊神星和鸟神星。有几个柯伊伯带天体甚至还拥有不止一颗卫星，冥王星就是一个最好的例子。随着观测技术的不断改善，预计会发现更多柯伊伯带天体的卫星。也许最终我们会发现绝大多数柯伊伯带天体都拥有卫星，没有卫星的倒成了少数。 大多数柯伊伯带天体的卫星和它们所围绕的柯伊伯带天体相比都很小。但也有例外，一些柯伊伯带天体的卫星达到了它们主星的至少一半大，这使得它们更像是双星系统。1978年，尽管当时还没有人知道冥王星属于柯伊伯带，但它却成为了第一个被发现的柯伊伯带双星系统。在一张模糊的照片中，美国海军天文台的天文学家詹姆斯·克里斯蒂（James Christy）在冥王星的边缘发现了一个不规则的突起，从而第一个发现了冥王星体型较大的卫星冥卫一。  展望未来 在戴夫·朱伊特和简·路发现了柯伊伯带之后近20年，现在我们可以看到它是如何深刻地改变了我们对太阳系结构和小天体性质的认识。 但柯伊伯带仍然存在许多谜题。柯伊伯带在距离太阳55个天文单位的地方是否真的存在一个边界，或者那里仅仅另一个更庞大的结构和柯伊伯带之间的空隙？柯伊伯带天体中的冷族和热族是在何时何地形成的？是否有很多柯伊伯带天体都像冥王星一样拥有大气？ 在未来十年中随着很多新的强力设备的投入使用，科学家们将能回答这些以及其他许多的问题。这些设备会帮助我们更深入地探测柯伊伯带、更细致地研究柯伊伯带天体。全景巡天望远镜和快速反应系统以及大口径全天巡视望远镜将发现10倍于目前已知数量的柯伊伯带天体。阿塔卡马大型毫米波天线阵则能直接测量数以千计的柯伊伯带天体的大小和反照率。而今天我们掌握这些信息的柯伊伯带天体只有几十个。 但最大的进展可能来自美国宇航局的“新视野”探测任务。它将在2015年探测冥王星系统。如果一切按计划，随后它会飞掠1～2个距离太阳更远的小型柯伊伯带天体。 毫无疑问，7～10年之后天文学家可能将会找到柯伊伯带许多谜题至今尚不为人所知的答案。然而，新的认识又会带来新的疑问。这也正是未来十年对柯伊伯带的探测令人向往的原因。毕竟，天文学最迷人之处就在于用新数据和想法去解开谜题，同时改变我们自己对所处太阳系和宇宙的看法。 |
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[Astronomy 2010年04月]
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