什么是柯伊伯带？

　　在远离太阳温暖的太阳系边缘，有一个由数百万甚至数万亿个冰体组成的巨大环，被称为柯伊伯带。(Image credit: StockGood via Getty Images)

　　据美国太空网（By Robert Lea）：柯伊伯带是一个寒冷的环形冰状物体区域，它围绕着太阳系外围的海王星轨道运行。

　　根据美国宇航局的说法，它类似于在火星和木星之间发现的主要小行星带，因为它的物体由大约46亿年前太阳系形成时留下的物质组成。

　　根据九大行星的说法，柯伊伯带比主要的小行星带要大得多，宽度高达20倍，质量是它的20到100倍。

　　像主小行星带一样，柯伊伯带也是由一颗巨行星的轨道形成的。虽然气态巨行星木星构建了主要小行星带的结构，但正是海王星的轨道阻止了物质聚结成一颗大行星，从而形成了柯伊伯带的薄圆盘。

　　人类才刚刚开始探索柯伊伯带，到目前为止只有两艘宇宙飞船到过那里。1983年，美国国家航空航天局的先锋10号宇宙飞船访问了柯伊伯带地区，它穿越了柯伊伯带，但没有访问它的任何世界。紧随其后的是新视野号宇宙飞船，它在离开地球十年后，于2015年对冥王星及其同伴冥卫一进行了调查。航天器继续访问柯伊伯带的其他物体，包括冰冷的“太空雪人”Arrokoth。

　　美国宇航局写道:“柯伊伯带确实是太空中的一个前沿——这是一个我们刚刚开始探索的地方，我们的理解仍在不断发展。”

　　柯伊伯带天体Arrokoth的合成图像。(Image credit: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute/Roman Tkachenko)

　　专家解答的柯伊伯带常见问题

　　Samatha Lawler博士是美国里贾纳大学的天文学家，研究太阳系边缘的天体。

　　萨马塔·劳勒天文学家

　　Samatha Lawler博士是美国里贾纳大学的天文学家，研究太阳系边缘的天体。

　　我们向美国天文学家Samatha Lawler博士询问了几个关于柯伊伯带和太阳系边缘物体的问题。

　　什么是柯伊伯带？

　　柯伊伯带是一群围绕太阳运行的比海王星更远的小型冰体。它非常类似于小行星带，但更冷，离太阳更远。

　　在柯伊伯带发现了什么样的物体？

　　柯伊伯带中的冰冷天体被称为“柯伊伯带天体”(我知道，有创意)，简称KBOs。冥王星是最着名的KBO，它被降级为行星的原因之一是已经发现数以千计的其他kbo在同一区域运行。只有冥王星和另一个KBO阿罗科思曾经有过太空探测器拍摄的特写照片。冥王星于2015年由新视野号探测器访问，2019年由Arrokoth号探测器访问。冥王星很圆，由水冰山和氮冰冰川构成，有5个卫星。Arrokoth直径只有18英里(30公里)，非常红，形状像一个雪人。所有其他的kbo都只是使用望远镜进行了研究，即使是地球上和轨道上最好的望远镜也仍然将它们视为点，因此我们对它们的形状和颜色的了解不像冥王星和阿罗克思那么多。

　　是什么让这些柯伊伯带天体变得有趣？

　　据我们所知，有数以千计的行星，可能有数十万颗直径超过62英里(100公里)的行星，等待着天文学家去发现和测量。它们中的每一个都是在太阳系的某个地方形成的行星物质的一点残余，并通过行星甚至银河系的轻轻推动被放置在当前的轨道上。

　　关于太阳系，柯伊伯带能告诉我们什么？

　　通过仔细测量轨道和关于组成的信息，我们可以了解太阳系中的一切是在哪里形成的，以及它可能是如何重组的。对柯伊伯带的研究告诉我们，海王星在比现在更靠近太阳的地方形成，并且它向外迁移。计算机模拟显示，我们今天看到的kbo是在海王星移动时被推到那些轨道上的。

　　自从你开始研究柯伊伯带以来，最令人惊讶的发现是什么？

　　看到Arrokoth的形状完全让我震惊。我想可以肯定地说，没有人期望它是雪人形状的。但是，仅仅知道一个雪人形状的物体存在就意味着我们需要一种方法来形成它，许多天文学家已经在计算机模拟上复制了这种形状，这告诉我们更多关于行星形成的详细步骤。

　　柯伊伯带在哪里？

　　柯伊伯带和奥尔特云是太阳系中两个主要的彗星库。(图片来源:欧空局)

　　美国宇航局表示，甜甜圈形状的柯伊伯带的内缘始于海王星轨道，距离太阳约28亿英里(48亿公里)，其主要天体集中在距离恒星约46亿英里(74亿公里)处。

　　天文学家通常以“天文单位”(AU)来测量太阳系内像这样的巨大距离，1 AU相当于大约9300万英里，这是地球和太阳之间的平均距离。

　　这使得柯伊伯带的内部距离太阳30天文单位，其主要区域的末端距离太阳50天文单位。柯伊伯带中还有另一个更无序的区域，称为“分散的圆盘”，它一直延伸到距离太阳系中心恒星约1,000 AU处。这些距离意味着柯伊伯带是太阳系中最大的结构之一。

　　然而，柯伊伯带可能不是太阳系中最远的冰体带。科学家们假设，比柯伊伯带更远的地方是一个叫做奥尔特云的天体集合，它经常与柯伊伯带混淆。

　　虽然短周期物体被认为来自柯伊伯带，但根据美国宇航局(在新标签中打开)的说法，奥尔特云被认为是长周期彗星的来源，这些彗星需要超过200年才能绕太阳一周。

　　奥尔特的内边缘被认为距离太阳2000到5000天文单位，而外边缘可能距离我们的恒星10000甚至100000天文单位，美国宇航局说(在新标签中打开)是太阳和最近的邻近恒星之间的四分之一到一半。

　　柯伊伯带显示在海王星轨道之外。它的居民之一是厄里斯，在一个高度倾斜的椭圆形轨道上。(图片来源:NASA)

　　谁发现了柯伊伯带？

　　柯伊伯带是以荷兰天文学家杰拉德·柯伊伯(1905-1973)的名字命名的，他在1951年提出海王星之外存在一个盘状的冰状物体区域，彗星就是从那里起源的。

　　在柯伊伯的工作之前，第一个被发现的柯伊伯带居民是由克莱德·汤博于1930年2月在洛厄尔天文台发现的冥王星。这意味着天文学家在知道柯伊伯带之前很久就已经发现了它，尽管发现冥王星确实导致了对海王星之外存在其他物体的猜测。

　　1943年，爱尔兰天文学家肯尼斯·埃奇沃斯发表了一篇论文，认为太阳系天体及其分布不受冥王星轨道的限制，这可以被视为柯伊伯带概念的起源。尽管8年后，柯伊伯提出了一个更有力的例子来支持这一观点，但许多天文学家称这条冰带为“埃奇沃斯-柯伊伯”,以此作为参考。

　　确认柯伊伯带的存在还要再等40年。根据约翰·霍普斯金大学应用物理实验室的说法，1992年，夏威夷大学的研究人员戴夫·朱伊特和刘丽杏发现海王星之外有一个小天体围绕太阳运行。

　　这个物体，第一个“经典TNO(外海王星物体)”，最终被命名为1992QB1，并引发了数千个柯伊伯带物体(kbo)的发现。美国宇航局指出，自从发现1992QB1以来，天文学家已经发现了2000多个kbo。

　　花了这么长时间才发现柯伊伯带天体的原因是它们太小太远了。

　　分类柯伊伯带物体

　　约翰·霍普斯金大学应用物理实验室称柯伊伯带天体分类如下:

　　冷经典kbo(柯伊伯带物体)

　　冷不是指温度，而是指圆形不倾斜轨道。这些物体位于距离太阳42至48天文单位和3天文单位之间的一个6天文单位宽的带中。

　　这些kbo往往很小，直径不超过500英里。它们的颜色也比其他kbo更红。

　　“经典”一词指的是这些物体属于柯伊伯所说的那种类型。

　　这些很可能由构成柯伊伯带的原始物质组成，不受行星轨道的干扰。

　　热门古典KBOs

　　“热”是指这些kbo具有非圆形和倾斜的轨道。

　　这意味着这些物体虽然通常位于离太阳相似的距离，但在它们的轨道上，冷的经典kbo可以离太阳更远。

　　它们的大小和颜色各不相同，比冷古典的更灰，也更大。它们被发现在大约12 AU厚的带中。

　　共振KBOs

　　这些kbo被锁定在与海王星的共振舞蹈中。冰巨人每绕太阳3圈，3:2共振子就绕太阳2圈。

　　②；1共振子，有时被称为“小冥王星”，因为矮行星是这一组中的一员，每两个海王星轨道中就有一个共振子。

　　分散的kbo

　　这些kbo拥有不稳定的轨道，可能是因为它们离海王星太近，冰巨人的引力使它们偏离了轨道。

　　这些混乱的轨道可以把这些天体带到离太阳100 AU远的地方，比海王星离太阳最近的地方还要近。

　　极端TNOs(外海王星物体)

　　一个非常新的分组，这个类别只有少数成员。这些物体最终可能会被发现根本不是柯伊伯带的一部分，因为它们可以远离太阳1000天文单位。

　　柯伊伯带的着名居民

　　柯伊伯带是数百万岩石和冰天体的家园，这些天体被称为柯伊伯带天体(kbo)或外海王星天体(tno)。这些天体寒冷的条件是由于它们离太阳很远。美国宇航局表示在柯伊伯带可能有数万亿个冰冷的物体，其中数十万个物体的直径大于62英里(100公里)。它是至少五颗已知矮行星的家园，厄里斯、豪美亚、马克马克、夸欧尔，当然还有冥王星。

　　这些矮行星中的许多都有自己的卫星，甚至有自己暗淡的环系统，科学家最近在夸欧尔周围发现了一个环，它也有自己的卫星Weywot。大约80 KBOs被发现有大小相似的双星伴星，这意味着无法准确确定哪个是主体哪个是月亮，这些被称为“双星kbo”。

　　柯伊伯带的物体有各种形状和大小

　　这幅艺术家的作品展示了遥远的矮行星厄里斯。新的观察表明，厄里斯比以前认为的要小，几乎和冥王星的大小一样。(图片:ESO/l . calada)

　　最大的柯伊伯带天体是冥王星和厄里斯，冥王星的直径约为1430英里(2380公里)，而厄里斯的直径略大，约为1444英里(2330公里)。已知还有多达七个直径在600-900英里(950-1500公里)之间的柯伊伯带天体。只有这些更大的kbo才有自己的大气层。

　　可见光中见过的最小的KBO直径只有3200英尺，在42亿英里外被发现，但这些物体的不断碰撞意味着柯伊伯带是由大量更小的碎片组成的群体。

　　kbo的颜色和表面反射率可能不同。例如，冥王星反射大约60%的入射阳光，相比之下，地球只反射10%。

　　其他kbo具有较暗的表面，反射率从20%到低至4%。约翰·霍普斯金大学应用物理实验室认为，这些物体中最暗的可能富含复杂的富碳聚合物。柯伊伯带物体的颜色被认为是从深灰到红色，这是各种化学成分及其演变的结果，尽管在如此遥远的距离上很难确定。

　　kbo也有多种形状，可以说最不寻常的是(486958) 2014 MU69或Arrokoth，在包华顿/阿尔冈昆语中是“天空”的意思，由于其形状，也被称为“太空雪人”。

　　新视野科学团队在2014年使用哈勃太空望远镜发现了Arrokoth，它是双叶的，部分是平的。这个22英里(35公里)长、12英里(20公里)宽、6英里(10公里)厚的雪人的“头部”和“身体”是由两个独立的身体合并成一个，即所谓的“接触双星”。然而，与它的雪人同名物不同，在2019年正式命名之前，这个物体被命名为“Ultima Thule”，颜色非常红。

　　随着冥王星被降级为矮行星，也许太阳系最臭名昭着的假设租户是“行星X”或“行星9”。这个海王星大小的世界被认为存在于冥王星之外，它的轨道会被大大拉长。

　　这颗行星在2015年被提出时，主要证据是柯伊伯带外围一些较小的kbo奇怪的拉长轨道。这可能是由一个未被发现的大质量物体的引力影响造成的，尽管除此之外的证据一直很少且有争议。

　　柯伊伯带正在减轻重量

　　我们今天看到的柯伊伯带实际上可能比过去更加空旷。加州大学洛杉矶分校(UCLA)表示，对柯伊伯带的观察导致了“尼斯模型”的发展，该模型表明，柯伊伯带现在的质量约为地球质量的0.1倍，太大了，不可能在太阳系的年龄内通过吸积增长。

　　这意味着柯伊伯带可能曾经包含相当于地球质量10倍甚至100倍的物质，比现在的质量多100到1000倍。这种质量的损失很可能是由于木星、土星、天王星和海王星的轨道转移而发生的。

　　根据美国国家航空航天局的说法，由于后两个行星被土星和木星迫使向外漂移，它们使许多冰状物体的路径向内弯曲。木星的巨大引力向太阳系边缘抛射，可能形成奥尔特云，或者完全脱离太阳系。

　　NASA补充道，柯伊伯带今天仍在侵蚀，那里的物体碰撞产生更小的碰撞碎片，这些碎片再次碰撞将这些物体研磨成粉末。这些尘埃随后被称为太阳风的来自太阳的带电粒子流吹出太阳系。

　　额外资源

　　柯伊伯带中最臭名昭着的天体是冥王星，它是围绕什么应该被认为是行星，什么不应该被认为是行星的争论的核心。将冥王星降级为矮行星的理由是国际天文学联合会(IAU)在2016年做出的决定。

　　在太阳系中比柯伊伯带更远的地方，有一个由数十亿甚至数万亿个物体组成的冰壳，叫做奥尔特云。

　　到目前为止，只有一个航天器访问了柯伊伯带，2015年新视野号任务飞过冥王星及其卫星。