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柯伊伯帶(Kuiper belt;又譯:古柏帶)

柯伊伯帶(另譯:古伯帶、凱伯帶)又稱作倫納德 - 柯伊伯帶,是位於太陽系中海王星軌道(距離太陽約 30 天文單位)外側的黃道面附近、天體密集的圓盤狀區域。柯伊伯帶的假說最先由愛爾蘭裔天文學家弗雷德里克·倫納德提出,十幾年後傑拉德·柯伊伯證實了該觀點。

柯伊伯帶類似於小行星帶,但大 得多 —— 它比 小行星帶寬 20 倍且重 20 200 。如同主小行星帶,主要包含小天體,或太陽系形成的遺蹟。雖然大多數小行星主要是岩石和金屬構成的,但大部分柯伊伯帶天體在很大程度上由冷凍的揮發成分(稱為「冰」),如甲烷,氨和水組成。柯伊伯帶至少有三顆矮行星:冥王星,妊神星,和鳥神星。一些太陽系中的衛星,如海王星的海衛一和土星的土衛九,也被認為起源於該區域。

柯伊伯帶的位置處於距離太陽 40 50 天文單位低傾角的軌道上 。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 。柯伊伯帶的起源和確實結構尚未明確,目前的理論推測是其來源於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。

柯伊伯帶有時被誤認為是太陽系的邊界,但太陽系還包括向外延伸兩光年之遠的奧爾特星雲 。柯伊伯帶是短周期彗星的來源地,如哈雷彗星。自冥王星被發現以來,就有天文學家認為其應該被排除在太陽系的行星之外。由於冥王星的大小和柯伊伯帶內大的小行星大小相近, 20 世紀末更有主張該其應被歸入柯伊伯帶小行星的行列當中;而冥王星的衛星則應被當作是其伴星。 2006 8 月,國際天文學聯合會將冥王星剔出行星類別,並和穀神星與新發現的鬩神星一起歸入新分類的矮行星。

柯伊伯帶不應該與假設的奧爾特雲相混淆,後者比柯伊伯帶遙遠一千倍以上 柯伊伯帶內的天體,連同離散盤的成員和任何潛在的奧爾特雲天體被統稱為海王星外天體( TNOs) 。冥王星是在柯伊伯帶中最大的天體,而第二大知名的海王星外天體,則是在離散盤的鬩神星。

天文學家傑吉拉德·古柏,古柏帶就是以他的名字命名的。

柯伊伯帶(古柏帶)的特徵

1951 年,傑拉德·古柏於發表在天文物理學期刊上的一篇文章中推測,太陽系在演化的早期,會形成一個類似的圓盤,而且他認為這個狹長的圓盤迄今依然存在。古柏操作它的假說,在他的時代,冥王星被認為和地球一樣大小,因此能夠將那些小天體拋射至歐特雲或太陽系之外。古柏的假說是正確的,否則現在就不會有古柏帶這個名稱。

古柏帶被認為包含許多微行星,它們是來自環繞著太陽的原行星盤碎片,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和海王星極大的影響,同時也認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·費南德茲和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。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。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。

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: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」。

外行星和古柏帶的模擬:
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。

古柏帶的範圍

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。而且,這意味著古柏帶對黃道平面有 1.86 度的傾斜。

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 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。

傳統的古柏帶

大約在 ~42 ~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一區域。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。

QB1 天體、冥族小天體和鄰近散射天體的分布。

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。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。

共振

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,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,像是歐侉爾和伊克西翁的大小,都已經大到可以列入類冥矮行星的等級。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裡的。 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,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 2:5 。海王星也有特洛伊小行星,它們位於軌道前方和後方的 L4 L5 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。

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。

圖示為古柏帶天體與太陽距離的數量關係。

古柏斷崖

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。

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,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。日本神戶大學的向井正和帕特里克·萊卡維卡( 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,並且可能在未來的 10 年內發現這個天體。

柯伊伯帶天體 —— 新視野號可能的研究目標。(藝術家的概念圖)

柯伊伯帶的探索

2006 1 19 日,第一艘以探索柯伊伯帶為任務的太空船新視野號( New Horizons )發射升空。該任務是由美國西南研究院首席研究員艾倫·斯特恩所領導的一個團隊提出。新視野號太空船已於 2015 7 14 日抵達了冥王星,在飛越冥王星之後,新視野號將繼續深入柯伊伯帶。任務規劃師正在尋找一個或多個直徑在 50 100 公里這個範圍內的柯伊伯帶天體,進行類似與冥王星接觸一樣的飛越。取決於有限的機動能力,使得這一階段的任務只能尋找靠近新視野號飛行路徑上的合適柯伊伯帶天體,而排除了任何企圖飛越像鬩神星這種比冥王星大的海王星外天體的計畫。可能的區域將會是之前努力搜索海王星外天體時未曾涵蓋過的區域,和避免過於接近銀河系的平面,因為這會使暗淡的天體難以被偵測到。

考慮到新視野號的飛行路徑是由掠過冥王星的航線決定的,加上剩餘的聯氨燃料有限,合適的柯伊伯帶天體需在從冥王星延伸出的小於一度的圓錐區域內找到,而且距離不能大於 55 天文單位。一旦超過了 55 天文單位,所有的通訊信號會變得過於薄弱,而且放射性同位素熱電機( RTG )電功率會顯著衰減以至於影響到科學觀測。

2014 10 15 日, NASA 用哈伯望遠鏡進行搜索後發現了三個潛在目標,新視野號工作小組把它們的代號分別定為 2014 MU69 PT1, 潛在目標 1 ), 2014 OS393 PT2, 潛在目標 2 )以及 2014 PN70 PT3, 潛在目標 3 )。所有目標的直徑都估計在 30 55 公里之間,這樣小的體積用地面的望遠鏡是無法看到的。它們到太陽的距離在 43 44 天文單位間,因此新視野號的掠過時間大約在 2018 年- 2019 年間。從新視野號的燃料預算來進行初步預計,這三個目標被探測器到訪的可能性分別是 100%, 7% 97% 。它們均是低軌道傾角和低軌道離心率的傳統古柏帶天體,和冥王星有很大的不同。

柯伊伯帶的參考影片

NASA | Kuiper Belt
 柯伊伯帶(NASA提供影片

https://youtu.be/XXoZwERokmI

(資料結束)


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