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柯伊伯带

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1、基本解释
2、详细解释

基本解释

   柯伊伯带是一种理论推测认为短周期彗星是来自离太阳50—500天文单位的一个环带。位于太阳系的尽头,其名称源于荷兰裔美籍天文学家柯伊伯(Kuiper)。

  全称为艾吉沃斯-柯伊伯带(英语:Edgeworth-Kuiper belt;EKB,一般简称作柯伊伯带,或译作古柏带、库柏带等)

详细解释



   柯伊伯带

  柯伊伯带位于太阳系的尽头,其名称源于荷兰裔美籍天文学家柯伊伯(Kuiper)。早在上世纪50年代,柯伊伯和埃吉沃斯(Edgeworth)就预言:在海王星轨道以外的太阳系边缘地带,充满了微小冰封的物体,它们是原始太阳星云的残留物,也是短周期彗星的来源地。

  1992年,人们找到了第一个柯伊伯带天体(KBO);如今已有约1000个柯伊伯带天体被发现,直径从数千米到上千公里不等。许多天文学家认为:由于冥王星的个头和柯伊伯带中的小行星大小相当,所以冥王星应该被排除在太阳系行星之外,而归入柯伊伯带小行星的行列当中;而冥王星的卫星则应被视作其伴星。不过,因冥王星是在柯伊伯带理论出现之前被发现的,所以传统上仍被认为是行星。无论如何,柯伊伯带的存在现已是公认的事实,但柯伊伯带为什么会存在等种种疑问成为太阳系形成理论的许多未解谜团的一部分。

  在距离太阳40~50个天文单位的位置,低倾角的轨道上,过去一直被认为是一片空虚,太阳系的尽头所在。但事实上这里满布着大大小小的冰封物体,热闹无比,就是柯伊伯带。柯伊伯带是现时我们所知的太阳系的边界,是太阳系大多数彗星的来源地。柯伊伯带上的这些物体是怎么成形的呢?如果按照行星形成的吸积理论来解释,那就是他们在绕日运动的过程中发生碰撞,互相吸引,最后粘附成一个个大小不一的天体,形成现在的样子。

  可是这个理论有个致命的问题!如果在柯伊伯带目前的位置,要形成直径上千公里的天体,那么柯伊伯带上物体的总质量至少要是地球质量的10倍以上。可是目前推估的柯伊伯带总质量,不过只有地球质量的十分之一。其他99%的质量,难道凭空消失了?

  为了解开这个谜团,几年来陆续有好几个理论出现,可惜它们都有一些明显的限制。如今,美国西南研究院(SwRI,Southwest Research Institute)的Harold Levison教授以及法国de la Cote d'Azur天文台的Alessandro Morbidelli教授共同提出了一个理论,认为柯伊伯带天体是在距离太阳更近的位置成形后,再被海王星一个个甩出去的,因此躲开了柯伊伯带总质量不足的问题。

  起源

  外行星和柯伊伯带的摹拟:(a)木星和土星2:1共振之前,(b)在海王星轨道迁徙之后,柯伊伯带天体被散射至太阳系内 (c)柯伊伯带天体被木星排斥之后。柯伊伯带的复杂结构和精确的起源仍是不清楚的,因此天文学家在等待泛星计划 (Pan-STARRS) 望远镜巡天的结果,那些应该会揭露更多目前不知道的柯伊伯带天体,并在测量后对它们有更多的了解。[1]

  柯伊伯带被认为包含许多微星,它们是来自环绕着太阳的原行星盘碎片,它们因为未能成功的结合成行星,因而形成较小的天体,最大的直径都小于3,000公里。

  近代的计算机模拟显示柯伊伯带受到木星和海王星极大的影响,同时也认为即使是天王星或海王星都不是在土星之外的原处形成的,因为只有少许的物质存在于这些地区,因此如此大的天体不太可能在该处形成。换言之,这些行星应该是在离木星较近的地区形成的,但在太阳系早期演化的期间被抛到了外面。1984年,费南德兹和艾皮的研究认为与被抛射天体的角动量交换可以造成行星的迁徙[2]。终于,轨道的迁徙到达木星和土星形成2:1共振的确切位置:当木星绕太阳运转两圈,土星正好绕太阳一圈。引力如此的共振所产生的拉力,最终还是打乱了天王星和海王星的轨道,造成它们的位置交换而使海王星向外移动到原始的柯伊伯带,造成了暂时性的混乱[3]。当海王星向外迁徙时,它激发和散射了许多外海王星天体进入更高倾角和更大离心率的轨道[4]。

  然而,目前的模型仍然不能说明许多分布上的特征,引述其中一篇科学论文的叙述[5]:这问题继续挑战分析技术和最快速的数值分析软件和硬件。

  组织

  以最完整的范围,包括远离中心最外侧的区域,柯伊伯带大约从30天文单位伸展到55天文单位。然而,一般认为主要的部份 (参考下文) 只是从39.5天文单位的2:3共振区域延展到48天文单位的1:2共振区域。柯伊伯带非常的薄,主要集中在黄道平面上下10度的范围内,但还是有许多天体散布在更宽广数倍的间内。总之,它不像带状而更像花托或甜甜圈 (多福饼) [6]。而且,这意味着柯伊伯带对黄道平面有1.86度的倾斜[7]。

  以半长轴为准的轨道分类。由于存在着轨道共振,海王星对柯伊伯带的结构产生了重大的作用。在与太阳系年龄比较的时标上,海王星的引力使在某些轨道上的天体不稳定,不是将她们送入内太阳系内,就是逐入离散盘或星际空间内。这在柯伊伯带内制造出一些与小行星带内的柯克伍德空隙相似的空白区域。例如,在40至42天文单位的距离上,没有天体能稳定的存在于这个区间内。无论何间,在这个区间内被观测到的天体,都是最近才进入并且会被移出到其他的空间[8]。

  传统的柯伊伯带

  主条目:传统柯伊伯带天体

  大约在 ~42至 ~48天文单位,虽然海王星的引力影响已经是微不足道的,而且天体可以几乎不受影响的存在着,这个区域就是所谓的传统柯伊伯带,并且目前观测到的柯伊伯带天体有三分之二在这儿[9][10]。因为近代第一个被发现的柯伊伯带天体是1992 QB1,因此它被当成这类天体的原型,在柯伊伯带天体的分类上称为类QB1天体 [11][12]。

  传统的柯伊伯带忾来是两种不同族群的综合体,第一类是"dynamically cold"的族群,比较像行星:轨道接近圆形,轨道离心率小于0.1,相对于黄道的轻脚低于10度 (它们的轨道平面贴近黄道面,没有太大的倾斜)。第二类是"dynamically hot"的族群,轨道有较大的倾斜 (可以达到30度) 。这两类会有这样的名称主要并不是因为温度上的差异,而是以微小的气体做比喻,当它们变热时,会增加它们的相对速度[13]。这两种族群不仅是轨道不同,组成也不同,冷的族群在颜色比热的红,暗示它们在不同的环境形成。热的族群相信是在靠近木星的地区形成,然后被气体巨星抛出。而另一方面,冷的族群虽然也可能是海王星在向外迁徙时清扫出来的,但无论是较近或较远,相信是在比较靠近目前所在的位置形成的[1][14]。

  共振

  主条目:共振外海王星天体

  类QB1天体、冥族小天体和邻近散射天体的分布。当一个天体的轨道周期与海王星有明确的比率时 (这种情况称为平均运动共振),如他它们的相对基线是适当的,它们可能被锁定在与海王星同步的运动,以避免受到摄动而使轨道变得不稳定。如果天体在这种正确的轨道上,在实例上,如海王星每绕太阳三周它便会绕行二周,则每当它回到原来的位置时,海王星总比它多运行了半条轨道的距离,因为这时海王星在轨道上绕行了1.5圈。这就是所谓的2:3 (3:2)的轨道共振,这种轨道特征的半长轴大约是39.4天文单位,而已知的2:3共振天体,包括冥王星和他的卫星在内,已经超过200个[15],而这个家族的成员统统归类为冥族小天体。许多冥族小天体,包括冥王星,都会穿越过海王星的轨道,但因为共振的缘故,永远不会与海王星碰撞。 其有一些,像是欧侉尔和伊克西翁的大小,都已经大到可以列入类冥矮行星的等级[16][17]。冥族小天体有高的轨道离心率,因此它们当初原本应该不是在现在的位置上,而是因为海王星的轨道迁徙被转换到这儿的[18]。1:2共振 (每当海王星转一圈,它才完成半圈) 的轨道半长轴相当于47.7天文单位,但数量稀稀落落的[19],这个族群有时会被称为twotino。较小的共振族群还有3:4、3:5、4:7和2:5.[20]。海王星也有特洛伊小行星,它们位于轨道前方和后方的L4和L5的重力稳定点上。海王星特洛依有时被称为与海王星1:1共振。海王星特洛依在它们的轨道上是稳定的,但与被海王星捕获有所不同,它们被认为是沿着轨道上形成的[18]。

  另外,还没有明确的理由可以解释在半长轴小于39天文单位的距离内缺乏共振的天体。当前被接受的假说是在海王星迁徙时被驱离了,因为这个区域在迁移中是轨道不稳定的地区,因此在这儿的任何天体不是被扫清,就是被重力抛出去[21]。

  柯伊伯断崖

  图示为柯伊伯带天体与太阳距离的数量关系。1:2共振之外已知的数量非常少,看起来是个边界,但还不能确定这是传统柯伊伯带外侧的边界,还是只是一个宽阔的空隙。观测到2:5共振的距离大约在55天文单位,被认为在传统柯伊伯带之外;然而,预测上在传统柯伊伯带与共振带之间的大量天体尚未被观测到[18]。

  早期的柯伊伯带模型认为在50天文单位之外的大天体数量应该增加二个数量级[22],因此,这突然的数目下降,被称为"柯伊伯断崖",是完全未被预料到的,并且它的原因至今仍不清楚。伯恩斯坦和屈林 (Trilling)等人发现直径在100公里或更大的天体在50天文单位的距离上确实突然减少的证据,并不是观测上造成的偏差。可能的解释是在那个距离上的物质太缺乏或太分散,因此不能成长为较大的天体;或者是后续的过程摧毁了已经形成的天体[23]。日本神户大学的向井正和Patryk Lykawka则主张一个大小有如地球,尚未曾被看见的行星,或许应该对这件事负责[24][25],并且可能在未来的10年内发现这个天体

  存在意义

  20年前,科学家就已经知道行星的轨道会漂移,特别是天王星与海王星,更是从成形之后就已经逐渐向外移动。Levison和Morbidelli提出的理论模型认为:太阳系原始星云有一个过去并不晓得的边界,大概就是现在海王星的位置,也就是距离太阳约30天文单位的地方。在这个范围内,各个行星、卫星、小行星、彗星以及现在柯伊伯带上的天体都有足够的质量得以碰撞吸积成形;而在这个范围以外,就是空无一物的太空。当这些大天体成形并逐渐向外移动的时候,柯伊伯带上的天体也被带着往外迁移。然后当海王星碰到太阳系原始星云的边界后,它不得不停下来,因此才会停留在现在的轨道上。至于这些柯伊伯带上的天体,就在海王星迁移的最后一个阶段,逐渐被甩出去而形成。

  国际天文学联合会大会投票5号决议,部分通过新的行星标准,冥王星被排除在行星行列之外,而将其列入“矮行星”。自此,九大行星已经成为历史,虽然教科书已经印刷的不做更改,但科学上已经为“八大行星”。

  国际天文学联合会第26届大会刚刚通过了行星新定义,根据决议,冥王星被从太阳系九大行星中“除名”后,为表示该含义建议将其中文译名改为冥神星,以体现低于天王星、海王星,而与谷神星、婚神星等同属矮行星的含义。

  相对于200多年前发现的谷神星和近30年前发现的卡戎,齐娜是一个完全陌生的新来者。2003UB313的编号表示科学家发现它时所依据的观测数据是2003年获得的。

  齐娜的公转轨道是个很扁的椭圆,它公转一周需要560年,离太阳最近的距离是38个天文单位(1天文单位为地球到太阳的距离,约1.5亿公里),最远时为97个天文单位。由于齐娜是如此遥远,哈勃望远镜给它拍到的最好照片,也只能显示出一个分辨率极低的白色光点。

  天文学家目前认为,齐娜的直径约2300公里至2500公里,只比冥王星略大。科学家说,齐娜的大气可能由甲烷和氮组成,现在它离太阳太远,大气都结成了冰;当它运动到近日点时,表面温度将有所升高,甲烷和氮会重新变成气态。至于其内部结构,现在还只能猜测,有可能是冰和岩石的混合物,与冥王星类似。

  齐娜有一颗卫星,科学家暂时称之为加布里埃尔,他是好战公主齐娜的随从。这些非正式的名字最终都将被正式名称取代。

  奥尔特云与柯伊伯带

  1950年,荷兰天文学家奥尔特(J.H.Oort)作了彗星轨道的统计研究,发现轨道半径为3万至10万天文单位的彗星数目很多,他推算那里有个大致球层状的彗星储库,有上千亿颗彗星。早在1932年欧匹克(E.Opiek)也曾提出过类似看法,因而这个彗星储库称为“奥尔特云”或“奥尔特一欧匹克云”,那里的彗星绕太阳公转的周期长达几百万年。按照近年的更仔细研究,奥尔特云中有上万亿至十万亿颗彗星。当然,这些遥远的彗星绝大多数尚不能直接观测到,只有在恒星的引力摄影动下或彗星相互碰撞时,有的彗星发生很大的轨道变化,当它沿扁长轨道进入内太阳系时,才成为“新”彗星被观测发现。

  1951年,美国天文学家柯伊伯(G.Kuiper)研究彗星性质与彗星形成,认为在太阳系原始星云很冷的外部区里的挥发物凝聚为冰体一彗星,当外行星在冰体群中长大时,外行星的引力弥散作用使一些彗星驱入奥尔特云,但是冥王星之外没有行星形成,他提出冥王星之外有个彗星带一即柯伊伯带,那里有很多彗星,它们的轨道近于圆形,轨道面对黄道面倾角不大。1964年,惠普尔(F.Whipple)等提出,冥外彗星带会引起外行星及彗星引力摄动,若此带在40天文单位处,则彗星总质量约为地球质量的80%;若在50天文单位处,则总质量为地球的1.3倍。1988年邓肯(M.Duncan)证明,柯伊伯带是短周期彗星的主要源,而奥尔特云不是它们的源区。

  柯伊伯带天体

  正如前面所述的,近年新发现的冥外天体1992QB1(Smiley)和1993FW应是柯伊伯带内边界区的彗星(尽管现在以小行星方式命名),而离太阳32至35天文单位的1993RO、1993RP、1993SB、1993SC可能是从柯伊伯带摄动出来、处在向短周期演变的天体。柯伊伯带从离太阳40天文单位外延到几百天文单位(其外界尚不知道),估计此带中的彗星有上万颗,它们是太阳系形成时期的原始冰体残留下来的,这些彗星保存着太阳系原始物质的信息。欧洲空间局将在2003年发射罗赛达(Rosetta)飞船会合由柯伊伯带来的短周期彗星,揭示彗星性质及太阳系形成的奥秘。

  在内太阳系有四颗所谓的类地行星,火星处于最外层。再往外是由气体和冰构成的超大行星。再往外,才是埋没在大群小行星和彗星之中的由冰和岩石构成的冥王星。

  50年前,一位名叫吉纳德·柯伊伯的科学家首先提出在海王星轨道外存在一个小行星带,其中的星体被称为KBO(Kuiper Belt Objects)。1992年,人类发现了第一个KBO;今天,我们知道KBO地带有大约10万颗直径超过100公里的星体。以后,天文学界就以纳德·柯伊伯名字命名此小行星带。

  柯伊伯带天体,是太阳系形成时遗留下来的一些团块。在45亿年前,有许多这样的团块在更接近太阳的地方绕着太阳转动,它们互相碰撞,有的就结合在一起,形成地球和其他类地行星,以及气体巨行星的固体核。在远离太阳的地方,那里的团块处在深度的冰冻之中,就一直原样保存了下来。柯伊伯带天体也许就是这样的一些遗留物,它们在太阳系刚开始形成的时候就已经在那里了。

  柯伊伯带是现时我们所知的太阳系的边界,是太阳系大多数彗星的来源地。有天文学家认为,由于冥王星的大小和柯伊伯带的小行星的大小相约,所以冥王星应该排除在九大行星之列,而归入柯伊伯带小行星的行列当中;而冥王星的卫星则应被当作是冥王星的伴星。

  在距离太阳 40~50个天文单位 的位置,低倾角的轨道上,过去一直被认为是一片空虚,太阳系的尽头所在。但事实上这里满布着径从数公里到上千公里的冰封物体,热闹无比,就是柯伊伯带。柯伊伯带上的这些物体是怎么成形的呢?如果按照行星形成的吸积理论来解释,那就是他们在绕日运动的过程中发生碰撞,互相吸引,最后黏附成一个个大小不一的天体,形成现在的样子。

  柯伊伯带是现时我们所知的太阳系的边界,是太阳系大多数彗星的来源地。有天文学家认为,由于冥王星的大小和柯伊伯带的小行星的大小相约,所以冥王星应该排除在太阳系的行星之外,而归入柯伊伯带小行星的行列当中;而冥王星的卫星则应被当作是其伴星。

  发现经过

  黄色点环为柯伊伯带1950 年代,柯伊伯 (Kuiper) 和 埃吉沃斯 (Edgeworth) 预测在海王星的轨道以外,充满了微小冰封的物体,他们是原始太阳系星云的残存物质,也是短周期彗星的来源地。1992 年,人们找到第一个柯伊伯带天体;如今大约有 1000 个柯伊伯带天体被发现的纪录,而且有许多天文学家认为,冥王星应该也是柯伊伯带的一份子,只是冥王星在柯伊伯带理论出现前就已经被发现,所以才被认为是行星。无论如何,柯伊伯带的存在已是公认的事实,但柯伊伯带为什么会存在等种种疑问却也成为太阳系形成理论的许多未解谜团。

  柯伊伯带之谜

  可是这个理论有个致命的问题:如果在柯伊伯带目前的位置,要形成直径上千公里的天体,那么柯伊伯带上物体的总质量至少要是地球质量的 10 倍以上,可是目前推估的柯伊伯带总质量,不过只有地球质量的十分之一,其他 99% 的质量,难道凭空消失了?

  为了解开这个谜团,几年来陆续有好几个理论出现,可惜它们都有一些明显的限制。如今,美国西南研究院 (SwRI,Southwest Research Institute) 的 Dr. Harold Levison 以及法国 de la Cote d'Azur 天文台的 Dr. Alessandro Morbidelli 共同提出了一个理论,认为柯伊伯带天体是在距离太阳更近的位置成形后,再被海王星一个个甩出去的,因此躲开了柯伊伯带总质量不足的问题。

  20 年前,科学家就已经知道行星的轨道会飘移,特别是天王星与海王星,更是从成形之后就已经逐渐向外移动。Levison 和 Morbidelli 提出的理论模型认为,太阳系原始星云有一个过去并不晓得的边界,大概就是现在海王星的位置,也就是距离太阳约 30AU 的地方。在这个范围内,各个行星、卫星、小行星、彗星以及现在柯伊伯带上的天体都有足够的质量得以碰撞吸积成形,而在这个范围以外,就是空无一物的太空。当这些大天体成形并逐渐向外移动的时候,柯伊伯带上的天体也被带着往外迁移,然后当海王星碰到太阳系原始星云的边界后,它不得不停下来,因此才会停留在现在的轨道上。至于这些柯伊伯带上的天体,就在海王星迁移的最后一个阶段,逐渐被甩出去而形成。