柯伊伯带之谜
Rodney Gomes 文    Shea 译

柯伊伯带天体是太阳系中已知最遥远的天体。现在的研究表明他们可能形成于更靠近太阳的地方。

　　自从1992年发现第一个柯伊伯带天体以来，柯伊伯带天体许多奇特的轨道和物理特性就展现在我们眼前。其中一个就是柯伊伯带天体的总质量非常得小——大约只有地球质量的1/10，而理论预期的值是观测值的100多倍。为了解释这些消失的质量，有人提出柯伊伯带天体由于相互碰撞变成了尘埃，进而在太阳辐射压的作用下被驱逐出了太阳系的理论。在本期《自然》杂志上，拉维森（Levison）和莫比戴利（Morbidelli）提出了另一种解释。他们认为柯伊伯带天体原先形成于现在海王星轨道附近，后来才迁移到了现在的位置，而且原始的柯伊伯带云几乎已经被清空，只留下了极少量的物质。

　　按照目前的理论，太阳系的行星形成于原始气体尘埃盘中，由于吸积形成了行星。当然，从尘埃到行星的过程中还存在中间阶段，例如星子阶段。当盘中某些区域的质量太小而无法形成行星的时候，这些星子就会保留到今天。这很有可能就是柯伊伯带的成因，由于其较低的质量密度和位于如此远的距离，吸积过程在其中天体的大小还小于冥王星的时候就停止了。然而，与今天对柯伊伯带总质量的估计不同，吸积理论要求在柯伊伯带区域大约需要有10个地球质量的物质，才能形成今天我们观测到的同等大小的柯伊伯带天体。

　　柯伊伯带质量缺失并不是唯一的谜题。由于离开太阳系中其他天体都比较远，而且也没有遭遇过大天体的强摄动，柯伊伯带天体被认为应该拥有近圆而且共面的轨道。但事实上，柯伊伯带天体大多有着较大的轨道偏心率和轨道倾角。行星科学家正致力于搞清楚这些轨道的动力学激发机制。我的观点是这些天体形成于更靠近太阳的地方，由于原始海王星的向外迁移而引发的近距离引力交会使得这些天体被向外推到了现在的位置。其他的研究工作显示，如果当初在现在海王星的外部存在着更大的质量的话，那么海王星将会迁移到比现在更远的地方（进入柯伊伯带区域）。

  

[图片说明]：太阳系的膨胀。原始的、紧密的太阳系（左）被一个由小行星大小的星子所组成的盘所包围着，它的范围大约延伸到现在海王星轨道附近。这个盘的引力最终到是了行星的迁移，在这个过程中除了木星之外其他大行星都向外发生了迁移。其结果是，绝大多数的星子都遭遇了与大行星的近距离引力交会，被抛射出了太阳系。另外有一小部分则被推入了稳定的轨道，形成了今天的柯伊伯带天体（右）。两种截然不同却又相互补充的引力相互作用导致了剩下的柯伊伯带天体的出现了高轨道倾角轨道和低轨道倾角轨道。

　　因此，谜题看上去已差不多被解决了。一方面，原始的星子盘会在海王星现在的位置附近被截断，而且有足够的质量来形成今天我们观测到的同等大小的柯伊伯带天体；另一方面，通过与海王星的近距离引力交会产生高轨道倾角轨道，一些天体也会从星子盘的内部被转移到柯伊伯带中。但是这仅仅是一方面而不是全部，在柯伊伯带中高轨道倾角和低轨道倾角的几乎一样多，它们不太可能通过相同的机制被转移到现在的位置。

　　拉维森和莫比戴利提出了一个解释。它们的解释基于另一个谜——柯伊伯带在距离太阳48天文单位处有一个外边界。在这一外边界处柯伊伯带天体的轨道周期是海王星的2倍，形成了1:2的平运动共振。当海王星在原始太阳系中向外迁移时，它会从共振带中带出一部分的天体。这一机制会使得共振天体接近海王星或者其他大行星，进而激发这些天体的轨道偏心率，在最终与木星的引力交会中，它们会被抛射出太阳系。

　　拉维森和莫比戴利认为1:2共振以内其他的长期共振会保持一些共振天体的低轨道偏心率和低轨道倾角。长期共振是一种强势共振，会导致轨道偏心率和轨道倾角的大幅度变化。按照拉维森和莫比戴利的数值模拟显示，一小部分的共振天体会由于海王星向外迁移而脱离1:2共振，但由于长期共振会使得它们仍然保持低轨道倾角。其他一些仍处于1:2共振带的天体则组成了今天太阳系的边界。

　　当然，这个解释也带来了新的问题。主要一个就是在截断的盘中太阳系是如何形成的？对其他形成中的行星系统的观测显示它们都具有快速膨胀的盘。难道太阳系是一个特例？先不管答案如何，另一个问题是，什么原始使得形成中的行星系统出现了截断？我相信，这些问题将会是未来几年行星科学的焦点。


出自：Nature
发布日期：2003-11-27

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