柯伊伯帶和奧爾特星雲是什麼關係?

一、柯伊伯帶的形成與演化

首先,任何一個新恆星的形成都需要一團濃密的星雲氣體,通過星雲的不斷運動和在襁褓中心的恆星引力,星雲逐漸自我集中,形成中心的主恆星,然後再形成一個原行星盤,經過幾十億年的演化構成了今天類似太陽系的這種穩定結構:主恆星進入蓬勃的生命週期,釋放的能量保持穩定,各個環繞的行星系統按照比較穩定的軌道圍繞主恆星運轉,構成了一個穩定的星盤。

奧爾特星雲就屬於這片星雲的最外圍,但如何界定它的定義範圍莫衷一是,比如NASA甚至定義到了近兩光年外,幾乎是我們到比鄰星距離的一半了。而柯伊伯帶則屬於這個原始星盤的外圍(距離太陽約45億公里以上),相當於太陽系主行星區域與外圍殘留星雲(奧爾特雲)的交界地帶,跟奧爾特雲的規模相比簡直是原子核對比整個原子。

這裡太陽引力和土星、木星、天王星、海王星這些巨型行星的影響力互相作用。不同行星軌道週期各不相同,因此對於柯伊伯帶而言,受到不同週期的引力,比如土星每繞太陽旋轉一週的時間,木星則旋轉了兩週,使得柯伊伯帶不斷被這種週期性變化的引力(共振)作用。它的效果使得太陽系內某些區域產生一個巨型行星的可能性變得非常低。經年累月的作用下來,柯伊伯帶就形成了一個由許多微星和原始星盤碎片構成的區域,冥王星也處於這個區域。

柯伊伯帶和奧爾特星雲是什麼關係?

柯伊伯帶大致位置,圖中英文分別是(Jupiter-木星,Saturn-土星,Uranus-天王星,Neptune-海王星,Pluto-冥王星,Kuiper Belt-柯伊伯帶),來自NASA

更外圍的奧爾特雲距離太陽引力更遠,無疑受著更復雜的攝動力,保持著極其稀疏甚至混亂的狀態,不過那裡太遠了,人類並不能探測到什麼有效的東西,只是理論邏輯上的推演而已。

二、人類對柯伊伯帶的認識與研究

人類目前對柯伊伯帶的瞭解還非常有限,過去天文學家一直認為此處空無一物,是太陽系的盡頭。但隨著天文觀測技術的發展及人類計算能力的提高,柯伊伯帶和奧爾特雲的概念逐漸成型並被證實。成熟的柯伊伯帶理論最早始於上世紀50年代,是由愛爾蘭裔科學家艾吉沃斯提出、荷蘭美籍科學家柯伊伯研究並深入的一套天文研究體系。但當時的觀測條件依然不夠直接發現這麼遙遠的實際證據,第一個柯伊伯帶天體的發現已經是1992年了。目前人類的深空探測能力大大增強,在這裡發現了更多的小型天體。天文學家按照目前的估計甚至認為發現的柯伊伯帶天體恐怕只是小小冰山一角,那裡的天體數量很有可能超過10億顆,而直徑超過100千米小行星可能高達35000顆,著實是個龐大的系統。

三、對柯伊伯帶觀測的“新視野“

近期剛剛抵達的新視野號開拓了“新視野“,它從不到1萬公里的距離詳細觀測了冥王星,並拍出了人類第一張冥王星彩圖。目前的觀測結果表明,冥王星要比原先估計的體積大一些(直徑為2370±20千米),超越了另一顆著名的柯伊伯帶矮行星鬩神星成為太陽系內最大矮行星。但後者質量要比冥王星大約27%,冥王星的大氣也比想象中更稀薄一些。在飛離冥王星後,新視野號會繼續前行,在有效控制下(如今的技術已經比它之前旅行者/先鋒幾個探測器高太多了),搜索柯伊伯帶的相對大型天體(直徑50-100千米左右,未最終確定),繼續探祕。

柯伊伯帶和奧爾特星雲是什麼關係?

7月13日新視野號拍到的冥王星彩圖

新視野觀測冥王星的最新結論讓人對柯伊伯帶的興趣頓時達到了頂點,由於柯伊伯帶附近一直沒有形成一顆大型行星,受太陽影響極其微弱,也沒有經歷各種複雜的天文現象,因此它的大部分構成基本上代表了太陽系形成初期的原始成分,這對了解太陽系的起源非常有意義。天文學家根據這些觀測普遍認為,這個區域充滿了微小冰封的物體,是太陽系最為寶貴的活化石,應該時刻期待新視野號的未來發現。

四、柯伊伯帶-彗星和生命的家園

柯伊伯帶另一個很大的祕密是太陽系那些短週期(軌道週期小於200年)彗星族群,比如最典型的哈雷彗星,都來源於這個區域,目前發現的會訪問太陽的彗星已有約600顆!一個解釋地球生命起源的經典理論是彗星說,也許曾經的某顆彗星撞擊地球,為地球帶來了最基本的有機物。而地球所處的太陽系位置又非常完美,最終孕育了地球上的所有生命。也因此,彗星尤其是來自柯伊伯帶的彗星研究,成為一個熱點。

最著名的就是歐洲宇航局的羅塞塔任務,在經過10年的漫長太空旅行後,羅塞塔於2014年年底抵達了一顆叫做67P/丘留莫夫-格拉西緬科的短週期(6.45年)彗星。這顆彗星目前位於太陽系內部,每週期運動都受到很多天體攝動,天文學家推算很有可能它很早之前源於柯伊伯帶。羅塞塔釋放了菲萊登錄器最終登上了這顆彗星,目前的研究結果表明,這顆彗星上在不斷蒸發水蒸氣,而且探索到了可能的有機物存在證據。

柯伊伯帶和奧爾特星雲是什麼關係?

羅塞塔登陸彗星效果圖

羅塞塔的發現意義非凡,關於生命起源的理論與推想越來越多和太陽系內的其他天體尤其是彗星聯繫起來,而柯伊伯帶則是孕育這個偉大起源的最大可能。目前,對其他彗星和小行星的探測任務也在論證中,或許未來會有更多的探測器訪問甚至登陸彗星,帶來更多的生命起源證據。

但還要記得,太陽系的外圍還有一團巨大的星雲包裹著整個太陽系,它遠遠超過柯伊伯帶的距離,那是我們真正的襁褓,奧爾特雲。這個星雲是由水冰、氨和甲烷等固體揮發物構成的龐大結構,天文學家認為它是太陽系的根源。目前唯一能有所探尋的是長周期彗星,有時它們會被引力捕獲成為短周期彗星,正如柯伊伯帶彗星,可是這種觀測機會實在罕見。奧爾特雲的寬度最遠已經距離太陽達到兩個光年,幾百年內的人類,恐怕現有的技術還無法走出這個我們誕生的地方。

因此,人類對柯伊伯帶乃至奧爾特雲的探索,真的可以用一句經典的詩句來形容:路漫漫其修遠兮,吾將上下而求索!這個世界的盡頭,或許就是我們起源的地方…

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