柯伊伯带冰冻世界的特写镜头揭示了太阳系的起源与演化

三十年前，天文学家得知冥王星有邻居

太阳系的柯伊伯带超出了海王星的轨道，是冥王星和大量其他冰冷天体的所在地。

1992 年夏天，在夏威夷的一座山顶上，一对科学家发现了一条穿过双鱼座的光点。这个不起眼的天体——位于海王星以外超过 10 亿公里——将改写我们对太阳系的理解。

与其说是一片空虚，不如说是某种东西，实际上是大量的东西，潜伏在已知行星的轨道之外。

科学家们发现了柯伊伯带，这是太阳系形成过程中遗留下来的一个甜甜圈状的冰冻物体带。

随着研究人员更多地了解柯伊伯带，我们太阳系的起源和演化正变得越来越清晰。柯伊伯带冰冻世界的特写镜头揭示了包括我们自己在内的行星最初是如何形成的。对该地区的调查，共同揭示了数千个这样的天体，称为柯伊伯带天体，表明早期的太阳系是弹球行星的家园。

启动这一切的不起眼的物体是一块直径大约 250 公里的冰和岩石。它于 30 年前的这个月首次被发现。

在 1980 年代后期，当时都在麻省理工学院工作的行星科学家大卫·杰维特和天文学家简·卢投入了几年的好奇探索。两人一直在亚利桑那州使用望远镜拍摄夜空的图像，并没有考虑特定的目标。“我们实际上只是盯着太空寻找东西，”现在在加州大学洛杉矶分校工作的 Jewitt 说。

一个明显的谜团激发了研究人员的兴趣：太阳系内部相对挤满了岩石行星、小行星和彗星，但除了小而冰冷的冥王星之外，除了气态巨行星之外似乎没有太多东西。“也许太阳系外有东西，”现在在奥斯陆大学和波士顿大学工作的 Luu 说。“这似乎是一件值得一试的事情。”

2000 年代初在檀香山展出的 David Jewitt 和 Jane Luu 发现了柯伊伯带。D. JEWITT/加州大学洛杉矶分校

Jewitt 和 Luu 仔细研究了夜空的玻璃照相底片和数字图像，寻找移动极慢的物体，这是它们与地球相距甚远的明显标志。但是这对一直空着。“几年过去了，我们什么也没看到，”Luu 说。“不能保证这会成功。”

潮流在 1992 年发生了变化。8 月 30 日晚上，Jewitt 和 Luu 在大岛使用夏威夷大学的望远镜。他们使用惯常的技术来寻找远处的物体：拍一张夜空的照片，等一个小时左右，再拍一张同一片天空的照片，然后重复。太阳系外围的物体会从一个图像到下一个图像的位置发生如此轻微的移动，这主要是因为地球在其轨道上的运动。“如果它是一个真实的物体，它会以某种预测的速度系统地移动，”Luu 说。

到当晚 9 点 14 分，Jewitt 和 Luu 已经收集了双鱼座同一位置的两张图像。研究人员在他们计算机的球状阴极射线管监视器上显示图像，一个接一个，并寻找任何移动的东西。一个物体立刻显露出来：一粒光点向西移动了一点点。

但现在庆祝还为时过早。来自穿越太空的高能粒子——宇宙射线——的杂散信号一直出现在夜空的图像中。研究人员知道，真正的测试将是这个斑点是否出现在两张以上的图像中。

Jewitt 和 Luu 紧张地等到晚上 11 点，望远镜的相机才完成第三张图像的拍摄。同样的物体在那里，它已经向西移动了一点。午夜过后收集的第四张图像显示该物体再次移动了位置。这是真实的，Jewitt 记得当时在想。“我们只是被震撼了。”

带圆圈的物体在天空中移动位置的方式（右侧的时间戳）告诉 Jewitt 和 Luu，这个被称为 1992 QB1 的物体很遥远。这是柯伊伯带冰区的第一个证据。D. JEWITT/加州大学洛杉矶分校

根据该物体的亮度和悠闲的步伐——从地球上看，它需要将近一个月的时间才能穿过满月的宽度——Jewitt 和 Luu 做了一些快速的计算。这东西，不管它是什么，直径大概有250公里左右。这是相当大的，大约是冥王星宽度的十分之一。它的轨道远远超出海王星。而且很可能，它并不孤单。

尽管杰维特和卢多年来一直在努力梳理夜空，但他们只观察到了其中的一小部分。两人总结说，可能还有成千上万得像这样的物体正在等待被发现。

杰维特说，外太阳系可能充满了未被发现的天体，这一认识令人震惊。“我们极大地扩展了太阳系的已知体积。” Jewitt 和 Luu 发现的物体，1992 QB1 ( SN: 9/26/92, p. 196 )，引入了一个全新的领域。

仅仅几个月后，Jewitt 和 Luu发现了第二个天体，该天体也在远离海王星的轨道运行（SN: 4/10/93, p. 231）。闸门很快就打开了。“我们在接下来的几年里发现了 40 或 50 个，”Jewitt 说。随着天文学家用来捕捉图像的数字探测器的尺寸和灵敏度不断提高，研究人员开始发现大量额外的物体。“很多有趣的世界都有有趣的故事，”加州理工学院研究柯伊伯带天体的天文学家迈克布朗说。

Jewitt 和 Luu 意识到，找到所有这些冰冻的世界，其中一些甚至在冥王星之外运行，在某些方面是有意义的。冥王星一直是个怪人。它是一个宇宙小矮星（比地球的月球还小），看起来一点也不像它的气态巨行星邻居。更重要的是，它的轨道使它远远高于和低于其他行星的轨道。也许冥王星不属于行星世界，而是属于任何超越的领域，Jewitt 和 Luu 假设。“我们突然明白为什么冥王星是一颗如此奇怪的行星，”杰维特说。“这只是我们偶然发现的一组尸体中的一个，也许是最大的一个。”

两人预测，冥王星可能不会再长时间成为行星俱乐部的成员了。1992 年 QB1 的发现让世界看到了柯伊伯带，柯伊伯带以荷兰裔美国天文学家杰拉德柯伊伯命名。然而，在历史的转折中，柯伊伯预测这个空间区域将是空的。在 1950 年代，他提出任何可能曾经存在于那里的居住者都将被重力驱逐到太阳系更远的地方。

换句话说，柯伊伯反预测了柯伊伯带的存在。结果他错了。

今天，研究人员知道柯伊伯带从距太阳大约 30 个天文单位的距离（围绕海王星的轨道）延伸到大约 55 个天文单位。Jewitt 说，它类似于一个膨胀的磁盘。“从表面上看，它看起来像一个胖甜甜圈。”

柯伊伯带上的冰冻天体是产生太阳和行星的气体和尘埃漩涡的残余。科罗拉多大学博尔德分校的天文学家梅雷迪思·麦格雷戈说，“有很多遗留下来的东西并没有完全形成行星”。当其中一个宇宙残骸被海王星等行星的引力推入太阳系内部并接近太阳时，它会变成我们认为是彗星的物体（SN：2020 年 9 月 12 日，第 14 页） . 每 200 年或更长时间才绕太阳一周的彗星通常来自太阳系更遥远的冰体库，即奥尔特云。

太阳系中有许多冰体聚集的地方：大致位于木星和火星之间的小行星带（上）、气态巨行星之外的环形柯伊伯带（中）和最远的区域，奥尔特云（下） ）。马克加利克/科学资源

用科学术语来说，柯伊伯带是一个碎片盘（SN Online：7/28/21）。科学家们发现，遥远的太阳系也包含碎片盘。“它们绝对直接类似于我们的柯伊伯带，”麦格雷戈说。

2015 年，当 NASA 的新视野号宇宙飞船飞越冥王星时，科学家们首次近距离观察了柯伊伯带天体（SN Online：2015年 7 月 15 日）。新视野号在接下来的几年里返回的照片比之前对冥王星及其卫星的观测要详细数千倍。不再只是几个模糊的像素，世界被揭示为喷冰的火山和深邃的锯齿状峡谷的丰富景观（SN：2019 年 6 月 22 日，第 12 页；SN 在线：2018年 7 月 13 日）。“我对我们在冥王星取得的成就感到非常欣喜若狂，”位于科罗拉多州博尔德的西南研究所的天文学家、新视野号团队的成员马克·布伊 (Marc Buie) 说。“情况再好不过了。”

但新视野的柯伊伯带并没有结束。在 2019 年元旦，当宇宙飞船在冥王星轨道之外将近 15 亿公里时，它飞过另一个柯伊伯带天体。这真是一个惊喜。Arrokoth——它的名字指的是波瓦坦语/阿尔冈昆语中的“天空” ——看起来像一对在臀部连接的薄煎饼（SN: 12/21/19 & 1/4/20, p. 5 ; SN: 3/16 /19，第 15 页）。从头到尾大约有 35 公里长，大概曾经是两个独立的物体轻轻碰撞并卡住。Arrokoth 的奇异结构揭示了天文学中的一个基本问题：气体和尘埃如何聚集在一起并长成更大的物体？

一个长期存在的理论，称为小行星吸积，认为是一系列碰撞造成的。维多利亚大学和加拿大国家研究委员会的天文学家 JJ Kavelaars 说，微小的物质不断碰撞并粘在一起，形成越来越大的物体。但有一个问题，Kavelaars 说。

2019 年，新视野号飞过大约 35 公里长的柯伊伯带天体 Arrokoth（上图）。NASA、JHU-APL、SWRI

当物体变得足够大以施加巨大的引力时，它们会在彼此接近时加速。“他们打得太快了，而且他们没有粘在一起，”他说。对于像 Arrokoth 这样的大型物体，尤其是具有双叶结构的大型物体，由一系列碰撞形成是不寻常的。

研究人员现在认为，更有可能的是，Arrokoth 诞生于一个称为引力不稳定性的过程。在这种情况下，一团恰好比周围密度更大的物质通过吸入气体和尘埃而生长。这个过程可以在数千年的时间尺度上形成行星，而不是小行星吸积所需的数百万年。“行星形成的时间尺度完全改变了，”Kavelaars 说。

如果 Arrokoth 以这种方式形成，那么太阳系中的其他天体可能也是如此。2014 年发现 Arrokoth 的 Buie 说，这可能意味着太阳系的某些部分形成的速度比以前认为的要快得多。“Arrokoth 已经改写了关于太阳系形成如何运作的教科书。”

到目前为止，他们所看到的让科学家们更加渴望近距离研究另一个柯伊伯带天体。新视野号仍在穿越柯伊伯带，但确定新天体并安排会合的时间已经不多了。目前距离太阳 53 个天文单位的航天器正在接近柯伊伯带的外缘。几支天文学家团队正在世界各地使用望远镜寻找新的柯伊伯带天体，这些天体将接近新视野号。“我们肯定在寻找，”布伊说。“我们最想飞越另一个物体。”

所有人的目光都集中在柯伊伯带上

天文学家还通过使用地球上一些最大的望远镜对柯伊伯带进行调查，从而获得了柯伊伯带的广角视图。在莫纳克亚山上的加拿大-法国-夏威夷望远镜——Jewitt 和 Luu 发现 1992 QB1 的同一山顶——天文学家最近完成了外太阳系起源调查。它记录了 800 多个以前未知的柯伊伯带天体，使已知总数达到大约 3,000 个。

位于夏威夷大岛莫纳克亚山顶附近的加拿大-法国-夏威夷望远镜已经揭示了数百个柯伊伯带天体。戈登·W·迈尔斯/维基共享资源 (CC BY-SA 4.0)

MacGregor 说，这项编目工作揭示了这些天体如何围绕太阳移动的诱人模式。柯伊伯带天体的轨道不是均匀分布，而是倾向于在空间中聚集。她说，这是这些天体过去曾受​到过引力推动的一个明显迹象。

大多数天文学家认为，造成这种影响的宇宙恶霸正是太阳系的气态巨行星。在 2000 年代中期，科学家们首次提出，像海王星和土星这样的行星可能在太阳系历史的早期就朝着和远离太阳弹球运动（ SN: 5/5/12, p. 24）。麦格雷戈说，这种运动解释了许多柯伊伯带天体惊人相似的轨道。“巨大的行星搅动了太阳系外部的所有物质。”

北爱尔兰贝尔法斯特女王大学的天文学家梅格施瓦姆说，要完善太阳系的早期历史，就需要观察更多的柯伊伯带天体。研究人员预计，一项定于明年开始的新天文调查将发现大约 40,000 个柯伊伯带天体。正在智利中北部建造的Vera C. Rubin 天文台将使用其 3,200 兆像素的相机每隔几个晚上重复拍摄整个南半球的天空，为期 10 年。LSST 太阳系科学合作组织的联合主席施瓦姆说，这项工作，即空间和时间的遗产调查，或 LSST，将彻底改变我们对早期太阳系如何演化的理解。

智利的 Vera C. Rubin 天文台预计将通过其 8.4 米的镜子和世界上最大的数码相机发现约 40,000 个柯伊伯带天体。鲁宾天文台/NSF 和 AURA

Jewitt 说，想想我们接下来可能从柯伊伯带学到什么是令人兴奋的。他说，在很大程度上，由于技术的进步，未来的发现将成为可能。“使用现代测量相机拍摄的一张照片大约是 1992 年我们设置的一千张照片。”

但即使我们发现更多关于太阳系这个遥远领域的信息，也应该始终保持敬畏之心，Jewitt 说。“这是我们迄今为止观测到的太阳系中最大的一块。”