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阅读 6379 次 历史版本 3个 创建者:又是一年芳草绿 (2009/12/25 14:56:55)  最新编辑:又是一年芳草绿 (2010/2/22 23:44:08)
柯伊伯带
拼音:kē yī bó dài
英文:Kuiper Belt
  柯伊伯带(英语:Kuiper belt,也称作“艾吉沃斯-柯伊伯带”,或译作“库柏带”),是太阳系海王星轨道(距离太阳约30天文单位)外侧的黄道面附近、天体密集的中空圆盘状区域。柯伊伯带的假说最初是由爱尔兰裔天文学家艾吉沃斯提出,并在十年后再由另一位天文学家柯伊伯再度独立提出。
右上图中,海王星外围的粉蓝色的环状小点为柯伊伯带(点击放大)

  柯伊伯带的位置处于距离太阳40至50天文单位低倾角的轨道上。该处过去一直被认为空无一物,是太阳系的尽头所在。但事实上这里热闹无比,满布着直径从数公里到上千公里的冰封物体。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。自冥王星被发现就有天文学家认为冥王星应该排除在太阳系的行星之外,而由于冥王星的大小和柯伊伯带内大的小行星大小相近,20世纪末更有主张该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。在2006年8月的国际天文学联合会已经将冥王星、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”得名自荷兰裔科学家柯伊伯,他曾经在1951年提出,在海王星轨道之外太阳系边缘地带的某个区域,可能还存在着一群类似彗星的天体。“柯伊伯带”的存在直到20世纪90年代才得到证实。它的分布区域与冥王星的公转轨道区域部分重叠,但冥王星与其卫星冥卫一并不被归在“柯伊伯带”天体之内。

  天文学家早先认为,“柯伊伯带”所包含的大量天体体积可能普遍较小。但近年来不少观测显示,这片区域中也许存在体积接近行星的更大天体。2002年,科学家发现一颗直径约为1250公里的天体———“夸欧尔”,它是当时已知的“柯伊伯带”中最大天体。

起源


  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。
艺术想象图:柯伊伯带以及假说存在于更远的奥尔特云

  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。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。

奥尔特云与柯伊伯带

 
图示为柯伊伯带天体与太阳距离的数量关系
  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


  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,柯伊伯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。

科学家提出柯伊伯带中双星系统的形成机制 

 
  在太阳系边缘一个被称为柯伊伯带的区域里,存在有大量冰和构成岩石的天体,其中由大小相似的天体构成的双星系统相当多。美国科学家已建立了两个模型,并对这些双星系统的起源提出了新的解释。

    柯伊伯带位于海王星轨道以外,其存在由荷兰天文学家柯伊伯于1951年预言,1992年得到验证。据推测,柯伊伯带中直径在100公里以上的天体要超过10万个;目前已经发现了600多个,冥王星和它的卫星冥卫一是其中体积最大的。除了冥王星-冥卫一系统外,从2001年起,科学家陆续在柯伊伯带中发现了7个双星系统。这些系统的共同特点是:两个天体大小相似,互相围绕着运动,但距离非常遥远,通常是较大天体半径的数十倍,甚至数千倍之多。

    火星和木星之间的小行星带也存在一些双星系统,科学家认为那是由天体之间撞击、裂解、残骸重新积聚形成的。但柯伊伯带中双星系统太多,两天体间距也普遍太远,很难用撞击机制来解释。美国加州理工学院的科学家提出,这些双星系统应当是引力将两个原本不相关的天体约束在一起而形成的。

    科学家在12日出版的英国《自然》杂志上报告了他们对有关形成过程的两种推测。他们说,两个天体如果靠得太近,可导致它们之间的引力超过太阳引潮力而使它们分开的趋向,就会暂时形成一个双星系统。此后,这个系统有可能由于不断地与许多小天体靠近而损失能量,这种过程称为“动态摩擦”。但是,如果附近有一个质量较大的天体,其引力作用也有可能使双星系统损失能量。能量损失可以使双星系统稳定下来。

    模拟表明,上述两种机制都可以对柯伊伯带中双星系统的形成作出较为合理的解释,其中“动态摩擦”机制要更好一些。科学家根据模型估计,柯伊伯带中有5%的天体是类似的双星系统,这与人们目前的观测结果相差不大。随着更多柯伊伯带天体被发现,这两种假说可以得到更严格的检验。由于人们认为柯伊伯带中的物质是太阳系形成早期剩下的,研究其中天体的性质将有助于了解太阳系的形成和演化史。


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