柯伊伯帶質量缺失之謎

柯伊伯帶天體是太陽系中已知最遙遠的天體。現在的研究表明他們可能形成於更靠近太陽的地方。

自從1992年發現第一個柯伊伯帶天體以來，柯伊伯帶天體許多奇特的軌道和物理特性就展現在我們眼前。其中一個就是柯伊伯帶天體的總質量非常 得小——大約只有地球質量的1/10，而理論預期的值是觀測值的100多倍。為了解釋這些消失的質量，有人提出柯伊伯帶天體由於相互碰撞變成了塵埃，進而 在太陽輻射壓的作用下被驅逐出了太陽系的理論。在《自然》雜誌上，拉維森（Levison）和莫比戴利（Morbidelli）提出了另一種解釋。他 們認為柯伊伯帶天體原先形成於現在海王星軌道附近，後來才遷移到了現在的位置，而且原始的柯伊伯帶雲幾乎已經被清空，只留下了極少量的物質。

按照目前的理論，太陽系的行星形成於原始氣體塵埃盤中，由於吸積形成了行星。當然，從塵埃到行星的過程中還存在中間階段，例如星子階段。當盤 中某些區域的質量太小而無法形成行星的時候，這些星子就會保留到今天。這很有可能就是柯伊伯帶的成因，由於其較低的質量密度和位於如此遠的距離，吸積過程 在其中天體的大小還小於冥王星的時候就停止了。然而，與今天對柯伊伯帶總質量的估計不同，吸積理論要求在柯伊伯帶區域大約需要有10個地球質量的物質，才能形成今天我們觀測到的同等大小的柯伊伯帶天體。

柯伊伯帶質量缺失並不是唯一的謎題。由於離開太陽系中其他天體都比較遠，而且也沒有遭遇過大天體的強攝動，柯伊伯帶天體被認為應該擁有近圓而 且共面的軌道。但事實上，柯伊伯帶天體大多有著較大的軌道偏心率和軌道傾角。行星科學家正致力於搞清楚這些軌道的動力學激發機制。我的觀點是這些天體形成 於更靠近太陽的地方，由於原始海王星的向外遷移而引發的近距離引力交會使得這些天體被向外推到了現在的位置。其他的研究工作顯示，如果當初在現在海王星的 外部存在著更大的質量的話，那麼海王星將會遷移到比現在更遠的地方（進入柯伊伯帶區域）。

[圖片說明]：太陽系的膨脹。原始的、緊密的太陽系（左）被一個由小行星大小的星子所組成的盤所包圍著，它的範圍大約延伸到現在海王星軌道附近。 這個盤的引力最終到是了行星的遷移，在這個過程中除了木星之外其他大行星都向外發生了遷移。其結果是，絕大多數的星子都遭遇了與大行星的近距離引力交會， 被拋射出了太陽系。另外有一小部分則被推入了穩定的軌道，形成了今天的柯伊伯帶天體（右）。兩種截然不同卻又相互補充的引力相互作用導致了剩下的柯伊伯帶 天體的出現了高軌道傾角軌道和低軌道傾角軌道。

因此，謎題看上去已差不多被解決了。一方面，原始的星子盤會在海王星現在的位置附近被截斷，而且有足夠的質量來形成今天我們觀測到的同等大小 的柯伊伯帶天體；另一方面，通過與海王星的近距離引力交會產生高軌道傾角軌道，一些天體也會從星子盤的內部被轉移到柯伊伯帶中。但是這僅僅是一方面而不是 全部，在柯伊伯帶中高軌道傾角和低軌道傾角的幾乎一樣多，它們不太可能通過相同的機制被轉移到現在的位置。

拉維森和莫比戴利提出了一個解釋。它們的解釋基於另一個謎——柯伊伯帶在距離太陽48天文單位處有一個外邊界。在這一外邊界處柯伊伯帶天體的 軌道周期是海王星的2倍，形成了1:2的平運動共振。當海王星在原始太陽系中向外遷移時，它會從共振帶中帶出一部分的天體。這一機制會使得共振天體接近海 王星或者其他大行星，進而激發這些天體的軌道偏心率，在最終與木星的引力交會中，它們會被拋射出太陽系。

拉維森和莫比戴利認為1:2共振以內其他的長期共振會保持一些共振天體的低軌道偏心率和低軌道傾角。長期共振是一種強勢共振，會導致軌道偏心 率和軌道傾角的大幅度變化。按照拉維森和莫比戴利的數值模擬顯示，一小部分的共振天體會由於海王星向外遷移而脫離1:2共振，但由於長期共振會使得它們仍 然保持低軌道傾角。其他一些仍處於1:2共振帶的天體則組成了今天太陽系的邊界。

當然，這個解釋也帶來了新的問題。主要一個就是在截斷的盤中太陽系是如何形成的？對其他形成中的行星系統的觀測顯示它們都具有快速膨脹的盤。 難道太陽系是一個特例？先不管答案如何，另一個問題是，什麼原始使得形成中的行星系統出現了截斷？我相信，這些問題將會是未來幾年行星科學的焦點。

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