其實在這一帶隱藏著極多的彗星，很多彗星都出沒在這一帶。

柯伊伯帶質量缺失之謎

2017-07-31 15:44

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。

新視野」號抵達太陽系新大陸——柯伊伯帶

柯依伯帶——太陽系裡的新大陸

文/鄭永春

1492年10月11日，義大利航海家哥倫布帶領87名水手在水天茫茫的大西洋上漂流了兩個多月後，終於看見了海面上漂著的一根蘆葦。哥倫布和水手們欣喜萬分——這根蘆葦就是他們的救命稻草，說明不遠處就會有陸地。當天夜裡，他們就發現了火光和大片黝黑的陸地。

正如哥倫布抵達美洲新大陸時被那些從未看到過的場景深深震撼，今天，迄今為止飛得最快的航天器、人類發射的第一個冥王星探測器「新視野號」飛船，經過約9年的星際旅行，將首次抵達太陽系裡的新大陸——柯伊伯帶（Kuiper belt），開始探測冥王星、冥衛、以及它們所處的柯伊柏帶其他天體。那究竟是怎樣的一個區域呢？

說到太陽系，我們立即聯想到太陽和八大行星。實際上，隨著地面和空間天文觀測能力的提高，以及深空探測的進展，太陽系的邊界擴展已經到了奧爾特雲之外，與太陽的距離甚至達9.5萬億千米（1光年）左右。不僅觀測到的天體數量大大增加，而且天體類型也從行星、小行星和彗星，到增加矮行星的分類。對於關係人類生存延續的太陽系，我們的了解遠未清晰。

2014年歲末，各大影院正在熱播《星際穿越》，黑洞、白洞、蟲洞等天文學前沿概念被人們津津樂道，似乎人類將來有望通過蟲洞快速抵達太陽系外的宜居星球。但實際上，星際飛行理論還沒有突破性進展，深空探測在可以預見的將來還只能局限於對太陽系內天體的探測。

我們的太陽系包含三個主要區域，一區為內太陽系，包括水星、金星、地球和火星，稱為類地行星，均為岩石質天體；二區為外太陽系，包括木星、土星、天王星和海王星，稱為類木行星，均為氣液態巨行星。一區和二區之間以距離太陽2.3～3.3天文單位（1天文單位為日地平均距離，約等於1.5億千米）的小行星帶為界。三區為海王星以遠，包括距離太陽約30～50個天文單位的柯伊伯帶。在柯伊伯帶之外，距離太陽5～10萬天文單位還有一片由千億顆冰冷天體組成的奧爾特雲。

太陽繫結構

火星和木星軌道之間的小行星帶

2015年7月15日，人類第一個柯伊伯帶探測器——「新視野號」在這一天最接近冥王星，將飛越探測冥王星及其衛星、以及其它柯伊伯帶天體，對這些天體進行近距離觀測。冥王星的發現者湯博的一部分骨灰搭載在「新視野號」上，將親赴現場考察。

柯伊柏帶是1992年才發現的太陽系新大陸，雖然現在冥王星已從太陽系尊貴的九大行星之一降級為矮行星，卻陰差陽錯地成為了柯依伯帶中數千顆冰凍小天體的「領頭羊」。這些冰封在太陽系冷庫中的冰凍天體含有大量的水，非常不同於常見的八大行星和小行星，新視野號探測器的發現將直接改變我們對太陽系的已有認識。

作者簡介：

鄭永春 國家天文台月球與深空探測研究部、中國科學院月球與深空探測重點實驗室副研究員

首屆香江學者，中國科學院青年創新促進會優秀會員，國家科普專家

柯伊伯帶可能潛藏著太陽系神秘的十號行星

貝貝

8 個月前

文：娟娟

自從冥王星被從行星之列除名，降級為矮行星後，已經過去了11年。11年里，很多天文學家一直致力於在柯伊伯帶中尋找「九號行星（Planet 9）」。儘管目前為止人們還未真正觀測到「九號行星」，但是，最近一項新的研究卻指出，一個未知的、從未看到過的「行星質量的天體（planetary mass object）」很有可能潛伏在柯伊伯帶的某個地方。這個行星可能不同於「九號行星」，並且與太陽的距離也可能比「九號行星」要近的多。也就是說，太陽系有可能還存在著「十號行星」。

在距離太陽40--50個天文單位（簡寫為AU，1AU等於地球與太陽間的平均距離，約為9300萬英里）低傾角軌道上的地方，曾經一直被認為是太陽系的盡頭，一片空虛。事實上，那裡熱鬧無比，遍布著直徑從數千米到上千千米的冰封天體，這就是柯伊伯帶（Kuiper Belt）。美國天文學家吉納德 柯伊伯（G. Kuiper）在上個世紀提出，在海王星的軌道外存在一個小行星帶；人類在1992年發現了第一個位於該小行星帶的天體，後來天文學界就以柯伊伯的名字來命名這個小行星帶。

圖片：柯伊伯帶的計算機模擬圖 圖片來自：//imgarcade.com/kuiper-belt-pictures.html

柯伊伯帶中的天體被稱為KBO（Kuiper Belt Objects），如今人們大約發現了1000個KBOs，並且，天文學家估算在柯伊伯帶中，可能存在約10萬顆直徑超過100千米的天體。

柯伊伯帶是太陽系大多數彗星的來源地，是目前所知的太陽系的邊界。它位於海王星的軌道之外，延伸至數百天文單位的遠處。由於冥王星位於柯伊伯帶，其大小和柯伊伯帶小行星的大小相當，因此人們把它歸入了柯伊伯帶小行星的行列。只是由於冥王星在柯伊伯帶理論出現前就被發現了，因而曾被認為是第九大行星。

圖片：柯伊伯帶天體的計算機模擬圖 圖片來自：//imgarcade.com/kuiper-belt-pictures.html

回到「十號行星」的問題中來，最新的研究發表在《天文學期刊（Astronomical Journal）》上。在這篇論文中，來自亞利桑那大學的月球和行星實驗室（University of Arizona"s Lunar and Planetary Laboratory，簡寫為LPL）的Kat Volk和Renu Malhotra，提出了引入注目的證據，表明存在一個尚未被發現的行星天體，其質量介於火星和地球之間。

論文的作者們指出，目前這個神秘天體僅僅通過控制一大群柯伊伯帶天體的軌道平面（orbital planes）顯示其存在。他們研究了大約600個KBO的軌道傾斜情況，結果發現，儘管KBOs都以與八大行星不同的傾斜軌道圍繞太陽運行，但是根據他們的計算，這些特別的KBOs的軌道傾斜情況非常不尋常。他們推測一種未知的事物正在扭曲外太陽系（the outer solar system）的平均軌道平面（average orbital plane）。

研究者們認為，質量與火星相當的「十號行星」的引力牽引（gravitational tug）可能是造成這種不尋常的軌道平面的原因。

「被觀測的遙遠的KBOs集中在一個寬約30AU的環帶中，它們可能隨著時間的流逝受到行星質量天體的引力作用，」 Volk說，「因此，在這段距離上，假定一個行星的質量導致了我們觀測到的扭曲並非不合理。」

圖片：假設存在的十號行星軌道圖 Credit: Heather Roper/LPL

那麼，天文學家為何認為這個可能存在的天體是「十號行星」，而非一直在尋找的「九號行星」呢？

因為，基於天文學家的其他觀測，他們預測「九號行星」的質量更大，大約是地球質量的10倍，並且，它可能會更遠，大約在500—700AU的地方。那個距離太遠了，無法影響到這600個 KBOs，Volk 說，「肯定必須在100AU以內才會對那些KBOs產生實質影響。」當然，數據也不排除觀測到的扭曲可能是由不止一個行星質量物體造成的可能性。

那麼，為什麼到現在我們都還沒真正找到「九號行星」和「十號行星」的身影呢？根據Malhotra 和Volk的說法，很有可能是因為我們還沒有在整個天空中搜索遙遠太陽系內天體。他們認為，行星質量的天體最有可能出現的地方或許隱藏在銀道面（galactic plane）里，那個區域充滿密集的恆星，正是太陽系調查試圖避開的地方。

待到大型綜合巡天望遠鏡（Large Synoptic Survey Telescope，簡寫LSST）建成之後，人類瞥見這些神秘天體的機會或許很快就能到來。LSST預計在2020年投入使用，它將進行前所未有的對天空的實時調查，夜復一夜。

百度百科：

彗星雲

彗星從哪裡來，這是一個引人入勝的問題，也是一個令人困惑的問題。天文學家在研究彗星來源時，往往要對彗星軌道進行統計分析，看看它們在受大行星引力攝動前的軌道是什麼樣子，從中來尋找規律。1950年荷蘭天文學家奧爾特對41顆長周期彗星的原始軌道進行統計後認為，在冥王星軌道外面存在著一個碩大無比的「冰庫」，或者說是一個巨大的「雲團」。這個雲團一直延伸到離太陽約22億千米遠的地方。太陽系裡所有的彗星都來自這個雲團，因而人們把它稱為彗星雲或奧爾特雲。

如今一般把奧爾特雲的距離定在約15萬天文單位處，大體上是冥王星距離的4000倍。速度最快的光從那裡來到我們太陽系也要走上兩年多，因此這裡的彗星繞太陽一周要花很長的時間，只有當它們跑到離太陽幾億千米遠時，才能被人們看到。它們在軌道上的絕大部分時間都消磨在遠離太陽的地方。以池谷-關彗星為例，它在近日點附近速度為每秒500千米，僅用兩個小時就跑完了靠近太陽的半邊，但要跑完遠離太陽的那一邊，卻要花上1000多年。池谷-關彗星的周期還不算長，有些長周期彗星旅行一周要經過幾百萬年的漫長歲月。所以，儘管天文學家估算奧爾特彗星雲里可能有1000億顆彗星，而全世界每年發現的彗星平均只有五六顆。

由於彗星雲離太陽非常遙遠，在彗星雲的位置是看不到又大又圓的太陽的，太陽真的成了名副其實的「普通一星」，亮度比地球上看天狼星還暗一些。但彗星雲離其他恆星更是難以想像的遠，彗星雲得不到任何恆星的光和熱，所以像一座「冰山」。

彗星就來自這座冰山，這些冰山上的來客本身也是一座座大大小小的冰山，大的直徑超過10千米，比地球上的最高峰珠穆朗瑪峰還要壯觀，小的則只有幾十米。這一座座冰山都是由大量的冰物質和塵埃混合而成的。冰物質中除大部分是水冰之外，還有一氧化碳冰、二氧化碳冰（乾冰）、氨冰和甲烷冰等。因冰物質中混有大量的塵埃物質，所以冰山看上去是灰黑色的，而不像我們在電視中看到的南極冰山那樣晶瑩可愛。美國天文學家惠普爾給它們起了一個很形象的名字，叫「臟雪球」。

由於從太陽鄰近區域路過的恆星對原始彗星的擾動，質量小的彗星離開彗星雲，扭過頭來，或往太陽系外跑去，或朝太陽系內部飛奔。多數彗星在向太陽進發時是沿著雙曲線或拋物線軌道的，經過成千上萬年的長途跋涉，當它們離太陽越來越近時被人們用望遠鏡捕獲。一些彗星與大行星相遇時軌道受到攝動，變成橢圓形軌道，由非周期彗星變成新的周期彗星，開始在太陽系「安家落戶」。

1958年，美國一些天文學家認為在太陽系內還存在著另一個彗星倉庫，即所謂的「柯伊伯彗星帶」。這個環狀的彗星帶離海王星軌道不遠，估計帶內至少有幾千顆彗星。短周期彗星全部來自這個彗星庫。和奧爾特雲相比，這個彗星帶離地球要近多了。柯伊伯帶提出後，一些天文學家用大望遠鏡對這一區域作了分段觀測，但並沒有發現什麼。這有三種可能，第一種可能是柯伊伯帶里沒有預計那麼多的彗星，第二種可能是柯伊伯帶可能位於更遠的位置，第三種可能是根本不存在柯伊伯帶。

80年代末開始，美國天文學家戴維·朱維特和簡·魯經過5年的苦苦搜尋，終於在1992年9 月14日發現了第一個位於冥王星軌道外面的天體（簡稱冥外天體），命名為1992QB1，它和太陽的距離為41個天文單位。在1993年3月和12月，他們又接連發現了3個冥外天體，這3個天體與太陽的距離分別為46、32和35天文單位。同年，英國天文學家也在距太陽33和34天文單位處發現了兩個天體。截止到1997年底，天文學家已發現了56個冥外天體（包括冥王星）。

天文學家之所以把它們稱為天體，是因為還不能肯定它們是行星、小行星，還是彗星，但不管怎麼說，這也是天文學上的一項令人矚目的重要發現。

彗星的運動和內部結構，天文學家們還沒有完全搞清楚，因此，不論是奧爾特雲還是柯伊伯帶，都是彗星起源的一種假說，還沒有得到最後證實。天文學家比較一致的看法是，彗星從原始太陽星雲中形成的時期，基本上與太陽、行星形成的時期相同，彗星是太陽系創生過程中的一種天然副產品。

關於彗星起源的問題，可以說是眾說紛紜，到如今還沒有一個比較一致的意見。有一種意見認為，太陽系天體上的火山爆發把大量物質拋向空間，彗星就是由這些物質形成。這類觀點可以叫做「噴發說」。而另一種稱為「碰撞說」的觀點則認為，在很遙遠的年代，太陽系裡的某兩個天體互相碰撞，由此產生的大量碎塊物質，形成了太陽系中的彗星。這些假說都存在著一些難以解釋的問題，很難得到大多數天文學家的承認。

原雲假說

關於彗星起源的假說當中，被介紹得比較多而且得到相當一部分科學家讚賞的，那就是所謂的「原雲假說」。在對大量彗星軌道作統計研究的基礎上，原雲假說認為：長周期彗星橢圓軌道的遠日點很多都是在3萬－10萬天文單位之間，由此得出結論：在離太陽約15萬天文單位的太陽系邊緣地區，存在著一個被稱為「原雲」的物質集團，它像一個巨大的包層那樣、 彗星就是由其中的物質形成的。原雲往往被稱為「彗星雲」，又因為這個假說最早在20世紀50年代由荷蘭天文學家奧爾特提出來的，又被稱為「奧爾特雲」。奧爾特雲就像是彗星的主要「故鄉」。

據奧爾特估計，彗星雲這個包層中可能存在多達1000億顆彗星。這真是一個龐大無比的彗星「倉庫」啊！其中的每一顆彗星繞太陽一周都得上百萬年。它們主要是在附近恆星引力一些彗星受到木星等大行星引力的影響而變為周期彗星。另外的一些彗星可能被拋出太陽系外。

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