柯伊伯带揭示太阳系演化历程

科学家们发现了柯伊伯带———太阳系形成时期遗留下来的冰冻天体构成了一个甜甜圈形状的区域。

提供新见解

研究人员对柯伊伯带了解得越多，我们太阳系的起源和演化过程就变得越清晰。对柯伊伯带的冰冻天体仔细进行的观测活动，让我们能更清晰地了解包括地球在内的行星的形成过程。对这一区域开展的研究活动总共披露了数以千计的这类天体，它们被称为“柯伊伯带天体”。研究显示，在早期太阳系中，有许多进行“弹球游戏”的行星。

开启这一切的那个不起眼天体是一块直径约为250公里的冰和岩石的混合体。30年前的8月，它首次被人发现。

上世纪80年代末，行星科学家戴维·朱伊特和天文学家刘丽杏花费数年时间进行了一项不同寻常的探索。

他们最终发现了天体1992 QB1，这让世界开始认识到柯伊伯带。该区域以天文学家杰拉德·柯伊伯的名字命名。不过，令人意想不到的是，柯伊伯曾预测，太空中的这一区域是空的。在20世纪50年代，他提出，任何曾经存在于那里的天体都会被引力驱逐到太阳系更遥远的地方。

换句话说，柯伊伯认为柯伊伯带是不存在的。事实证明他错了。

如今，研究人员知道，柯伊伯带从距离太阳约30个天文单位的地方———海王星轨道附近———延伸到距离太阳约55个天文单位的地方。朱伊特说，柯伊伯带就像一个膨胀的圆盘，“乍看像一个胖胖的甜甜圈”。

柯伊伯带中的冰冻天体是气体和尘埃构成的漩涡的残留物。太阳和行星就是从这个漩涡中诞生的。天文学家梅蕾迪丝·麦格雷戈说，现在“剩下了很多东西，它们没能形成行星”。当这些宇宙残留物中的一件被海王星等行星的引力推入太阳系内层并接近太阳时，它就变成了我们所说的彗星。每200年或更长时间绕太阳运行一周的彗星通常来自太阳系内更遥远的冰冻天体“仓库”———“奥尔特云”。

以科学术语来表达的话，柯伊伯带是一个“岩屑盘”。科学家发现，一些遥远的恒星系统也包含“岩屑盘”。麦格雷戈说：“它们同我们的柯伊伯带有着直接相似性。”

改写教科书

2015年，“新视野”号探测器飞过冥王星，科学家得以首次近距离观察一个柯伊伯带天体。“新视野”号在随后几年里发回的照片比科学家之前对冥王星及其卫星的观测结果详细数千倍。这些天体不再是一些模糊的像素点，而是呈现出丰富的景观：它们有着喷冰的“火山”和深深的锯齿状峡谷。“新视野”号团队成员马克·布伊说：“我为我们在冥王星取得的成就感到欣喜若狂。情况真是再好不过了。”

但“新视野”号在柯伊伯带的收获不止于此。2019年元旦，在冥王星轨道之外近15亿公里的地方，该探测器飞经另一个柯伊伯带天体。它探测到的情况令人惊讶。“天空”星体———其名字Arrokoth在北美印第安部落语言中意为“天空”———看上去就像是连在一起的两个煎饼。从一端到另一端，这个天体长约35公里。它可能曾经是两个独立的天体。这两个天体发生过温和的碰撞，然后连在了一起。“天空”星体怪异的结构将帮助解答天文学中的一个重要问题：气体和尘埃如何凝结在一起并形成更大的天体？

一种名为“星子积聚”的由来已久的理论认为，一系列碰撞是较大天体的形成原因。加拿大维多利亚大学和加拿大国家研究理事会的天文学家J·J·卡韦拉尔斯说，小块的物质会反复相撞并粘在一起，进而形成较大的天体。但卡韦拉尔斯说，这里存在一个问题。随着天体变得大到足以产生强大的引力，它们彼此靠近时会加速。他说：“它们以过于快的速度相互碰撞，就不会粘在一起。”对于像“天空”星体（尤其是它还具备双叶结构）这样的大型天体来说，通过一连串碰撞而成形是不同寻常的。

研究人员现在认为，更有可能的情况是，“天空”星体是在一个名为“引力不稳定性”的过程中诞生的。在这种情况下，密度恰好比周围环境要高的一团物质会通过吸入气体和尘埃来变大。这个过程可以在数千年的时间里形成行星，而“星子积聚”需要花数百万年时间才能形成行星。卡韦拉尔斯说：“行星形成的时间尺度彻底改变了。”

如果“天空”星体是这样形成的，那么太阳系中的其他天体可能也不例外。2014年发现了“天空”星体的布伊说，这可能意味着，太阳系某些部分的形成速度比先前认为的要快得多，“围绕太阳系如何形成，‘天空’星体已经改写了教科书”。

需更多发掘

迄今观测到的情况让科学家们更加渴望近距离研究另一个柯伊伯带天体。“新视野”号目前仍在柯伊伯带穿行，但要识别一个新天体并安排一次“会面”，剩下的时间不多了。这个探测器目前距离太阳53个天文单位。它正在靠近柯伊伯带的外缘。几组天文学家正在利用世界各地的望远镜寻找会与“新视野”号错身而过的柯伊伯带新天体。布伊说：“我们当然会寻找。我们最希望的就是从另一个天体旁飞过。”

通过用地球上最大的几台望远镜来观测柯伊伯带，天文学家还将获得柯伊伯带的广角图像。利用位于夏威夷冒纳凯阿火山———朱伊特和刘丽杏就是在那座山上发现了1992 QB1———的加拿大-法国-夏威夷望远镜，天文学家最近圆满完成了“外太阳系起源巡天”任务。该任务记录了800多个此前不为人知的柯伊伯带天体，使已知的柯伊伯带天体总数达到约3000个。

麦格雷戈说，这项编目工作将揭示这些天体绕太阳运行的有趣模式。柯伊伯带天体不是均匀分布的，而是倾向于聚集在一起。她说，这说明，这些天体过去曾受到引力的猛烈推动。

大多数天文学家认为，推动它们的天体非太阳系内的气态巨行星莫属。在21世纪头10年中期，科学家首次提出，在太阳系历史的初期，海王星和土星等行星可能曾将一些天体推向或推离太阳。麦格雷戈说，这种活动可以解释许多柯伊伯带天体的轨道为何惊人地相似。她说：“这些巨行星搅动了太阳系外层的所有物质。”

英国贝尔法斯特女王大学的天文学家梅格·施万布说，若要完善太阳系的早期历史，需要对更多的柯伊伯带天体进行观测。研究人员预计，定于明年开始的一项天文学新研究将再找到约4万个柯伊伯带天体。人们正在智利中北部建设薇拉·鲁宾天文台。它将每隔几晚就用其32亿像素的摄像仪器反复拍摄整个南半球的天空，持续10年。施万布说，这项名为“时空遗产调查”的任务将彻底改变我们对早期太阳系演化过程的认识。施万布是“时空遗产调查”任务太阳系科学合作组织的联合主席。

朱伊特说，想想我们接下来能从柯伊伯带获得什么令人兴奋。他说，在很大程度上，由于技术的进步，未来获得更多发现是可能的。他说：“用现代摄影仪器拍摄的一张照片抵得上用1992年的设备拍摄的约1000张照片。”

不过，朱伊特说，即使我们将对太阳系内的这一遥远区域进行更多发掘，我们应该始终保持一些敬畏之心。他说：“这是我们迄今观测过的最大的一片太阳系区域。”