柯伊伯帶

柯伊伯帶

柯伊伯帶(柯伊伯帶)

柯伊伯帶是一種理論推測認(rèn)為短周期彗星是來自離太陽50—500天文單位的一個環(huán)帶。位于太陽系的盡頭，其名稱源于荷蘭裔美籍天文學(xué)家柯伊伯（Kuiper）。

杰拉德―柯伊伯（1905―1973），荷蘭裔美國天文學(xué)家，提出在太陽系邊緣存在一個由冰物質(zhì)運(yùn)行的帶狀區(qū)域，為了紀(jì)念柯伊伯的發(fā)現(xiàn)，這個區(qū)域被命名為“柯伊伯帶”。 姓名：杰拉德－柯伊伯 （Gerard Kuiper） 國籍：荷蘭裔美國人 出生日期：1905年12月7日 逝世日期：1973年12月24日

全稱為艾吉沃斯-柯伊伯帶（英語：Edgeworth-Kuiper belt；EKB，一般簡稱作柯伊伯帶，或譯作古柏帶、庫柏帶等） 黃色點環(huán)為柯伊伯帶（Kuiper Belt）。 柯伊伯帶位于太陽系的盡頭，早在上世紀(jì)50年代，柯伊伯和埃吉沃斯（Edgeworth）就預(yù)言：在海王星軌道以外的太陽系邊緣地帶，充滿了微小冰封的物體，它們是原始太陽星云的殘留物，也是短周期彗星的來源地。 1992年，人們找到了第一個柯伊伯帶天體（KBO）；如今已有約1000個柯伊伯帶天體被發(fā)現(xiàn)，直徑從數(shù)千米到上千公里不等。許多天文學(xué)家認(rèn)為：由于冥王星的個頭和柯伊伯帶中的小行星大小相當(dāng)，所以冥王星應(yīng)該被排除在太陽系行星之外，而歸入柯伊伯帶小行星的行列當(dāng)中；而冥王星的衛(wèi)星則應(yīng)被視作其伴星。不過，因冥王星是在柯伊伯帶理論出現(xiàn)之前被發(fā)現(xiàn)的，所以傳統(tǒng)上仍被認(rèn)為是行星。2006年，在布拉格召開的第26屆國際天文學(xué)聯(lián)合會(IAU)會議上通過決議，剝奪了冥王星作為太陽系大行星的地位，將其降為矮行星。無論如何，柯伊伯帶的存在現(xiàn)已是公認(rèn)的事實，但柯伊伯帶為什么會存在著種種疑問成為太陽系形成理論的許多未解謎團(tuán)的一部分。 在距離太陽40～50個天文單位的位置，低傾角的軌道上，過去一直被認(rèn)為是一片空虛，太陽系的盡頭所在。但事實上這里滿布著大大小小的冰封物體，熱鬧無比，就是柯伊伯帶。柯伊伯帶是現(xiàn)時我們所知的太陽系的邊界，是太陽系大多數(shù)彗星的來源地。柯伊伯帶上的這些物體是怎么成形的呢？如果按照行星形成的吸積理論來解釋，那就是他們在繞日運(yùn)動的過程中發(fā)生碰撞，互相吸引，最后粘附成一個個大小不一的天體，形成的樣子。 為解開這個謎團(tuán)，陸續(xù)有幾個理論出現(xiàn)，可惜它們都有些明顯限制。如今，美國西南研究院（SwRI，Southwest Research Institute）的Harold Levison教授以及法國de la Cote d'Azur天文臺的Alessandro Morbidelli教授共同提出了一個理論，認(rèn)為柯伊伯帶天體是在距離太陽更近位置成形后，又被海王星一個個甩出去的，所以躲開了柯伊伯帶總質(zhì)量不足的問題。

外行星和柯伊伯帶的模擬：(a)木星和土星2:1共振之前，(b)在海王星軌道遷徙之后，柯伊伯帶天體被散射至太陽系內(nèi) (c)柯伊伯帶天體被木星排斥之后。柯伊伯帶的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和精確的起源仍是不清楚的，因此天文學(xué)家在等待泛星計劃 (Pan-STARRS)望遠(yuǎn)鏡巡天的結(jié)果，那些應(yīng)該會揭露更多不知道的柯伊伯帶天體，并在測量后對它們有更多的了解。 柯伊伯帶被認(rèn)為包含許多微星，它們是來自環(huán)繞著太陽的原行星盤碎片，它們因為未能成功的結(jié)合成行星，因而形成較小的天體，最大的直徑都小于3,000公里。 近代的計算機(jī)模擬顯示柯伊伯帶受到木星和海王星極大的影響，同時也認(rèn)為即使是天王星或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(zhì)存在于這些地區(qū)，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(yīng)該是在離木星較近的地區(qū)形成的，但在太陽系早期演化的期間被拋到了外面。1984年，費(fèi)南德茲和艾皮的研究認(rèn)為與被拋射天體的角動量交換可以造成行星的遷徙。終于，軌道的遷徙到達(dá)木星和土星形成2:1共振的確切位置：當(dāng)木星繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)兩圈，土星正好繞太陽一圈。引力如此的共振所產(chǎn)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柯伊伯帶，造成了暫時性的混亂[3]。當(dāng)海王星向外遷徙時，它激發(fā)和散射了許多外海王星天體進(jìn)入更高傾角和更大離心率的軌道。 然而，模型仍然不能說明許多分布上的特征，引述其中一篇科學(xué)論文的敘述：這問題繼續(xù)挑戰(zhàn)分析技術(shù)和最快速的數(shù)值分析軟件和硬件。

以最完整的范圍，包括遠(yuǎn)離中心最外側(cè)的區(qū)域，柯伊伯帶大約從30天文單位伸展到55天文單位。然而，一般認(rèn)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(qū)域延展到48天文單位的1:2共振區(qū)域。柯伊伯帶非常的薄，主要集中在黃道平面上下10度的范圍內(nèi)，但還是有許多天體散布在更寬廣數(shù)倍的間內(nèi)�？傊�，它不像帶狀而更像花托或甜甜圈 (多福餅) 。而且，這意味著柯伊伯帶對黃道平面有1.86度的傾斜。 以半長軸為準(zhǔn)的軌道分類。由于存在著軌道共振，海王星對柯伊伯帶的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了重大的作用。在與太陽系年齡比較的時標(biāo)上，海王星的引力使在某些軌道上的天體不穩(wěn)定，不是將她們送入內(nèi)太陽系內(nèi)，就是逐入離散盤或星際空間內(nèi)。這在柯伊伯帶內(nèi)制造出一些與小行星帶內(nèi)的柯克伍德空隙相似的空白區(qū)域。例如，在40至42天文單位的距離上，沒有天體能穩(wěn)定的存在于這個區(qū)間內(nèi)。無論何間，在這個區(qū)間內(nèi)被觀測到的天體才進(jìn)入并且會被移出到其他的空間。 傳統(tǒng)的柯伊伯帶 主條目：傳統(tǒng)柯伊伯帶天體 大約在 ~42至 ~48天文單位，雖然海王星的引力影響已經(jīng)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(qū)域就是所謂的傳統(tǒng)柯伊伯帶，并且觀測到的柯伊伯帶天體有三分之二在這兒。因為近代第一個被發(fā)現(xiàn)的.柯伊伯帶天體是1992 QB1，因此它被當(dāng)成這類天體的原型，在柯伊伯帶天體的分類上稱為類QB1天體。 傳統(tǒng)的柯伊伯帶愾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，軌道離心率小于0.1，相對于黃道的傾角低于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(dá)到30度) 。這兩類會有這樣的名稱主要并不是因為溫度上的差異，而是以微小的氣體做比喻，當(dāng)它們變熱時，會增加它們的相對速度[13]。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(huán)境形成。熱的族群相信是在靠近木星的地區(qū)形成，然后被氣體巨星拋出。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(yuǎn)，相信是在比較靠近所在的位置形成的。 共振 主條目：共振外海王星天體 類QB1天體、冥族小天體和鄰近散射天體的分布。當(dāng)一個天體的軌道周期與海王星有明確的比率時 (這種情況稱為平均運(yùn)動共振)，如他它們的相對基線是適當(dāng)?shù)�，它們可能被鎖定在與海王星同步的運(yùn)動，以避免受到攝動而使軌道變得不穩(wěn)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周它便會繞行二周，則每當(dāng)它回到原來的位置時，海王星總比它多運(yùn)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，這種軌道特征的半長軸大約是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(wèi)星在內(nèi)，已經(jīng)超過200個[15]，而這個家族的成員統(tǒng)統(tǒng)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(yuǎn)不會與海王星碰撞。 其有一些，像是歐侉爾和伊克西翁的大小，都已經(jīng)大到可以列入類冥矮行星的等級[16][17]。冥族小天體有高的軌道離心率，因此它們當(dāng)初原本應(yīng)該不是在現(xiàn)的位置上，而是因為海王星的軌道遷徙被轉(zhuǎn)換到這兒的[18]。1:2共振 (每當(dāng)海王星轉(zhuǎn)一圈，它才完成半圈) 的軌道半長軸相當(dāng)于47.7天文單位，但數(shù)量稀稀落落的，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。海王星也有特洛伊小行星，它們位于軌道前方和后方的L4和L5的重力穩(wěn)定點上。海王星特洛依有時被稱為與海王星1:1共振。海王星特洛依在它們的軌道上是穩(wěn)定的，但與被海王星捕獲有所不同，它們被認(rèn)為是沿著軌道上形成的。 另外，還沒有明確的理由可以解釋在半長軸小于39天文單位的距離內(nèi)缺乏共振的天體。當(dāng)前被接受的假說是在海王星遷徙時被驅(qū)離了，因為這個區(qū)域在遷移中是軌道不穩(wěn)定的地區(qū)，因此在這兒的任何天體不是被掃清，就是被重力拋出去。 柯伊伯?dāng)嘌?圖示為柯伊伯帶天體與太陽距離的數(shù)量關(guān)系。1:2共振之外已知的數(shù)量非常少，看起來是個邊界，但還不能確定這是傳統(tǒng)柯伊伯帶外側(cè)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(rèn)為在傳統(tǒng)柯伊伯帶之外；然而，預(yù)測上在傳統(tǒng)柯伊伯帶與共振帶之間的大量天體尚未被觀測到。 早期的柯伊伯帶模型認(rèn)為在50天文單位之外的大天體數(shù)量應(yīng)該增加二個數(shù)量級，因此，這突然的數(shù)目下降，被稱為"柯伊伯?dāng)嘌?，是完全未被預(yù)料到的，并且它的原因至今仍不清楚。伯恩斯坦和屈林(Trilling)等人發(fā)現(xiàn)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(jù)，并不是觀測上造成的偏差�？赡艿慕忉屖窃谀莻�距離上的物質(zhì)太缺乏或太分散，因此不能成長為較大的天體；或者是后續(xù)的過程摧毀了已經(jīng)形成的天體。日本神戶大學(xué)的向井正和Patryk Lykawka則主張一個大小有如地球，尚未曾被看見的行星，或許應(yīng)該對這件事負(fù)責(zé)，并且可能在未來的10年內(nèi)發(fā)現(xiàn)這個天體

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