什么是柯伊伯帶？ _柯伊伯帶

在遠離太陽溫暖的太陽系邊緣，有一個由數百萬甚至數萬億個冰體組成的巨大環，被稱為柯伊伯帶。(Image credit: StockGood via Getty Images)
據美國太空網（By Robert Lea）：柯伊伯帶是一個寒冷的環形冰狀物體區域，它圍繞著太陽系外圍的海王星軌道運行。
根據美國宇航局的說法，它類似于在火星和木星之間發現的主要小行星帶，因為它的物體由大約46億年前太陽系形成時留下的物質組成。
根據九大行星的說法，柯伊伯帶比主要的小行星帶要大得多，寬度高達20倍，質量是它的20到100倍。
像主小行星帶一樣，柯伊伯帶也是由一顆巨行星的軌道形成的。雖然氣態巨行星木星構建了主要小行星帶的結構，但正是海王星的軌道阻止了物質聚結成一顆大行星，從而形成了柯伊伯帶的薄圓盤。
人類才剛剛開始探索柯伊伯帶，到目前為止只有兩艘宇宙飛船到過那里。1983年，美國國家航空航天局的先鋒10號宇宙飛船訪問了柯伊伯帶地區，它穿越了柯伊伯帶，但沒有訪問它的任何世界。緊隨其后的是新視野號宇宙飛船，它在離開地球十年后，于2015年對冥王星及其同伴冥衛一進行了調查。航天器繼續訪問柯伊伯帶的其他物體，包括冰冷的“太空雪人”Arrokoth 。
美國宇航局寫道:“柯伊伯帶確實是太空中的一個前沿——這是一個我們剛剛開始探索的地方，我們的理解仍在不斷發展。”

柯伊伯帶天體Arrokoth的合成圖像。(Image credit: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute/Roman Tkachenko)
專家解答的柯伊伯帶常見問題
Samatha Lawler博士是美國里賈納大學的天文學家，研究太陽系邊緣的天體。
薩馬塔·勞勒天文學家
Samatha Lawler博士是美國里賈納大學的天文學家，研究太陽系邊緣的天體。
我們向美國天文學家Samatha Lawler博士詢問了幾個關于柯伊伯帶和太陽系邊緣物體的問題。
什么是柯伊伯帶？
柯伊伯帶是一群圍繞太陽運行的比海王星更遠的小型冰體。它非常類似于小行星帶，但更冷，離太陽更遠。
在柯伊伯帶發現了什么樣的物體？
柯伊伯帶中的冰冷天體被稱為“柯伊伯帶天體”(我知道，有創意)，簡稱KBOs 。冥王星是最著名的KBO，它被降級為行星的原因之一是已經發現數以千計的其他kbo在同一區域運行。只有冥王星和另一個KBO阿羅科思曾經有過太空探測器拍攝的特寫照片。冥王星于2015年由新視野號探測器訪問，2019年由Arrokoth號探測器訪問。冥王星很圓，由水冰山和氮冰冰川構成，有5個衛星。Arrokoth直徑只有18英里(30公里)，非常紅，形狀像一個雪人。所有其他的kbo都只是使用望遠鏡進行了研究，即使是地球上和軌道上最好的望遠鏡也仍然將它們視為點，因此我們對它們的形狀和顏色的了解不像冥王星和阿羅克思那么多。
是什么讓這些柯伊伯帶天體變得有趣？
據我們所知，有數以千計的行星，可能有數十萬顆直徑超過62英里(100公里)的行星，等待著天文學家去發現和測量。它們中的每一個都是在太陽系的某個地方形成的行星物質的一點殘余，并通過行星甚至銀河系的輕輕推動被放置在當前的軌道上。
關于太陽系，柯伊伯帶能告訴我們什么？
通過仔細測量軌道和關于組成的信息，我們可以了解太陽系中的一切是在哪里形成的，以及它可能是如何重組的。對柯伊伯帶的研究告訴我們，海王星在比現在更靠近太陽的地方形成，并且它向外遷移。計算機模擬顯示，我們今天看到的kbo是在海王星移動時被推到那些軌道上的。
自從你開始研究柯伊伯帶以來，最令人驚訝的發現是什么？
看到Arrokoth的形狀完全讓我震驚。我想可以肯定地說，沒有人期望它是雪人形狀的。但是，僅僅知道一個雪人形狀的物體存在就意味著我們需要一種方法來形成它，許多天文學家已經在計算機模擬上復制了這種形狀，這告訴我們更多關于行星形成的詳細步驟。
柯伊伯帶在哪里？

柯伊伯帶和奧爾特云是太陽系中兩個主要的彗星庫。(圖片來源:歐空局)
美國宇航局表示，甜甜圈形狀的柯伊伯帶的內緣始于海王星軌道，距離太陽約28億英里(48億公里) ，其主要天體集中在距離恒星約46億英里(74億公里)處。
天文學家通常以“天文單位”(AU)來測量太陽系內像這樣的巨大距離， 1 AU相當于大約9300萬英里，這是地球和太陽之間的平均距離。
這使得柯伊伯帶的內部距離太陽30天文單位，其主要區域的末端距離太陽50天文單位。柯伊伯帶中還有另一個更無序的區域，稱為“分散的圓盤” ，它一直延伸到距離太陽系中心恒星約1,000 AU處。這些距離意味著柯伊伯帶是太陽系中最大的結構之一。
然而，柯伊伯帶可能不是太陽系中最遠的冰體帶。科學家們假設，比柯伊伯帶更遠的地方是一個叫做奧爾特云的天體集合，它經常與柯伊伯帶混淆。
雖然短周期物體被認為來自柯伊伯帶，但根據美國宇航局(在新標簽中打開)的說法，奧爾特云被認為是長周期彗星的來源，這些彗星需要超過200年才能繞太陽一周。
奧爾特的內邊緣被認為距離太陽2000到5000天文單位，而外邊緣可能距離我們的恒星10000甚至100000天文單位，美國宇航局說(在新標簽中打開)是太陽和最近的鄰近恒星之間的四分之一到一半。

柯伊伯帶顯示在海王星軌道之外。它的居民之一是厄里斯，在一個高度傾斜的橢圓形軌道上。(圖片來源:NASA)
誰發現了柯伊伯帶？
柯伊伯帶是以荷蘭天文學家杰拉德·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個盤狀的冰狀物體區域，彗星就是從那里起源的。
在柯伊伯的工作之前，第一個被發現的柯伊伯帶居民是由克萊德·湯博于1930年2月在洛厄爾天文臺發現的冥王星。這意味著天文學家在知道柯伊伯帶之前很久就已經發現了它，盡管發現冥王星確實導致了對海王星之外存在其他物體的猜測。
1943年，愛爾蘭天文學家肯尼斯·埃奇沃斯發表了一篇論文，認為太陽系天體及其分布不受冥王星軌道的限制，這可以被視為柯伊伯帶概念的起源。盡管8年后，柯伊伯提出了一個更有力的例子來支持這一觀點，但許多天文學家稱這條冰帶為“埃奇沃斯-柯伊伯”,以此作為參考。
確認柯伊伯帶的存在還要再等40年。根據約翰·霍普斯金大學應用物理實驗室的說法， 1992年，夏威夷大學的研究人員戴夫·朱伊特和劉麗杏發現海王星之外有一個小天體圍繞太陽運行。
這個物體，第一個“經典TNO(外海王星物體)”，最終被命名為1992QB1，并引發了數千個柯伊伯帶物體(kbo)的發現。美國宇航局指出，自從發現1992QB1以來，天文學家已經發現了2000多個kbo 。
花了這么長時間才發現柯伊伯帶天體的原因是它們太小太遠了。
分類柯伊伯帶物體
約翰·霍普斯金大學應用物理實驗室稱柯伊伯帶天體分類如下:
冷經典kbo(柯伊伯帶物體)
冷不是指溫度，而是指圓形不傾斜軌道。這些物體位于距離太陽42至48天文單位和3天文單位之間的一個6天文單位寬的帶中。
這些kbo往往很小，直徑不超過500英里。它們的顏色也比其他kbo更紅。
“經典”一詞指的是這些物體屬于柯伊伯所說的那種類型。
這些很可能由構成柯伊伯帶的原始物質組成，不受行星軌道的干擾。
熱門古典KBOs
“熱”是指這些kbo具有非圓形和傾斜的軌道。
這意味著這些物體雖然通常位于離太陽相似的距離，但在它們的軌道上，冷的經典kbo可以離太陽更遠。
它們的大小和顏色各不相同，比冷古典的更灰，也更大。它們被發現在大約12 AU厚的帶中。
共振KBOs
這些kbo被鎖定在與海王星的共振舞蹈中。冰巨人每繞太陽3圈，3:2共振子就繞太陽2圈。
②；1共振子，有時被稱為“小冥王星”，因為矮行星是這一組中的一員，每兩個海王星軌道中就有一個共振子。
分散的kbo
這些kbo擁有不穩定的軌道，可能是因為它們離海王星太近，冰巨人的引力使它們偏離了軌道。
這些混亂的軌道可以把這些天體帶到離太陽100 AU遠的地方，比海王星離太陽最近的地方還要近。
極端TNOs(外海王星物體)
一個非常新的分組，這個類別只有少數成員。這些物體最終可能會被發現根本不是柯伊伯帶的一部分，因為它們可以遠離太陽1000天文單位。
柯伊伯帶的著名居民
柯伊伯帶是數百萬巖石和冰天體的家園，這些天體被稱為柯伊伯帶天體(kbo)或外海王星天體(tno) 。這些天體寒冷的條件是由于它們離太陽很遠。美國宇航局表示在柯伊伯帶可能有數萬億個冰冷的物體，其中數十萬個物體的直徑大于62英里(100公里) 。它是至少五顆已知矮行星的家園，厄里斯、豪美亞、馬克馬克、夸歐爾，當然還有冥王星。
這些矮行星中的許多都有自己的衛星，甚至有自己暗淡的環系統，科學家最近在夸歐爾周圍發現了一個環，它也有自己的衛星Weywot 。大約80 KBOs被發現有大小相似的雙星伴星，這意味著無法準確確定哪個是主體哪個是月亮，這些被稱為“雙星kbo” 。
柯伊伯帶的物體有各種形狀和大小

這幅藝術家的作品展示了遙遠的矮行星厄里斯。新的觀察表明，厄里斯比以前認為的要?。?幾乎和冥王星的大小一樣。(圖片:ESO/l . calada)
最大的柯伊伯帶天體是冥王星和厄里斯，冥王星的直徑約為1430英里(2380公里)，而厄里斯的直徑略大，約為1444英里(2330公里) 。已知還有多達七個直徑在600-900英里(950-1500公里)之間的柯伊伯帶天體。只有這些更大的kbo才有自己的大氣層。
可見光中見過的最小的KBO直徑只有3200英尺，在42億英里外被發現，但這些物體的不斷碰撞意味著柯伊伯帶是由大量更小的碎片組成的群體。
kbo的顏色和表面反射率可能不同。例如，冥王星反射大約60%的入射陽光，相比之下，地球只反射10% 。
其他kbo具有較暗的表面，反射率從20%到低至4% 。約翰·霍普斯金大學應用物理實驗室認為，這些物體中最暗的可能富含復雜的富碳聚合物。柯伊伯帶物體的顏色被認為是從深灰到紅色，這是各種化學成分及其演變的結果，盡管在如此遙遠的距離上很難確定。
kbo也有多種形狀，可以說最不尋常的是(486958) 2014 MU69或Arrokoth，在包華頓/阿爾岡昆語中是“天空”的意思，由于其形狀，也被稱為“太空雪人” 。
新視野科學團隊在2014年使用哈勃太空望遠鏡發現了Arrokoth，它是雙葉的，部分是平的。這個22英里(35公里)長、12英里(20公里)寬、6英里(10公里)厚的雪人的“頭部”和“身體”是由兩個獨立的身體合并成一個，即所謂的“接觸雙星” 。然而，與它的雪人同名物不同，在2019年正式命名之前，這個物體被命名為“Ultima Thule”，顏色非常紅。
隨著冥王星被降級為矮行星，也許太陽系最臭名昭著的假設租戶是“行星X”或“行星9” 。這個海王星大小的世界被認為存在于冥王星之外，它的軌道會被大大拉長。
這顆行星在2015年被提出時，主要證據是柯伊伯帶外圍一些較小的kbo奇怪的拉長軌道。這可能是由一個未被發現的大質量物體的引力影響造成的，盡管除此之外的證據一直很少且有爭議。
柯伊伯帶正在減輕重量
我們今天看到的柯伊伯帶實際上可能比過去更加空曠。加州大學洛杉磯分校(UCLA)表示，對柯伊伯帶的觀察導致了“尼斯模型”的發展，該模型表明，柯伊伯帶現在的質量約為地球質量的0.1倍，太大了，不可能在太陽系的年齡內通過吸積增長。
這意味著柯伊伯帶可能曾經包含相當于地球質量10倍甚至100倍的物質，比現在的質量多100到1000倍。這種質量的損失很可能是由于木星、土星、天王星和海王星的軌道轉移而發生的。
根據美國國家航空航天局的說法，由于后兩個行星被土星和木星迫使向外漂移，它們使許多冰狀物體的路徑向內彎曲。木星的巨大引力向太陽系邊緣拋射，可能形成奧爾特云，或者完全脫離太陽系。
NASA補充道，柯伊伯帶今天仍在侵蝕，那里的物體碰撞產生更小的碰撞碎片，這些碎片再次碰撞將這些物體研磨成粉末。這些塵埃隨后被稱為太陽風的來自太陽的帶電粒子流吹出太陽系。
額外資源
柯伊伯帶中最臭名昭著的天體是冥王星，它是圍繞什么應該被認為是行星，什么不應該被認為是行星的爭論的核心。將冥王星降級為矮行星的理由是國際天文學聯合會(IAU)在2016年做出的決定。
在太陽系中比柯伊伯帶更遠的地方，有一個由數十億甚至數萬億個物體組成的冰殼，叫做奧爾特云。
到目前為止，只有一個航天器訪問了柯伊伯帶，2015年新視野號任務飛過冥王星及其衛星。

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什么是柯伊伯帶？