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柯伊伯带

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在柯伊伯带已知天体,数据从源自小行星中心。 在主带天体颜色为绿色,而分散的天体为橙色。四个外侧行星是蓝色的。Neptune's few known trojans are yellow, whereas Jupiter's are pink. The scattered objects between Jupiter's orbit and the Kuiper belt are known as centaurs. The scale is in astronomical units. The pronounced gap at the bottom is due to difficulties in detection against the background of the plane of the Milky Way.

柯伊伯带英语Kuiper belt),又稱作倫納德-柯伊伯带,另譯庫柏帶古柏带,是太陽系海王星軌道(距離太陽約30天文单位)外黃道面附近、天體密集的中空圓盤狀區域。[1]柯伊伯带的假說最先由愛爾蘭裔天文學家弗雷德里克·倫納德提出,十几年後杰拉德·柯伊伯发展了该观点。它类似于小行星带,但它是更大得多-更宽20倍和更重20至200倍。[2][3]如同小行星带,它主要包含小天体,或者太阳系形成的遗迹。虽然大多数小行星主要的岩石和金属构成的,大部分柯伊伯带物体在很大程度上冷冻挥发成分(称为“冰”),如甲烷组成。柯伊伯带至少有三个矮行星: 冥王星妊神星,和鸟神星。一些太阳系的卫星,如海王星的海卫一和土星的土卫九,也被认为起源于该区域。[4][5]

古柏带的位置處於距離太陽40至50天文单位低傾角的軌道上。該處過去一直被認為空無一物,是太陽系的盡頭所在。但事實上這裡滿佈着直徑從數公里到上千公里的冰封微行星。古柏带的起源跟確實結構目前未明,推測來自太陽原行星盤上的碎片。這些碎片相互吸引碰撞,但最後只組成了微行星帶而非行星

古柏带有时被误认为是太陽系的邊界,但太阳系还包括向外延伸两光年之远的奥尔特星云。柯伊伯带是短周期彗星的來源地,如哈雷彗星。冥王星自被發現以來,就有天文學家認為應該排除在太陽系的行星之外,而由於冥王星的大小和古柏带內大的小行星大小相近,20世紀末更有主張該歸入古柏带小行星的行列当中;而冥王星的卫星则應被當作是其伴星。2006年8月,国际天文学联合会將冥王星剔出行星類別,并和谷神星与新发现的阋神星一起归入新分类的矮行星

柯伊伯带不应该假设的奥尔特云混淆,奥尔特云是一千倍更遥远。柯伊伯带内的天体,连同离散盘的成员和任何潜在的奥尔特云天体被统称为海王星外天体(TNOs)。[6]

冥王星是在柯伊伯带中最大的成员,和第二大知名海王星外天体,而最大的阋神星离散盘

海王星外天體及類似天體

註:在海王星外的矮行星都屬於類冥矮行星

历史[编辑]

在1930年冥王星发现之后,很多推测认为它可能不只有一个天体。现在被称为柯伊伯带的区域是被以各种形式猜想了几十年。只是在1992年的第一个直接证据的存在后才被发现。在此之前的柯伊伯带性质猜测的数量和种类都导致谁是首先提出它的功劳的持续的不确定性。

猜想[编辑]

天文学家杰拉德·柯伊伯,柯伊伯带他的名字命名.

第一个提出在海王星之外有一个天体群体的存在是天文学家弗雷德里克·查爾斯·倫納德。这之后不久,克莱德·汤博由于1930年发现冥王星,伦纳德沉思它是否是“不太可能,冥王星是已经知道的第一个在超海王星系列的天体,而其余成员仍在等待被发现,但它们最终注定被待探测到”。就在同一年,天文学家Armin Otto Leuschner认为冥王星“可能是尚未被发现了许多长周期行星天体之一”。

1951年,在一篇文章中的天体物理学杂志,杰拉德·柯伊伯揣测早期太阳系的演化中类似的圆盘已经形成;然而,他并不认为这样的带依然存在至今。

发现[编辑]

冒纳凯阿火山顶部的望远镜阵列, 在这里“柯伊伯带”被发现。

1987年,天文学家大卫·朱维特,当时工作在麻省理工学院,对于“太阳系外围的明显空虚”越来越疑惑。[7]他鼓励当时的研究生刘丽杏,以帮助他在他的努力找到超越冥王星的轨道另一个天体,因为,他对她说,“如果我们不这样做,没有人会。”[8]使用的在亚利桑那州基特峰国家天文台和在智利托洛洛山美洲际天文台的望远镜,朱维特和刘丽杏以与克莱德·汤博查尔斯·科瓦尔几乎相同的方式进行自己的搜索,进行比较。[8]

最后,经过五年的搜索,于1992年8月30日,朱维特和刘丽杏宣布“发现候选的柯伊伯带天体”的小行星15760[7]半年后,他们在该区域发现第二个天体,(181708) 1993 FW[9]

命名[编辑]

起源[编辑]

外行星和古柏帶的摹擬:(a)木星和土星2:1共振之前,(b)在海王星軌道遷徙之後,古柏帶天體被散射至太陽系內(c)古柏帶天體被木星排斥之後。

古柏帶的複雜結構和精確的起源仍是不清楚的,因此天文學家在等待泛星計畫(Pan-STARRS)望遠鏡巡天的結果,那些應該會揭露更多目前不知道的古柏帶天體,並在測量後對它們有更多的了解。[2]

古柏帶被認為包含許多微行星,它們是來自環繞著太陽原行星盤碎片,它們因為未能成功的結合成行星,因而形成較小的天體,最大的直徑都小於3,000公里。

近代的計算機模擬顯示古柏帶受到木星海王星極大的影響,同時也認為即使是天王星海王星都不是在土星之外的原處形成的,因為只有少許的物質存在於這些地區,因此如此大的天體不太可能在該處形成。換言之,這些行星應該是在離木星較近的地區形成的,但在太陽系早期演化的期間被拋到了外面。1984年,胡利奧·安赫爾·費南德茲英语Julio Ángel Fernández葉永烜的研究認為與被拋射天體的角動量交換可以造成行星的遷徙[10][11]。終於,軌道的遷徙到達木星和土星形成2:1共振的確切位置:當木星繞太陽運轉兩圈,土星正好繞太陽一圈。引力如此的共振所產生的拉力,最終還是打亂了天王星和海王星的軌道,造成它們的位置交換而使海王星向外移動到原始的古柏帶,造成了暫時性的混亂[12]。當海王星向外遷徙時,它激發和散射了許多外海王星天體進入更高傾角和更大離心率的軌道[13]

然而,目前的模型仍然不能說明許多分布上的特徵,引述其中一篇科學論文的敘述[14]:這問題繼續挑戰分析技術和最快速的數值分析軟體和硬體

組織[编辑]

以最完整的範圍,包括遠離中心最外側的區域,古柏帶大約從30天文單位伸展到55天文單位。然而,一般認為主要的部份(參考下文)只是從39.5天文單位的2:3共振區域延展到48天文單位的1:2共振區域。古柏帶非常的薄,主要集中在黃道平面上下10度的範圍內,但還是有許多天體散佈在更寬廣數倍的空間內。總之,它不像帶狀而更像花托或甜甜圈(多福餅)[15]。而且,這意味著古柏帶對黃道平面有1.86度的傾斜[16]

半長軸為準的軌道分類。

由於存在著軌道共振海王星對古柏帶的結構產生了重大的作用。在與太陽系年齡比較的時標上,海王星的引力使在某些軌道上的天體不穩定,不是將她們送入內太陽系內,就是逐入離散盤或星際空間內。這在古柏帶內製造出一些與小行星帶內的柯克伍德空隙相似的空白區域。例如,在40至42天文單位的距離上,沒有天體能穩定的存在於這個區間內。無論何時,在這個區間內被觀測到的天體,都是最近才進入並且會被移出到其他的空間[17]

傳統的古柏帶[编辑]

大約在~42至~48天文單位,雖然海王星的引力影響已經是微不足道的,而且天體可以幾乎不受影響的存在著,這個區域就是所謂的傳統古柏帶,並且目前觀測到的古柏帶天體有三分之二在這兒[18][19]。因為近代第一個被發現的古柏帶天體是1992 QB1,因此它被當成這類天體的原型,在古柏帶天體的分類上稱為QB1天體[20][21]

傳統的古柏帶向來是兩種不同族群的綜合體,第一類是"dynamically cold"的族群,比較像行星:軌道接近圓形,軌道離心率小於0.1,相對於黃道的傾角低於10度(它們的軌道平面貼近黃道面,沒有太大的傾斜)。第二類是"dynamically hot"的族群,軌道有較大的傾斜(可以達到30度)。這兩類會有這樣的名稱主要並不是因為溫度上的差異,而是以微小的氣體做比喻,當它們變熱時,會增加它們的相對速度[22]。這兩種族群不僅是軌道不同,組成也不同,冷的族群在顏色比熱的紅,暗示它們在不同的環境形成。熱的族群相信是在靠近木星的地區形成,然後被氣體巨星拋出。而另一方面,冷的族群雖然也可能是海王星在向外遷徙時清掃出來的,但無論是較近或較遠,相信是在比較靠近目前所在的位置形成的[2][23]

共振[编辑]

QB1天體冥族小天體和鄰近散射天體的分布。

當一個天體的軌道週期與海王星有明確的比率時(這種情況稱為平均運動共振),如它們的相對基線是適當的,它們可能被鎖定在與海王星同步的運動,以避免受到攝動而使軌道變得不穩定。如果天體在這種正確的軌道上,在實例上,如海王星每繞太陽三週它便會繞行二週,則每當它回到原來的位置時,海王星總比它多運行了半條軌道的距離,因為這時海王星在軌道上繞行了1.5圈。這就是所謂的2:3(3:2)的軌道共振,這種軌道特徵的半長軸大約是39.4天文單位,而已知的2:3共振天體,包括冥王星和他的衛星在內,已經超過200個[24],而這個家族的成員統統歸類為冥族小天體。許多冥族小天體,包括冥王星,都會穿越過海王星的軌道,但因為共振的緣故,永遠不會與海王星碰撞。 其有一些,像是歐侉爾伊克西翁的大小,都已經大到可以列入類冥矮行星的等級[25][26]。冥族小天體有高的軌道離心率,因此它們當初原本應該不是在現在的位置上,而是因為海王星的軌道遷徙被轉換到這兒的[27]。1:2共振(每當海王星轉一圈,它才完成半圈)的軌道半長軸相當於47.7天文單位,但數量稀稀落落的[28],這個族群有時會被稱為twotino。較小的共振族群還有3:4、3:5、4:7和2:5.[29]。海王星也有特洛伊小行星,它們位於軌道前方和後方的L4L5的重力穩定點上。海王星特洛伊有時被稱為與海王星1:1共振。海王星特洛伊在它們的軌道上是穩定的,但與被海王星捕獲有所不同,它們被認為是沿著軌道上形成的[27]

另外,還沒有明確的理由可以解釋在半長軸小於39天文單位的距離內缺乏共振的天體。當前被接受的假說是在海王星遷徙時被驅離了,因為這個區域在遷移中是軌道不穩定的地區,因此在這兒的任何天體不是被掃清,就是被重力拋出去[30]

古柏斷崖[编辑]

圖示為古柏帶天體與太陽距離的數量關係。

1:2共振之外已知的數量非常少,看起來是個邊界,但還不能確定這是傳統古柏帶外側的邊界,還是只是一個寬闊的空隙。觀測到2:5共振的距離大約在55天文單位,被認為在傳統古柏帶之外;然而,預測上在傳統古柏帶與共振帶之間的大量天體尚未被觀測到[27]

早期的古柏帶模型認為在50天文單位之外的大天體數量應該增加二個數量級[31],因此,這突然的數目下降,被稱為"古柏斷崖",是完全未被預料到的,並且它的原因至今仍不清楚。伯恩斯坦和屈林(Trilling)等人發現直徑在100公里或更大的天體在50天文單位的距離上確實突然減少的證據,並不是觀測上造成的偏差。可能的解釋是在那個距離上的物質太缺乏或太分散,因此不能成長為較大的天體;或者是後續的過程摧毀了已經形成的天體[32]。日本神戶大學向井正帕特里克·莱卡维卡(Patryk Lykawka)則主張一個大小有如地球而尚未曾被看見的行星與此有關[33][34],並且可能在未來的10年內發現這個天體[35]

探测[编辑]

柯伊伯带天体—新视野号可能的研究目标。(艺术家的概念图)[36]

2006年1月19日,探索柯伊伯带任务的第一艘太空船新视野号被发射。任务是由美国西南研究院首席研究员艾伦·斯特恩英语Alan Stern所领导的一个团队提出。新视野号太空船将会在2015年7月14日会到冥王星,并在允许的情况下,将对另外的尚未确定的柯伊伯带天体继续研究。任何选择的柯伊伯带天体将是40和90公里(25至55英里)的直径,在理想情况下是白色或灰色,与冥王星的偏红颜色有对比。

2014年10月15日,NASA宣布发现一些柯伊伯带天体,可能会成为新视野号的研究目标。[36]

其他柯伊伯带[编辑]

围绕恒星HD 139664HD 53143岩屑盘 - 摄像头黑圈隐藏恒星圆盘显示。

到2006年,天文学家们已经解决了被认为是围绕除了太阳之外的九个星的柯伊伯带状结构尘埃盘。

相關條目[编辑]


參考資料[编辑]

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外部鏈結[编辑]