從海王星以外寒冷的邊緣地帶正在引發(fā)一場太陽系起源和演化的革命。

　　1930年2月18日下午，24歲的克萊德·湯博（Clyde Tombaugh）做出了一個劃時代的發(fā)現(xiàn)。當時這名美國洛韋爾天文臺的天文學家正在比較上個月拍攝的兩張底片，他發(fā)現(xiàn)雙子座中有一個微小的光點相對于背景的恒星位置有了稍稍地移動。短短幾個月內(nèi)，天文學家就把它命名為“冥王星”，而太陽系中也在海王星之外多了一顆行星。

　　幾十年之后天文學家才發(fā)現(xiàn)了另一個與之類似的天體。1992年，美國夏威夷大學的天文學家戴夫·朱伊特（Dave Jewitt）和簡·路（Jane Luu）發(fā)現(xiàn)一個大型的天體，它繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道完全都在海王星軌道之外?？乱敛畮祗w1992 QB1的發(fā)現(xiàn)告訴天文學家，太陽系的周圍存在著一個由這些天體組成的帶或者盤。這些古老的天體代表著的正是行星形時期的殘余物。

　　但其實早在20世紀30、40和50年代，一些行星科學家——弗雷德里克·倫納德（Frederick Leonard）、肯尼思·埃奇沃思（Kenneth Edgeworth）以及其中最著名的是杰勒德·柯伊伯（Gerard Kuiper）——猜測在太陽系的外圍存在一個由遙遠的天體所組成的帶。

　　然后，在1978年，美國亞利桑那大學的查爾斯·科沃爾（Charles Kowal）發(fā)現(xiàn)了一個冰質(zhì)的天體，被命名為“喀戎”。它繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道大部分在土星和天王星的軌道之間。這個直徑180千米的天體的軌道在數(shù)百萬年內(nèi)就會變得不穩(wěn)定，因此它必定起源自更為遙遠的地方。雖然現(xiàn)在天文學家認為它是一個來自柯伊伯帶的“逃犯”，但在當時即使是發(fā)現(xiàn)了喀戎也并沒有讓柯伊伯帶的存在變得令人信服。

　　直到20世紀80年代后期，當研究彗星動力學的天文學家掌握了越來越多的證據(jù)之后，事情才出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機。對彗星軌道的整體分析顯示，即便是遙遠的奧爾特云也不足以解釋出現(xiàn)在太陽系行星軌道面內(nèi)彗星數(shù)量。因此，行星科學家們開始形成一個共識，柯伊伯帶也許真的存在。很快，越來越復雜的動力學模型證實了這一結(jié)果，暗示在海王星軌道之外還存在著一個遙遠的彗星乃至更大天體的倉庫。

　　觀測天文學家們把他們的望遠鏡和CCD相機對準了天空來尋找這些天體。在各路人馬大海撈針了數(shù)年之后，朱伊特和路終于發(fā)現(xiàn)了1992 QB1。1992 QB1在最亮時也只有24或25等——比肉眼所能看到的最暗弱天體還要暗上數(shù)百萬倍，相對于背景恒星也幾乎不動。

　　就在發(fā)現(xiàn)1992 QB1的短短一年之內(nèi)，天文學家又發(fā)現(xiàn)了4個柯伊伯帶天體。1年后，柯伊伯帶天體的總數(shù)為10個。到1992 QB1發(fā)現(xiàn)10周年時，柯伊伯帶天體的數(shù)量已接近1,000。但更讓人吃驚的是，發(fā)現(xiàn)這些天體的巡天僅僅覆蓋了沿著黃道超過15,000平方度的天區(qū)中還不到1%的部分。

　　行星天文學家很快意識到，在如此小的區(qū)域中發(fā)現(xiàn)了數(shù)目如此龐大的天體意味著還有大量與之類似的天體尚未被發(fā)現(xiàn)?？乱敛畮暮Ｍ跣擒壍篱_始向外至少延伸出55個天文單位（1天文單位約為1.5億千米），這個數(shù)字是巨行星區(qū)域?qū)挾鹊?倍數(shù)。其覆蓋的范圍則超過了6,500平方天文單位。

柯伊伯帶概念圖

　　柯伊伯帶的發(fā)現(xiàn)使我們重新繪制了太陽系的地圖。畢竟，它是在整個行星系統(tǒng)中最大的結(jié)構。它的尺度、質(zhì)量以及絕對數(shù)量都讓小行星帶相形見絀。這一發(fā)現(xiàn)的影響決不亞于在地球上發(fā)現(xiàn)了太平洋之后所有的地圖都不得不整個重新畫過。

　　同樣神奇的是，柯伊伯帶中還包含了許多大型的天體。天文學家估計，1992 QB1的直徑達到了大約100千米，質(zhì)量則達到了一顆典型彗星的約30,000倍。但很快天文學家們又發(fā)現(xiàn)了直徑是它2倍、3倍乃至10倍以上、質(zhì)量1,000倍于它的天體?？茖W家們認識到，柯伊伯帶不僅保留了構建行星的建材還留存有矮行星。后者的直徑可以達到數(shù)百甚至數(shù)千千米。

　　柯伊伯帶的發(fā)現(xiàn)也首次揭示出了冥王星所處的環(huán)境。它并不是一個在一條奇怪軌道上運轉(zhuǎn)的孤獨星球，相反它是眾多散落在外太陽系的矮行星中被發(fā)現(xiàn)的第一個。

　　這兩項發(fā)現(xiàn)——太陽系中最大的結(jié)構并且認識到太陽系早期形成了許多矮行星——從根本上改變了天文學家的看法。其意義相當于幾個世紀前對天王星和海王星的發(fā)現(xiàn)。
　　而這僅僅是發(fā)現(xiàn)柯伊伯帶之后10年間的事情。但不曾想柯伊伯帶還帶給了我們更多的驚喜，且每一個都更加地令人興奮。

柯伊伯帶是一個巨大的包含有成千上萬個天體的盤

冰山一角

　　研究行星形成的天文學家發(fā)現(xiàn)，柯伊伯帶中較大的天體不可能是從今天我們所看到的柯伊伯帶中形成的。目前的柯伊伯帶實在太稀了，物質(zhì)分布得過于松散無法形成大質(zhì)量的天體。相反，計算機數(shù)值模型顯示，要形成如今觀測到的柯伊伯帶天體必須要有10個甚至多達50個地球質(zhì)量的物質(zhì)。而這個數(shù)字是當前柯伊伯帶質(zhì)量的數(shù)百倍。

　　對柯伊伯帶天體軌道的研究清楚地表明，它們中的絕大數(shù)軌道偏心率和相對于黃道的傾角都過高，根本無法進行吸積。為了形成行星或者是類似柯伊伯帶中較大的天體，較小物質(zhì)團塊軌道的偏心率和傾角都必須很小。只有這樣，它們之間的碰撞才不會過于猛烈從而可以逐漸增大進入早期吸積階段。

　　因此，正如這些大型的天體所告訴我們的，柯伊伯帶曾經(jīng)的質(zhì)量比現(xiàn)在的要大得多，這些天體的軌道分布還表明有東西嚴重地擾亂了柯伊伯帶的動力學以及其中天體的軌道。

　　這意味著當今的柯伊伯帶和遠古的截然不同，這著實令人震驚，因為它說明外太陽系外經(jīng)歷了劇烈的變化。它同時還提出了一個新的問題：那些“失蹤的物質(zhì)”到底去了哪里？

　　對柯伊伯帶天體軌道的進一步研究可以為這個問題提供線索甚至更深入的見解。當然，第一條線索是柯伊伯帶天體的軌道和太陽系內(nèi)行星以及巨行星區(qū)天體的有著天壤之別。與這些天體近圓、共面的軌道不同，柯伊伯帶天體軌道顯得縱橫交錯、雜亂無章。整個柯伊伯帶的厚度可以高達10個天文單位。

　　埋藏在柯伊伯帶天體軌道中的另一條線索是它們中許多的公轉(zhuǎn)周期都和海王星的呈整數(shù)比。例如，其中一些每繞太陽公轉(zhuǎn)2圈的時間正好和海王星繞太陽3圈的時間相等。長久以來天文學家就已經(jīng)知道冥王星就擁有這樣的軌道，但大約在15年前天文學家又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了其他具有這一特性的柯伊伯帶天體。這些柯伊伯帶天體的軌道周期和海王星的之比為2:1、5:3和7:4，這一現(xiàn)象也被稱為共振。

雖然當時沒人知道，但冥王星是天文學家發(fā)現(xiàn)的第一個柯伊伯帶天體?，F(xiàn)在我們知道的冥王星系統(tǒng)中包含了一個大型的衛(wèi)星（冥衛(wèi)一）和至少兩個較小的衛(wèi)星（冥衛(wèi)二和冥衛(wèi)三）。

遷移

　　是什么會造就了這些共振軌道？天文學家認為，柯伊伯帶天體軌道的共振、大偏心率以及高傾角反映出的正是行星的遷移。

　　由此，柯伊伯帶又告訴了我們一些全新的東西，巨行星已經(jīng)遷移到了遠離它們出生地的地方。在這個過程中，它們會在柯伊伯帶天體的軌道分布上留下印跡。這是研究柯伊伯帶天體帶來的又一革命。這顛覆了對行星系統(tǒng)的傳統(tǒng)觀念。

　　最近的計算機模擬顯示，雖然木星和土星遷移的距離可能不超過1個天文單位，但天王星和海王星卻遠離了它們的誕生地許多個天文單位。事實上，這兩顆行星甚至可能就形成于木星和土星之間的某個地方。

　　另一個意外是，天文學家在2000年和2001年發(fā)現(xiàn)柯伊伯帶天體的軌道傾角可以分為兩大族群。其中一族在動力學上是“冷”的，它們具有較小的軌道傾角，似乎預示它們是在當?shù)匦纬傻?。還有一族在動力學上則是“熱”的，它們具有較大的軌道傾角，極有可能是在巨行星清空其周圍的物質(zhì)以及遷移的過程中被散射到柯伊伯帶的。

　　這奇特的現(xiàn)象雖然讓人吃驚，但卻是真實的。同時柯伊伯帶天體的顏色也支持了這一觀點。熱族的柯伊伯帶天體總體上要比顏色多樣的冷族柯伊伯帶天體更紅。

許多柯伊伯帶天體的軌道與海王星存在共振。有些和冥王星類似呈3:2共振，其他的則還有2:1、5:3和7:4軌道共振等。

柯伊伯帶天體自身

　　上面提到的大多數(shù)有關柯伊伯帶的發(fā)現(xiàn)關注的都是它的整體特征?？乱敛畮祗w的存在以及它們的軌道細節(jié)為外太陽系的起源和演化提供了線索。但對于每一個柯伊伯帶天體由于它們十分遙遠再加上非常暗弱，因此很難被單獨研究。盡管如此，科學家們還是嘗試了解了它們的物理性質(zhì)。

　　天文觀測顯示柯伊伯帶天體具有繁雜的多樣性。有些柯伊伯帶天體看上去暗如黑色的天鵝絨，而另一些則具有冰一般的反射率。有些看上去紅如火星，而其他的則沒有顏色。光譜觀測表明，水冰是一些柯伊伯帶天體表面的主要成分，而其他的則更多地含有如甲烷、乙烷、銨基水合物、一氧化碳和氮等特殊的物質(zhì)。冥王星就屬于含氮的一族。

　　許多柯伊伯帶天體還具有衛(wèi)星。雖然目前的技術還無法直接探測這些衛(wèi)星，但在已知的柯伊伯帶天體中有超過20%的擁有衛(wèi)星。這包括了其中最大的四個：冥王星、鬩神星、妊神星和鳥神星。有幾個柯伊伯帶天體甚至還擁有不止一顆衛(wèi)星，冥王星就是一個最好的例子。隨著觀測技術的不斷改善，預計會發(fā)現(xiàn)更多柯伊伯帶天體的衛(wèi)星。也許最終我們會發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)柯伊伯帶天體都擁有衛(wèi)星，沒有衛(wèi)星的倒成了少數(shù)。

　　大多數(shù)柯伊伯帶天體的衛(wèi)星和它們所圍繞的柯伊伯帶天體相比都很小。但也有例外，一些柯伊伯帶天體的衛(wèi)星達到了它們主星的至少一半大，這使得它們更像是雙星系統(tǒng)。1978年，盡管當時還沒有人知道冥王星屬于柯伊伯帶，但它卻成為了第一個被發(fā)現(xiàn)的柯伊伯帶雙星系統(tǒng)。在一張模糊的照片中，美國海軍天文臺的天文學家詹姆斯·克里斯蒂（James Christy）在冥王星的邊緣發(fā)現(xiàn)了一個不規(guī)則的突起，從而第一個發(fā)現(xiàn)了冥王星體型較大的衛(wèi)星冥衛(wèi)一。

在太陽系外圍存在著不同種類的柯伊伯帶天體。經(jīng)典柯伊伯帶天體是“冷”的，軌道偏心率和傾角都相對較小，而另一些則是“熱”的，軌道偏心率和傾角都相對較大。這張圖是分別從垂直于黃道（上圖）和平行于黃道（下圖）的角度所看到的這些柯伊伯帶天體的軌道分布。

展望未來

　　在戴夫·朱伊特和簡·路發(fā)現(xiàn)了柯伊伯帶之后近30年，現(xiàn)在我們可以看到它是如何深刻地改變了我們對太陽系結(jié)構和小天體性質(zhì)的認識。

　　但柯伊伯帶仍然存在許多謎題?？乱敛畮г诰嚯x太陽55個天文單位的地方是否真的存在一個邊界，或者那里僅僅另一個更龐大的結(jié)構和柯伊伯帶之間的空隙？柯伊伯帶天體中的冷族和熱族是在何時何地形成的？是否有很多柯伊伯帶天體都像冥王星一樣擁有大氣？

　　在未來十年中隨著很多新的強力設備的投入使用，科學家們將能回答這些以及其他許多的問題。這些設備會幫助我們更深入地探測柯伊伯帶、更細致地研究柯伊伯帶天體。全景巡天望遠鏡和快速反應系統(tǒng)以及大口徑全天巡視望遠鏡將發(fā)現(xiàn)10倍于目前已知數(shù)量的柯伊伯帶天體。阿塔卡馬大型毫米波天線陣則能直接測量數(shù)以千計的柯伊伯帶天體的大小和反照率。而今天我們掌握這些信息的柯伊伯帶天體只有幾十個。

　　但最大的進展可能來自美國宇航局的“新視野”探測任務。它在2015年探測冥王星系統(tǒng)。按計劃，隨后它飛掠1～2個距離太陽更遠的小型柯伊伯帶天體。

　　毫無疑問，7～10年之后天文學家可能將會找到柯伊伯帶許多謎題至今尚不為人所知的答案。然而，新的認識又會帶來新的疑問。這也正是未來十年對柯伊伯帶的探測令人向往的原因。畢竟，天文學最迷人之處就在于用新數(shù)據(jù)和想法去解開謎題，同時改變我們自己對所處太陽系和宇宙的看法。