柯伊伯帶新發(fā)現(xiàn)

太陽系柯伊伯帶似乎比我們?cè)詾榈囊蟮枚唷?/p>

早在2017年，美國宇航局的宣傳圖顯示，新視野號(hào)預(yù)計(jì)在2020年左右到達(dá)柯伊伯帶的外緣。然而，這并未實(shí)現(xiàn)

在太陽系外圍、位于冰巨星海王星之外，有一個(gè)由彗星和矮行星組成的環(huán)形帶，被命名為柯伊伯帶。在這些柯伊伯帶天體中，距離我們最近的也在數(shù)十億千米之外。然而，柯伊伯帶總該有一個(gè)外部邊界，對(duì)吧？

此前，人們一直認(rèn)為，在距離太陽48天文單位（1天文單位略超過1.5億千米）之外的地方什么也沒有。那里看起來幾乎空無一物。但當(dāng)美國宇航局的新視野號(hào)團(tuán)隊(duì)探測(cè)到潛伏在距離太陽60至80天文單位之間的11個(gè)新天體后，這一認(rèn)知發(fā)生了改變。原本被認(rèn)為是空無一物的空間實(shí)際上是柯伊伯帶天體第一環(huán)與新發(fā)現(xiàn)的第二環(huán)之間的空隙。到目前為止，人們一直認(rèn)為，相較于系外行星系統(tǒng)，太陽系是異常狹小的，但它顯然比人們想象的更加遼闊。

雖然這些天體目前只能以光點(diǎn)形式可見，而新視野號(hào)研究員韋斯利 · 弗雷澤（Wesley Fraser）也在等待飛船靠近以排除誤差，但這些天體的存在可能揭示的關(guān)于柯伊伯帶及太陽系起源的秘密，值得期待。

活在邊緣

這些新天體的極遠(yuǎn)距離使它們自成一類。由于它們非常暗弱，尚不清楚它們?cè)谛螒B(tài)和成分上是否與其他柯伊伯帶天體相似。隨著新視野號(hào)逐漸接近這些天體，它的遠(yuǎn)程偵察成像儀（LORRI）望遠(yuǎn)鏡和日本昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡正在同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)，這可能會(huì)揭示它們的成分是否屬于相同類別。

“我們使用昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡是因?yàn)樗某瑥V視場(chǎng)攝像頭擁有非常寬廣的視野?！备ダ诐烧f，“這個(gè)攝像頭可以快速進(jìn)行深度和廣角觀測(cè)，我們還通過LORRI的視野，沿著軌跡尋找附近的天體?！?/p>

這些天體位于太陽系的日球?qū)舆吘?，那里是太陽系向星際空間過渡的區(qū)域。日球?qū)佑蓭щ娏Ｗ恿魍饬鳎刺栵L(fēng)）形成，它在太陽系周圍形成一個(gè)氣泡；結(jié)合太陽的磁場(chǎng)，日球?qū)颖Ｗo(hù)我們免受外部宇宙輻射的傷害。

這些新天體位于太陽磁場(chǎng)強(qiáng)度開始衰減的地方。它們的軌道甚至可能足夠遠(yuǎn)，偶爾會(huì)把它們帶出日球?qū)樱蒙碛趤碜孕请H介質(zhì)的強(qiáng)烈宇宙輻射的沖擊之中。這種輻射，再加上它們暴露于太陽風(fēng)中，可能會(huì)影響它們的成分，使其與距離較近的柯伊伯帶天體有所不同。

盡管目前無法近距離了解這些天體的確切情況，但我們?cè)撊绾蜗胂笏鼈兡?？弗雷澤有一個(gè)想法。

“如果讓我猜測(cè)，我認(rèn)為它們可能是暗紅色的，表面沒有水冰，這在柯伊伯帶天體中是很常見的，”他說，“我認(rèn)為這些天體看起來會(huì)像矮行星賽德娜，但它們可能看起來更不尋常?！?/p>

許多柯伊伯帶天體呈深紅色，這是因?yàn)樗鼈兊挠袡C(jī)化合物暴露在宇宙輻射下。輻射破壞了這些化合物中的氫鍵，將大量氫釋放到太空中，留下的則是無固定形態(tài)的有機(jī)沉積物。隨著時(shí)間的推移，這些沉淀物因持續(xù)受輻射而變得越來越紅。

弗雷澤還預(yù)測(cè)，這些新天體缺乏表面水冰，因?yàn)榫嚯x較遠(yuǎn)的柯伊伯帶天體（雖然沒有這些新發(fā)現(xiàn)的天體那么遠(yuǎn)）在觀測(cè)上并未顯示出水冰的跡象。水冰在柯伊伯帶中很常見，他認(rèn)為這些新天體的紅色外殼之下可能隱藏著水冰。

走出黑暗

對(duì)這類天體的研究可能會(huì)改變?nèi)藗儗?duì)太陽系起源的認(rèn)知，以及它與已觀測(cè)到的系外行星系統(tǒng)的對(duì)比。我們的太陽系是“正常”的嗎？

由于柯伊伯帶被認(rèn)為僅延伸至距離太陽約48天文單位的地方，而在系外行星系統(tǒng)中，距離恒星約150天文單位遠(yuǎn)的地方仍有天體存在。因此與系外行星系統(tǒng)相比，太陽系曾經(jīng)顯得很小。在距離太陽遠(yuǎn)達(dá)80天文單位處探測(cè)到天體后，太陽系的尺寸顯得更加“正?！?。這似乎也表明，由于太陽系比我們之前想象的要大，它也是在一個(gè)更大的星云中形成的。

“太陽系形成的時(shí)間線是我們必須要搞清楚的，而研究柯伊伯帶為確定最早的時(shí)刻——?dú)怏w和塵埃開始坍縮成宏觀天體——奠定了基礎(chǔ)?！毙乱曇疤?hào)研究員馬克 · 布伊（Marc Buie）說道。布伊發(fā)現(xiàn)了小行星“天涯海角”，并領(lǐng)導(dǎo)了最近發(fā)表在《行星科學(xué)雜志》（The Planetary Science Journal）上的另一項(xiàng)研究。

“天涯海角”本身改變了人們對(duì)行星形成的看法，因?yàn)樗膬蓚€(gè)瓣似乎是輕輕地粘在一起的，而不是像一些理論假設(shè)的那樣在劇烈碰撞中形成的。在此前后，人們從未發(fā)現(xiàn)過類似的天體。

塵歸塵

新視野號(hào)團(tuán)隊(duì)還在密切關(guān)注另一個(gè)潛在的問題，即這些新天體是不是二體系統(tǒng)。

大約10%至15%的已知柯伊伯帶天體都在二體系統(tǒng)中繞著伴星運(yùn)行，而弗雷澤認(rèn)為，二體系統(tǒng)可以揭示行星胚胎形成的許多問題。行星胚胎是在年輕恒星系統(tǒng)中通過天體間的溫和并合后粘在一起形成的固態(tài)天體。其中一些天體可能會(huì)因引力作用而相互束縛，形成二體系統(tǒng)。

隨著新視野號(hào)越走越遠(yuǎn)，它的塵埃計(jì)數(shù)器傳回了塵埃撞擊它時(shí)的速度和質(zhì)量數(shù)據(jù)。這些信息顯示，它周圍的塵埃量并沒有減少，而這些塵埃來自天體之間的相互碰撞。

“我們發(fā)現(xiàn)，隨著我們走得越來越遠(yuǎn)，太陽系的塵埃越來越多，這與我們?cè)谀莻€(gè)距離上預(yù)期的情況完全相反，”新視野號(hào)首席研究員艾倫 · 斯特恩（Alan Stern）說，“那片區(qū)域可能有大量天體在碰撞?！?/p>

美國宇航局此前曾決定，新視野號(hào)不太可能像飛掠“天涯海角”那樣再次飛掠另一個(gè)柯伊伯帶天體，因此任務(wù)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了日球?qū)印５F(xiàn)在，隨著新視野號(hào)團(tuán)隊(duì)借助昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了這些意想不到的遙遠(yuǎn)天體，而且隨著航天器越飛越遠(yuǎn)，塵埃也不斷被探測(cè)到，也許有機(jī)會(huì)進(jìn)行另一次飛掠。斯特恩對(duì)此仍保持謹(jǐn)慎態(tài)度。

“我們將看看這些天體與更近的柯伊伯帶天體相比如何，但如果我們能找到一個(gè)可以接近的天體，我們將有機(jī)會(huì)真正比較它們的地質(zhì)特征和形成模式，”斯特恩說，“但這種可能性不大，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在的燃料只剩下1/10了?！?/p>

結(jié)合使用昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡和LORRI望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)勢(shì)在于，LORRI望遠(yuǎn)鏡可以從側(cè)向觀測(cè)天體，或至少從一定角度經(jīng)過它們進(jìn)行觀測(cè)。如果新視野號(hào)能夠接近至少一個(gè)新的天體，這將是望遠(yuǎn)鏡組合的最佳選擇。如果天體位于航天器后方，那么結(jié)合不同角度的觀測(cè)可以獲得該天體表面的物理信息。

南希 · 格雷斯 · 羅曼空間望遠(yuǎn)鏡未來可能帶來更多驚人的觀測(cè)成果。該望遠(yuǎn)鏡的鏡面較小，但視野很寬。斯特恩將它比作“太空的雙瞳”，它只需要對(duì)目標(biāo)區(qū)域觀測(cè)一兩次就能在廣袤的天空中搜索并可能發(fā)現(xiàn)天體。相比之下，詹姆斯 · 韋布空間望遠(yuǎn)鏡需要進(jìn)行數(shù)百次觀測(cè)。而大多數(shù)其他望遠(yuǎn)鏡可能需要成千上萬次觀測(cè)才能做到這一點(diǎn)。

“我們所有人最大的希望就是能找到更多飛掠目標(biāo)，”布伊說道，“如果我們能讓某個(gè)天體在LORRI望遠(yuǎn)鏡上顯示出幾個(gè)像素，那將是不可思議的?！?/p>

大約一年前，美國宇航局認(rèn)為再次飛掠柯伊伯帶天體的可能性很小，因此他們將任務(wù)重心轉(zhuǎn)向了太陽物理學(xué)（即日球?qū)拥倪吘墸?。斯特恩試圖阻止這一轉(zhuǎn)變，他一直希望將重點(diǎn)放在柯伊伯帶天體上。而美國宇航局目前的態(tài)度是“如果我們找到一個(gè)能拍攝圖像的天體，我們就會(huì)這么做”。因此，我認(rèn)為斯特恩的很多措辭反映了他個(gè)人的愿望——希望進(jìn)行更多的飛掠任務(wù)。但我們的工作是提供準(zhǔn)確的信息，即這樣的事不太可能發(fā)生。

資料來源 Ars Technica

————————

本文作者伊麗莎白·雷恩（Elizabeth Rayne）是一位“寫作生物”。她的文章曾發(fā)表在space.com網(wǎng)站、生活科學(xué)（live science）等多家媒體或出版物上。她和她的鸚鵡一起生活在紐約市郊外。