人類如何探索神秘的柯伊伯帶？

對那些為「羅塞塔」號（Rosetta）空間探測器工作的人來說，2014年1月20日將是一個重要日子，這一天也許會是極好的一天，也許會是非常糟糕的一天。10年前，歐洲空間局（European Space Agency）將「羅塞塔」號這個重達3000千克的航天器發射升空，按照計劃，該航天器將於2014年8月與一顆名為67P/楚留莫夫－格拉希門克（67P/Churyumov-Gerasimenko，簡稱67P）的彗星交會。如果一切順利，「羅塞塔」號將完成一件人類從未嘗試過的事情：進入彗星低軌道，釋放一台名為「菲萊」號（Philae）的著陸器。在太陽的熱力下，67P彗星冰凍的身軀正在逐漸變暖，「羅塞塔」號將追隨前行。

但首先，「羅塞塔」號要蘇醒過來。在此前兩年多的時間裡，它一直蟄伏在節能模式。歐洲中部時間2014年1月20日上午11時，「羅塞塔」號的內置鬧鐘響起。在德國達姆施塔特的歐洲空間運行中心（European Space Operations Center）的一間控制室里，科學家和工程師們等待著。按照計劃，「羅塞塔」號醒來後將會發回報告，儘管他們對「羅塞塔」號很有信心，但之前一個失敗的案例依然像陰霾一樣籠罩在他們心頭：1993年，「火星觀察者」號（Mars Observer）探測器與地面失去聯繫，並消失得無影無蹤。有那麼幾分鐘，科學家和工程師們感到噩夢又要重演了。

「我看到屋子裡很多人的臉都白了，」霍爾格·謝克斯（Holger Sierks）回憶道，他來自德國馬普太陽系研究所（Max Planck Institute for Solar System Research），負責「羅塞塔」號上的光學和紅外攝像機。在等待信號的短短15分鐘內，時間就像凝固了一樣。終於，一束電子信號從木星軌道之外抵達了達姆施塔特，「信號內容是『我又回來了』，這讓所有人都鬆了一口氣，」謝克斯說。

接下來的幾周里，研究人員確認，「羅塞塔」號不僅結束了冬眠，而且各方面運轉良好，已經做好了探測彗星的準備。它將回答彗星的結構、組成、運行規律以及起源方面的問題。67P彗星冰凍的軀體，自46億年前太陽系誕生之初就幾乎未曾改變。2014年11月，「羅塞塔」號會釋放它的著陸器。著陸器將鑽開彗星表面，發掘太陽系的歷史。

在遙遠的深空中，「羅塞塔」號並不孤單。經過9年的飛行，美國航空航天局（NASA）的「新視野」號（New Horizons，也譯作「新地平線」號）探測器將在2015年7月，實現另一項突破：第一次飛臨冥王星（Pluto）和它的5顆已知衛星。美國西南研究院（Southwest Research Institute）首席研究員艾倫·斯特恩（Alan Stern）報告說，「航天器的狀態非常好。」雖然這兩項任務彼此獨立，但並非毫無關聯。天文學家現在認識到，兩艘航天器的探測目標冥王星和67P彗星，都是柯伊伯帶（Kuiper belt）的成員。所謂柯伊伯帶，就是位於海王星之外的一個龐大的、幾乎未知的區域，其中存在著數以十億計的冰冷星體，這些星體的尺寸小到幾米，大到 000多千米。

過去20年，空間探測取得了一系列發現，而兩艘航天器成功抵達各自的探測目標，將使空間探測成果達到一個頂峰，正如斯特恩所言：「這些發現使人們豁然開朗，改寫了我們對太陽繫結構的知識。」事實上，在短短20多年前，甚至沒有人知道柯伊伯帶的存在。自那時起，行星科學家們相繼發現了幾個冰凍的星球，它們的體積接近、甚至可以媲美冥王星。科學家從中發現了一些跡象，表明在很久以前，木星（Jupiter）、土星（Saturn）、天王星（Uranus）和海王星（Neptune）的軌道曾經劇烈地變動過，這些跡象甚至還暗示，太陽系曾經存在第五顆氣態巨行星。研究人員分析了1 500餘個已知的柯伊伯帶天體（Kuiper belt object，KBO）的大小和軌道，來研究這條帶是如何形成的。他們想知道，原本乾燥的地球上之所以能夠形成海洋，真的是因為在柯伊伯帶形成之初，有大量的冰從這裡彈射到年輕的地球嗎？

每一次這樣的觀測都為理解柯伊伯帶的起源和演化，打開了一扇窄窄的窗戶。把這些觀測結果綜合到一起，就像盲人摸象的寓言那樣，人們開始拼湊關於柯伊伯帶的結構、組成和演化的更全面的圖像。現在，兩艘航天器即將首次對兩個非常不同的柯伊伯帶天體進行近距離觀測，這樣一來，這幅圖像將會變得前所未有的清晰。

發現柯伊伯帶

1930年，一位名叫克萊德·湯博（Clyde Tombaugh）的年輕天文學家，在海王星之外發現了一個新星體。當時，天文學界包括他自己都堅信，他發現了「X行星」（Planet X）——傳言已久的太陽系第九顆行星。在一名11歲英國女學生維尼夏· 伯尼（Venetia Burney）的建議下，這顆行星被命名為「冥王星」。起初，研究人員計算得出，這顆新行星的質量會接近地球。但到了20世紀70年代，人們認識到冥王星比月球還要小、還要輕。湯博發現的其實是柯伊伯帶上最明亮的成員。

然而，在上世紀80年代之前，沒有人會想到柯伊伯帶這個東西的存在，甚至包括傑勒德·柯伊伯（Gerard Kuiper）本人，柯伊伯帶就是以這位荷蘭裔美國科學家命名的。在上世紀50年代，柯伊伯提出，緊靠海王星外的區域可能曾經充斥著冰凍天體。不過他又認為，「大質量行星」冥王星的引力場會將這些冰凍天體散射到深空去，因此太陽系的這片區域目前應該是空空蕩蕩的一片。「事實和預言恰恰相反，」加利福尼亞大學洛杉磯分校的天文學家戴維·C·朱維特（David C. Jewitt）說道，他是外層太陽系觀測的先驅。

幾乎在同一時間，柯伊伯的同胞簡·奧爾特（Jan Oort）猜測，那些被散射的天體，應該形成了原彗星（proto-comet），這些彗星組成了球形雲，其運行軌道距離太陽大約有1光年。他還指出，如果這些原彗星偶然闖入了內太陽系，它就會變成一顆活躍的彗星。該機制巧妙地解釋了，為什麼會存在長周期彗星。那些長周期彗星的軌道周期長達200多年，它們會從各個方向掉入內太陽系。

不過，這套理論無法解釋那些短周期彗星。短周期彗星大多是沿著大行星公轉軌道平面飛來。對此，奧爾特給出的解釋是，有些長周期彗星與巨行星交會時變成了短周期彗星。沒有人能給出更好的解釋。［或者說，幾乎沒有人給出更好的解釋。一個特殊情況是，早在上世紀40年代，愛爾蘭天文學家肯尼思·埃奇沃思（Kenneth Edgeworth）就提出一種假說，短周期彗星誕生於一個小星體聚集的、更近的地方。不過他只是順帶提及這個假說，而且沒有詳細描述。「如果你認為這只能算是一個預言，那好吧，我確實沒法反駁，」邁克爾·E·布朗（Michael E. Brown）這樣評價道。布朗是加州理工學院的天文學家，他在2005年發現了柯伊伯帶天體鬩神星（Eris），其大小和冥王星相當，這一發現導致冥王星在第二年被降格為「矮行星」。顯然，布朗不認為埃奇沃思順便提及的假說只能算一個預言，但總之，當時並沒有人重視埃奇沃思的這個想法。

目前很多行星科學家都認可的，關於柯伊伯帶的第一個正式預言來自烏拉圭天文學家胡里奧·費爾南德斯（Julio Fernandez）。他在1980年的一篇題為《論海王星外彗星帶之存在》（On the Existence of a Comet Belt beyond Neptune）的論文中，提出了和埃奇沃思相同的看法，不過他的論證要嚴謹、詳細得多。1988年，當時就職於加拿大多倫多大學的斯科特·特里梅因（Scott Tremaine）和同事馬丁·鄧肯（Martin Duncan）、湯姆·奎恩（Tom Quinn）一道證明了，費爾南德斯預言的星體群其實可以解釋短周期彗星的軌道和出現頻率。他們首次使用了「柯伊伯帶」一詞，不過，現在就職於普林斯頓高等研究院的特里梅因說，「這個詞可能不正確，我們應該以『費爾南德斯』來命名它。」

當特里梅因、鄧肯與奎恩在理論上論證柯伊伯帶時，朱維特和他當時在麻省理工學院的學生劉麗杏（Jane X. Luu），開始尋找確鑿的觀測證據。他們並不是受到理論研究的啟發才去開展搜尋，事實上他們並不知道費爾南德斯的論文，而且他們早在1986年就開始了搜尋工作, 比特里梅因和同事們發表結果早了兩年。朱維特說，「我們搜尋的動機非常簡單，就是覺得外太陽系那麼空蕩蕩的很奇怪。」

當然，外太陽系實際上並不是那麼空蕩蕩的。1992年8月，利用在夏威夷莫納克亞（Mauna Kea）死火山頂峰的2.2米望遠鏡，朱維特和劉麗杏發現了第一個柯伊伯帶天體，1992QB1，這是他們所謂 「緩慢移動天體」探測計劃（Slow Moving Object survey）的一部分。 6個月後，他們發現了第二個柯伊伯帶天體。雖然在當時，朱維特和劉麗杏是唯一進行此類搜尋的研究團隊，但「天文學界很快就反應過來了，」朱維特說。現在，天文學家已經認證了大約1 500個柯伊伯帶天體。基於這一數字，他們估計柯伊伯帶大約有100 000個直徑超過100千米的物體，有近100億個直徑大於2千米的物體。朱維特說：「柯伊伯帶里小行星的數目是主小行星帶（main asteroid belt，位於火星與木星軌道之間）的1 000倍，這讓我大為震驚」。

不過，讓許多天文學家更震驚的，不是柯伊伯帶里「有」什麼，而是它「沒有」的內容。依據最好的行星形成模型，天文學家推測，柯伊伯帶里應該有類似地球大小、甚至比地球更大的星體。然而，柯伊伯帶里最大的星體，就是冥王星和一些與冥王星大小相近的星體，如鳥神星（Makemake）、妊神星（Haumea）、創神星（Quaoar） 和鬩神星，研究人員沒有發現一個接近大行星標準的星體。「那裡有許多的星體，不過這些星體加在一起，也不超過地球質量的十分之一，非常微不足道。」朱維特說。

在太陽系歷史早期一定發生過一些事情，才會使柯伊伯帶中最大的成員被消滅了。多年來，行星天文學家一直在爭論，當時究竟發生了什麼。利用「羅塞塔」號和「新視野」號，他們將得到一些答案。

巨行星重排

當柯伊伯帶被發現時，物理學家已經建立了太陽系形成模型。該模型的起源是一團巨大的、由星際氣體和塵埃組成的雲團，然後這一雲團坍塌形成一個旋轉的圓盤。在圓盤的核心，重力將物質聚成一團。高溫和高密度導致這團物質開始發生熱核反應，太陽就誕生了。

太陽的熱量和輻射將大部分氣體和一部分塵埃吹向外圍。在靠近太陽的部分，塵埃聚集在一起，先形成小石塊，後來變成大岩石，最終變成了小行星尺寸的所謂「微行星」（planetesimal）。在行星形成的最後一個階段，數以百計的火星尺度的星體漂浮在太陽系中，它們碰撞著，不斷地破碎又聚合在一起，最終形成了我們今天看到的八大行星，不僅包括內太陽系的固態類地行星，還有木星、土星、天王星和海王星這些氣態行星。這些行星基本是由大塊岩石構成的，有足夠大的引力束縛住大量氣體。

在海王星之外，外太陽系的冰粒發生了和內太陽系塵埃顆粒類似的過程，也形成了行星大小的星體。然而這一理論存在兩個問題：首先，天文學家沒有觀察到這些具有行星尺寸的星體（但布朗說，就他們所知，在遙遠的奧爾特雲里，也許會有像火星一樣大的星體，只不過我們目前的技術無法觀測到。）

第二個問題是，柯伊伯帶中的物質太少，不足以形成任何尺寸的星體。換言之，如果認為目前柯伊伯帶中的所有物體也都來自原初的冰塵雲，那麼這些雲的分布就太廣了，難以形成任何東西。

如此一來，柯伊伯帶中實際存在的物質，與理論學家推測應該形成的物質，就自相矛盾了。朱維特說，「公認的解決方案是，認為在一開始，柯伊伯帶里就有比較多的物質——30、40甚至50個地球質量的物質。」這些物質的確形成了一大群星體，但不知什麼原因，這些星體的數目在不斷減少。

至於星體不斷減少的原因，最可信的一種解釋機制是：太陽系的四大氣態巨行星（木星、土星、天王星、海王星）曾經是堆聚在一起的，比它們今天的間距近得多。這個假說最初是由亞利桑那大學的物理學家雷努·馬爾霍特拉（Renu Malhotra）提出的。

馬爾霍特拉和她的幾位同事論證道，這些緊密堆擠在一起的行星，與早期大量的柯伊伯帶天體的引力相互作用，把土星、天王星和海王星推向外太陽系。與此同時，木星和柯伊伯帶天體、小行星同時相互作用，導致木星向內移動。

這些引力相互作用不僅使行星重排，也把許多柯伊伯帶天體彈射到太陽系引力範圍的最遠端，形成了遙遠的奧爾特雲，並且把許多的小行星甩進了太陽系內層軌道。在這些遷移過程發生的某段時期，土星和木星處於了軌道共振態，土星每運行一個周期，木星恰好運行兩個周期。

每隔一段時間，兩大行星就會和太陽精準地處於一條直線上，從而造成額外引力擾動，使得柯伊伯帶天體被劇烈地散射開，以至於99%以上的物體都被清掃了出去。它們中的一些成為了太陽引力範圍最遠端的奧爾特雲的成員，另一些撞上了太陽系的內層行星，這被稱為「後期重轟炸期」。「太陽系經受了猛烈的捶打，」 朱維特說。

美國西南研究院的物理學家戴維·尼斯沃尼（David Nesvorny）將這一假說又向前推進了一步。他認為，太陽系或許曾經存在第五顆氣態巨行星，在這個劇烈的重排過程中，它可能被彈射到星際空間去了。

如果巨行星的重排真的發生過，那就可以解釋，為什麼柯伊伯帶中沒有大星體：那些可以用來形成大星體的材料已經被永久地清空了，因此僅僅形成了那些類似微行星的物體——微行星是指那些小的原行星（proto-planet），大行星即由這些微行星聚合而成。從這個意義來說，柯伊伯帶就像一張快照，將行星形成過程剛剛開始數百萬年時內層太陽系的樣子，永久地定格了下來。

麻省理工學院的行星科學家希爾克·施利希廷（Hilke Schlichting）說，「現有的行星形成機制中，最大的不確定在於微行星的形成，它們是如何形成的？它們有多大？」這些信息在太陽系內層早已無處尋覓，不過藉助觀測和模型，她和同事們指出，如果假設組成柯伊伯帶天體的冰凍微行星的直徑大約為1千米，那麼就可以解釋今天觀測到的柯伊伯帶天體的大小和分布了。對這些微行星尺度的估計，可能也適用於內層行星。她說：「經過數十年的猜測後，我們終於要開始了解行星形成的初始條件了。」

飛抵冥王星

模型和遠距離觀測告訴行星科學家大量關於柯伊伯帶的信息，比如柯伊伯帶的結構以及其可能的歷史。不過，想想迄今為止數十個空間探測器對太陽系所有大行星以及數十個衛星和小行星的考察成果，近距離觀測的不可替代性就不言而喻了。斯特恩說，「利用哈勃望遠鏡為冥王星拍攝一張照片的確很酷，不過照片上的冥王星只有幾個像素那麼大。」 到2015年6月，「我們會真正看到冥王星的世界是什麼樣子，」他補充道。

2006年，「新地平線」號發射升空時，冥王星還算作一顆大行星。到了第二年夏天，它就被「降職」成了矮行星。不過不管你怎麼叫它，「新地平線」號都在以每小時40 000千米的速度奔向冥王星和它的衛星卡戎（Charon），未來這艘航天器與冥王星的冰凍表面的距離將在10 000千米以內，斯特恩和合作研究者會竭盡所能，對冥王星進行各種研究。

他們研究的一個內容是，統計冥王星布滿麻點的表面上的隕石坑個數，以及這些隕石坑的大小和分布。通過這項研究，天文學家可以對柯伊伯帶天體的大小和分布有一個獨立的測量值。撞向冥王星表面的、不同大小的柯伊伯帶天體的數目，應該和柯伊伯帶中相應大小的天體總數成正比。

「還有更妙的事情，」斯特恩說。當冥王星沿著橢圓形軌道公轉時，它的表面溫度一段時間內會很高，過後又會很低，如此反覆，這個過程形成了冥王星稀薄的大氣條件，也使得冥王星表面的隕石坑每過一段時間就會被「抹掉」。然而，卡戎沒有大氣，這就意味著所有撞擊痕迹都會保留下來。「你可以比較冥王星和卡戎，」斯特恩說，「然後就可以弄清楚隕石撞擊的過往變化——在今天和遠古時期，隕石的大小有什麼不同。」

「新地平線」號也試圖尋找地下海洋的信號。木星和土星的某些衛星——木衛二（Europa）、木衛三（Ganymede）、土衛二（Enceladus）和土衛六（Titan），在它們冰封的厚厚錶殼之下，行星科學家已經發現了隱匿其中的海洋。如果冥王星上存在冰間歇泉或冰火山的話，這將是一條線索，表明它的內部是溫暖且充滿流體的——冥王星岩石核心之中的放射性同位素髮生衰變，就有可能導致這樣的結果。即使沒有明顯的表面熱活動證據，探測器上攜帶的紅外相機也可以探測到其表面的熱點。至於冥王星的內部存在生命這一想法，儘管完全是猜測，不過由於液態水是我們所知的生命形式的必要組成部分，假如可以在冥王星內部發現液態水，至少這個猜測就變得更加靠譜。

「新地平線」號將花5個月時間，開展上述所有研究以及其他一些研究。在呼嘯著掠過這顆矮行星的那幾天，「新視野」號會開展最密集的觀測。不過，它需要花上大約16個月的時間，將數據穿越50億千米的浩渺太空，一點點地傳回地球。

與彗星共舞

「羅塞塔」號要花上差不多的時間來繞著67P彗星飛行。和「新地平線」號高速飛掠冥王星不同，「羅塞塔」號會與67P彗星在一起待上15個月。這讓它可以解答以下問題：67P彗星的精確化學組成及其內部結構等。這些問題的答案非常重要，有助於科學家弄清楚組成原初柯伊伯帶的氣體和塵埃的性質。目前，科學家對此的理解還十分粗淺，他們還沒有找到任何確鑿的證據來敲定任何一種假說，也沒法否定某一種假說。「羅塞塔」號的發現，將幫助研究人員第一次找到一個令人信服的理論。

當這顆彗星離太陽越來越近、逐漸蘇醒時，「羅塞塔」號和它的著陸器「菲萊」號，能夠第一時間目睹這一過程。「到了2015年的夏天，也就是彗星的活動達到最高峰時，每分鐘都有1 000千克的物質從彗核中拋射出來。我們的探測器將伴隨在彗星身旁，」這個項目的首席研究員、歐洲空間局的馬特·泰勒（Matt Taylor）說。研究人員現在還不清楚，這些拋射物質究竟來自彗星的整個表面，還是從某些局部熱點噴出。一年以後，這個問題將有答案。到那時，行星科學家將會理解彗星損失冰體並且消耗殆盡的原因和方式。

「羅塞塔」號也會回答一些與我們密切相關的問題。比如，地球上的水分從何而來？許多行星科學家相信，是太陽系早期的一場「彗星暴雨」把水送到了地球。「羅塞塔」號將檢測67P彗星上水分子的化學性質，並與地球上的水分子作比較，來驗證這個假說。早先，赫歇爾空間天文台（Herschel Space Observatory）就發現了一些證據，這些證據表明，一些彗星上的水分中，氫原子和氘原子（氫的一種較重的同位素）的比例和地球海洋中的相同。不過，「羅塞塔」號上的設備將會更細緻地觀測彗星的水分和其他物質，比如富含碳元素的有機成分，這些物質可能在生命起源中起到了一定的作用。

「羅塞塔」號和「菲萊」號著陸器也將一起回答另一個問題：彗星是一整塊大臟冰，還是許多小冰塊在自身引力下鬆散地粘合在一起？當「羅塞塔」號和「菲萊」號分處彗星兩側時，「羅塞塔」號將向「菲萊」發射一束無線電信號，這束信號將穿過彗星再被「菲萊」號反射回來，整個過程就像醫院做CT一樣。這一過程將第一次把彗星的內部結構展現給科學家。

不幸的是，67P彗星無法被肉眼看到，彗星和其他柯伊伯帶天體也是如此。我們需要藉助放大設備才能知道彗星在那裡。正因為如此，科學家直到最近才了解到柯伊伯帶的存在，並認識到在太陽系的結構和歷史上，柯伊伯帶可能起到了關鍵作用。

到2015年年底，得益於10年前發射的這兩艘探測器，我們將獲得前所未有的新見解與新知識。

（作者：邁克爾·D·勒莫尼克；翻譯：易疏序）

（本文由「科學美國人」中文版《環球科學》雜誌社授權發表，請勿轉載，原文寫於「羅塞塔」號抵達67P彗星之前）

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