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柯伊伯帶: 留住太陽系曾經的樣子

  • 發佈時間:2015-07-16 02:31:55  來源:科技日報  作者:佚名  責任編輯:羅伯特

  “新視野”號飛掠冥王星帶來了關於柯伊伯帶的新訊息,這樣的觀測為理解柯伊伯帶的起源和演化,打開了一扇窄窄的窗戶。

  這是一次速度與激情的相會——“新視野”號航太器的速度達到每小時5萬公里,在24小時的飛掠過程中收集冥王星表面、大氣和環境相關的圖像和數據。

  此前,從未有任何航太任務到達過柯伊伯帶上最明亮的成員——冥王星。而柯伊伯帶,這個位於海王星之外的龐大的、幾乎未知的區域,其中存在著數以十億計的冰冷星體,這些星體的尺寸小到幾米,大到2000多千米。

  事實上,在短短20多年前,甚至沒有人知道柯伊伯帶的存在。這樣的觀測為理解柯伊伯帶的起源和演化,打開了一扇窄窄的窗戶。

  把這些觀測結果綜合到一起,就像盲人摸象的寓言那樣,人們開始拼湊關於柯伊伯帶的結構、組成和演化的更全面的圖像。現在,通過新視野號對冥王星的近距離觀測,這幅圖像將會變得前所未有的清晰。

  柯伊伯想錯了

  1930年,一位名叫克萊德·湯博(Clyde Tombaugh)的年輕天文學家,在海王星之外發現了一個新星體。當時,天文學界包括他自己都堅信,他發現了“X行星”(Planet X)——傳言已久的太陽系第九顆行星。在一名11歲英國女學生維尼夏·伯尼(Venetia Burney)的建議下,這顆行星被命名為“冥王星”。起初,研究人員計算得出,這顆新行星的品質會接近地球。但到了20世紀70年代,人們認識到冥王星比月球還要小、還要輕。湯博發現的其實是柯伊伯帶上最明亮的成員。

  然而,在上世紀80年代之前,沒有人會想到柯伊伯帶這個東西的存在,甚至包括傑勒德·柯伊伯(Gerard Kuiper)本人,柯伊伯帶就是以這位荷蘭裔美國科學家的名字命名的。在上世紀50年代,柯伊伯提出,緊靠海王星外的區域可能曾經充斥著冰凍天體。不過他又認為,“大品質行星”冥王星的引力場會將這些冰凍天體散射到深空去,因此太陽系的這片區域目前應該是空空蕩蕩的一片。

  “事實和預言恰恰相反”,加利福尼亞大學洛杉磯分校的天文學家戴維·C·朱維特(David C. Jewitt)説道,他是外層太陽系觀測的先驅。

  不“嚴謹”的命名

  幾乎在同一時間,柯伊伯的同胞簡·奧爾特(Jan Oort)猜測,那些被散射的天體,應該形成了原彗星(proto-comet),這些彗星組成了球形雲,其運作軌道距離太陽大約有1光年。他還指出,如果這些原彗星偶然闖入了內太陽系,它就會變成一顆活躍的彗星。該機制巧妙地解釋了,為什麼會存在長週期彗星。那些長週期彗星的軌道週期長達200多年,它們會從各個方向掉入內太陽系。

  不過,這套理論無法解釋那些短週期彗星。短週期彗星大多是沿著大行星公轉軌道平面飛來。對此,奧爾特給出的解釋是,有些長週期彗星與巨行星交會時變成了短週期彗星。幾乎沒有人能給出更好的解釋。

  一個特殊情況是,早在上世紀40年代,愛爾蘭天文學家肯尼思·埃奇沃思(Kenneth Edgeworth)就提出一種假説,短週期彗星誕生於一個小星體聚集的、更近的地方。不過他只是順帶提及這個假説,而且沒有詳細描述。“如果你認為這只能算是一個預言,那好吧,我確實沒法反駁”,邁克爾·E·布朗(Michael E. Brown)這樣評價道。布朗是加州理工學院的天文學家,他在2005年發現了柯伊伯帶天體鬩神星(Eris),其大小和冥王星相當,這一發現導致冥王星在第二年被降格為“矮行星”。顯然,布朗不認為埃奇沃思順便提及的假説只能算一個預言,但總之,當時並沒有人重視埃奇沃思的這個想法。

  目前很多行星科學家都認可的,關於柯伊伯帶的第一個正式預言來自烏拉圭天文學家胡裏奧·費爾南德斯(Julio Fernandez)。他在1980年的一篇題為《論海王星外彗星帶之存在》(On the Existence of a Comet Belt beyond Neptune)的論文中,提出了和埃奇沃思相同的看法,不過他的論證要嚴謹、詳細得多。

  1988年,當時就職于加拿大多倫多大學的斯科特·特裏梅因(Scott Tremaine)和同事馬丁·鄧肯(Martin Duncan)、湯姆·奎恩(Tom Quinn)一道證明了,費爾南德斯預言的星體群其實可以解釋短週期彗星的軌道和出現頻率。他們首次使用了“柯伊伯帶”一詞,不過,現在就職于普林斯頓高等研究院的特裏梅因説:“這個詞可能不正確,我們應該以‘費爾南德斯’來命名它。”

  “大個子”去哪了

  當特裏梅因、鄧肯與奎恩在理論上論證柯伊伯帶時,朱維特和他當時在麻省理工學院的學生劉麗杏(Jane X. Luu),開始尋找確鑿的觀測證據。他們並不是受到理論研究的啟發才去開展搜尋,事實上他們並不知道費爾南德斯的論文,而且他們早在1986年就開始了搜尋工作,比特裏梅因和同事們發表結果早了兩年。朱維特説:“我們搜尋的動機非常簡單,就是覺得外太陽系那麼空蕩蕩的很奇怪。”

  當然,外太陽系實際上並不是那麼空蕩蕩的。1992年8月,利用在夏威夷莫納克亞(Mauna Kea)死火山頂峰的2.2米望遠鏡,朱維特和劉麗杏發現了第一個柯伊伯帶天體,1992QB1,這是他們所謂“緩慢移動天體”探測計劃(Slow Moving Object survey)的一部分。6個月後,他們發現了第二個柯伊伯帶天體。雖然在當時,朱維特和劉麗杏是唯一進行此類搜尋的研究團隊,但“天文學界很快就反應過來了”,朱維特説。現在,天文學家已經認證了大約1500個柯伊伯帶天體。基於這一數字,他們估計柯伊伯帶大約有10萬個直徑超過100千米的物體,有近100億個直徑大於2千米的物體。朱維特説:“柯伊伯帶裏小行星的數目是主小行星帶(main asteroid belt,位於火星與木星軌道之間)的1000倍,這讓我大為震驚”。

  不過,讓許多天文學家更震驚的,不是柯伊伯帶裏“有”什麼,而是它“沒有”的內容。依據最好的行星形成模型,天文學家推測,柯伊伯帶裏應該有類似地球大小、甚至比地球更大的星體。然而,柯伊伯帶裏最大的星體,就是冥王星和一些與冥王星大小相近的星體,如鳥神星(Makemake)、妊神星(Haumea)、創神星(Quaoar) 和鬩神星,研究人員沒有發現一個接近大行星標準的星體。“那裏有許多的星體,不過這些星體加在一起,也不超過地球品質的十分之一,非常微不足道。”朱維特説。

  在太陽系歷史早期一定發生過一些事情,才會使柯伊伯帶中最大的成員被消滅了。多年來,行星天文學家一直在爭論,當時究竟發生了什麼。利用“羅塞塔”號和“新視野”號,他們將得到一些答案。

  巨星重排的後果

  當柯伊伯帶被發現時,物理學家已經建立了太陽系形成模型。該模型的起源是一團巨大的、由星際氣體和塵埃組成的雲團,然後這一雲團坍塌形成一個旋轉的圓盤。在圓盤的核心,重力將物質聚成一團。高溫和高密度導致這團物質開始發生熱核反應,太陽就誕生了。

  太陽的熱量和輻射將大部分氣體和一部分塵埃吹向週邊。在靠近太陽的部分,塵埃聚集在一起,先形成小石塊,後來變成大岩石,最終變成了小行星尺寸的所謂“微行星”(planetesimal)。在行星形成的最後一個階段,數以百計的火星尺度的星體漂浮在太陽系中,它們碰撞著,不斷地破碎又聚合在一起,最終形成了我們今天看到的八大行星,不僅包括內太陽系的固態類地行星,還有木星、土星、天王星和海王星這些氣態行星。這些行星基本是由大塊岩石構成的,有足夠大的引力束縛住大量氣體。

  在海王星之外,外太陽系的冰粒發生了和內太陽系塵埃顆粒類似的過程,也形成了行星大小的星體。然而這一理論存在兩個問題:首先,天文學家沒有觀察到這些具有行星尺寸的星體。

  第二個問題是,柯伊伯帶中的物質太少,不足以形成任何尺寸的星體。換言之,如果認為目前柯伊伯帶中的所有物體也都來自原初的冰塵雲,那麼這些雲的分佈就太廣了,難以形成任何東西。

  如此一來,柯伊伯帶中實際存在的物質,與理論學家推測應該形成的物質,就自相矛盾了。朱維特説:“公認的解決方案是,認為在一開始,柯伊伯帶裏就有比較多的物質——30、40甚至50個地球品質的物質。”這些物質的確形成了一大群星體,但不知什麼原因,這些星體的數目在不斷減少。

  至於星體不斷減少的原因,最可信的一種解釋機制是:太陽系的四大氣態巨行星(木星、土星、天王星、海王星)曾經是堆聚在一起的,比它們今天的間距近得多。這個假説最初是由亞利桑那大學的物理學家雷努·馬爾霍特拉(Renu Malhotra)提出的。

  馬爾霍特拉和她的幾位同事論證道,這些緊密堆擠在一起的行星,與早期大量的柯伊伯帶天體的引力相互作用,把土星、天王星和海王星推向外太陽系。與此同時,木星和柯伊伯帶天體、小行星同時相互作用,導致木星向內移動。

  這些引力相互作用不僅使行星重排,也把許多柯伊伯帶天體彈射到太陽系引力範圍的最遠端,形成了遙遠的奧爾特雲,並且把許多的小行星甩進了太陽系內層軌道。在這些遷移過程發生的某段時期,土星和木星處於了軌道共振態,土星每運作一個週期,木星恰好運作兩個週期。

  每隔一段時間,兩大行星就會和太陽精準地處於一條直線上,從而造成額外引力擾動,使得柯伊伯帶天體被劇烈地散射開,以至於99%以上的物體都被清掃了出去。它們中的一些成為了太陽引力範圍最遠端的奧爾特雲的成員,另一些撞上了太陽系的內層行星,這被稱為“後期重轟炸期”。“太陽系經受了猛烈的捶打”,朱維特説。

  一張太陽系的“老照片”

  美國西南研究院的物理學家戴維·尼斯沃尼(David Nesvorny)將這一假説又向前推進了一步。他認為,太陽系或許曾經存在第五顆氣態巨行星,在這個劇烈的重排過程中,它可能被彈射到星際空間去了。

  如果巨行星的重排真的發生過,那就可以解釋,為什麼柯伊伯帶中沒有大星體:那些可以用來形成大星體的材料已經被永久地清空了,因此僅僅形成了那些類似微行星的物體——微行星是指那些小的原行星(proto-planet),大行星即由這些微行星聚合而成。從這個意義來説,柯伊伯帶就像一張快照,將行星形成過程剛剛開始數百萬年時內層太陽系的樣子,永久地定格了下來。

  麻省理工學院的行星科學家希爾克·施利希廷(Hilke Schlichting)説:“現有的行星形成機制中,最大的不確定在於微行星的形成,它們是如何形成的?它們有多大?”這些資訊在太陽系內層早已無處尋覓,不過借助觀測和模型,她和同事們指出,如果假設組成柯伊伯帶天體的冰凍微行星的直徑大約為1千米,那麼就可以解釋今天觀測到的柯伊伯帶天體的大小和分佈了。對這些微行星尺度的估計,可能也適用於內層行星。她説:“經過數十年的猜測後,我們終於要開始了解行星形成的初始條件了。”

  稿件來源:環球科學(《科學美國人》中文版)

  撰文:邁克爾·D·勒莫尼克(Michael D. Lemonick)

  翻譯:易疏序

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