發(fā)現(xiàn)柯伊伯帶

文/張唯誠

1992 年夏天，在美國夏威夷的一座山頂上，兩位科學(xué)家使用望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一個(gè)穿越雙魚座的光點(diǎn)，這個(gè)不起眼的小天體位于距離海王星10 億千米之外的軌道上，它的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著科學(xué)家們真正發(fā)現(xiàn)了柯伊伯帶，從而將人類對(duì)太陽系的理解向前推進(jìn)了一步。

柯伊伯帶是太陽系形成過程中遺留下來的一個(gè)存在著大量冰凍天體的地帶，它的形狀像一個(gè)甜面包圈。那里曾經(jīng)被認(rèn)為是一片虛空，但那個(gè)小天體的發(fā)現(xiàn)，證明它并非一無所有。它的存在表明，在太陽系已知行星的軌道之外還潛藏著一個(gè)更加神秘的世界。

隨著人類對(duì)柯伊伯帶的探索逐漸深入，人類對(duì)太陽系起源和演化的奧秘有了越來越清晰的認(rèn)識(shí)，而推動(dòng)這一切的就是那個(gè)穿越了雙魚座的光點(diǎn)。它的直徑大約 250 千米，是一個(gè)冰和巖石的混合體，它的出現(xiàn)開啟了人類對(duì)柯伊伯帶的發(fā)現(xiàn)之旅。現(xiàn)在，距離發(fā)現(xiàn)那個(gè)小天體已經(jīng)過去30 多年了，人類對(duì)柯伊伯帶的探索仍在進(jìn)行之中。

搜索外太陽系

20 世紀(jì)80 年代后期，在美國麻省理工學(xué)院工作的行星科學(xué)家大衛(wèi)·杰維特和天文學(xué)家簡·盧開始了一項(xiàng)持續(xù)好幾年的探索。他們使用望遠(yuǎn)鏡拍攝夜空，沒有設(shè)定特定的目標(biāo)，只是搜索夜空以期有所發(fā)現(xiàn)。

在當(dāng)時(shí)，有一個(gè)很大的疑問正困擾著天文學(xué)家們。人們發(fā)現(xiàn)太陽系內(nèi)部擠滿了行星、小行星和彗星，但一旦越過氣態(tài)巨行星的軌道，情況就不同了，那里除了小而冰冷的冥王星外似乎空無一物。這一現(xiàn)象同樣引起了大衛(wèi)·杰維特和簡·盧的興趣。他們認(rèn)為，也許在那遙遠(yuǎn)的地方是存在物質(zhì)的，搜尋那片深邃的天空似乎是很值得一試的事情。

兩位科學(xué)家開始拍攝夜空以尋找移動(dòng)極其緩慢的天體，這種天體位于遙遠(yuǎn)的外太陽系，移動(dòng)緩慢是它們與地球相距遙遠(yuǎn)的標(biāo)志。但幾年過去了，他們什么也沒有找到。

時(shí)間到了1992 年，事情終于發(fā)生了轉(zhuǎn)機(jī)。8 月30 日晚上，大衛(wèi)·杰維特和簡·盧利用美國夏威夷大學(xué)的望遠(yuǎn)鏡上的相機(jī)尋找遙遠(yuǎn)的天體。他們采用了比較原始的方法：拍一張夜空的照片，約一個(gè)小時(shí)后，在同一天區(qū)再拍一張，如此重復(fù)下去。這樣，假若真有天體存在，它就會(huì)在照片上顯示移動(dòng)了位置。如果它是一個(gè)真實(shí)的天體，那么它的移動(dòng)就會(huì)以某種可以預(yù)測的速度穩(wěn)定地進(jìn)行下去。21 時(shí)14 分，他們收集到了雙魚座同一位置的2 張圖像，發(fā)現(xiàn)有一粒光點(diǎn)向西移動(dòng)了一點(diǎn)點(diǎn)。

然而，還不是慶祝的時(shí)候，因?yàn)樗麄兠靼?，來自太空的高能粒子，即宇宙射線也會(huì)將雜亂的信號(hào)投射在圖像中，所以他們還需等待。真正重要的是這個(gè)斑點(diǎn)是否能夠出現(xiàn)在2 張以上的圖像中。

他們緊張地等到23 時(shí)，望遠(yuǎn)鏡上的相機(jī)終于完成了第3 張圖像的拍攝，這個(gè)天體還在那里，它又向西移動(dòng)了一點(diǎn)。午夜過后，第4 張圖像完成了，圖片顯示那個(gè)天體再次移動(dòng)了位置：它是真實(shí)的！

從地球上看，這個(gè)天體移動(dòng)得非常緩慢，它需要將近一個(gè)月的時(shí)間才能移動(dòng)相當(dāng)于一輪滿月在夜空中存在的寬度。根據(jù)這種悠閑的“步態(tài)”和它微弱的亮光，他們做了一些快速的計(jì)算：這個(gè)天體的直徑大概有250 千米，相當(dāng)于冥王星直徑的十分之一。它的軌道遠(yuǎn)遠(yuǎn)地存在于海王星軌道之外，而且很有可能它并不孤單。后來，這個(gè)新發(fā)現(xiàn)的天體被命名為“1992 QB1”。

“1992 QB1”天體

盡管此時(shí)大衛(wèi)·杰維特和簡·盧搜索夜空已經(jīng)好多年了，但他們?nèi)匀恢挥^測了很小的范圍，因此他們認(rèn)為可能還有成千上萬個(gè)這樣的天體正在等待著被發(fā)現(xiàn)。這意味著，這個(gè)新天體的發(fā)現(xiàn)極大地拓展了太陽系的已知范圍，它將人們的視線轉(zhuǎn)移到一個(gè)全新的領(lǐng)域。

完善對(duì)柯伊伯帶的認(rèn)識(shí)

僅僅幾個(gè)月后，大衛(wèi)·杰維特和簡·盧又發(fā)現(xiàn)了第2個(gè)天體，它也在遠(yuǎn)離海王星的軌道上運(yùn)行。接著，更多的發(fā)現(xiàn)接踵而至。幾年以后，他們發(fā)現(xiàn)了40 至 50 個(gè)這樣的天體。而且，隨著天文學(xué)家們用于捕捉圖像的數(shù)字探測技術(shù)不斷提高，人們的發(fā)現(xiàn)也越來越多。

探測表明，這些冰凍天體中的一些甚至在冥王星之外的軌道上運(yùn)行，這是非常引人深思的現(xiàn)象。自冥王星被發(fā)現(xiàn)后，人們?cè)缫寻l(fā)現(xiàn)了它是與眾不同的：它比月球還小，看起來和它的鄰居— 那些巨大的氣態(tài)行星一點(diǎn)也不相配。更為重要的是，它的公轉(zhuǎn)軌道面與太陽赤道的夾角達(dá)到17 度，而其他大行星都在5 度以內(nèi)。那么，它為何如此特立獨(dú)行呢？現(xiàn)在，人們突然有些明白了：也許，冥王星并不屬于行星世界，它屬于另外一個(gè)不同的領(lǐng)域，也許是另外一組奇怪天體中最大的一個(gè)。在當(dāng)時(shí)，大衛(wèi)·杰維特和簡·盧就準(zhǔn)確地預(yù)言了冥王星即將面臨的處境：它可能是一個(gè)柯伊伯帶天體，不久以后就不會(huì)再被當(dāng)作一顆大行星來對(duì)待。果然，到了2006 年，它被移出了太陽系大行星的行列。

柯伊伯帶以荷蘭裔美國天文學(xué)家杰拉德·柯伊伯的名字命名，因?yàn)槭撬A(yù)測了柯伊伯帶的存在。20 世紀(jì)50 年代，這位科學(xué)家指出，任何曾經(jīng)存在于那里的天體都會(huì)被重力驅(qū)逐到更為遙遠(yuǎn)的地方去，所以柯伊伯帶將變得一片虛空。“1992 QB1”的發(fā)現(xiàn)讓世界真正發(fā)現(xiàn)了柯伊伯帶，但它并沒有被清空，也不再是一個(gè)只存在于猜想中的地帶了。

時(shí)至今日，研究人員已經(jīng)知道，柯伊伯帶從距離太陽大約30 個(gè)天文單位的海王星軌道附近一直延伸到距離太陽大約 55 個(gè)天文單位的地方，從外表上看，它就像一個(gè)胖胖的甜面包圈。

令人好奇的是柯伊伯帶中的冰凍天體是怎么來的。原來，它們是由組成太陽和行星的氣體和塵埃演變而成的殘余物。當(dāng)太陽和行星形成了各自獨(dú)立的個(gè)體后，一些殘余物便被遺留了下來，形成了一些零碎的冰凍天體。這些零碎的冰凍天體有時(shí)會(huì)被海王星等大行星的引力推到太陽系的內(nèi)部，它們?cè)诮咏枙r(shí)就變成了我們經(jīng)?？吹降腻缧牵钥乱敛畮б彩钱a(chǎn)生彗星的地方。但彗星并非僅僅產(chǎn)生于柯伊伯帶，有些彗星相隔很長時(shí)間才接近太陽一次?？茖W(xué)家們認(rèn)為，每隔200 年或更長時(shí)間才圍繞太陽運(yùn)行一圈的彗星，通常來自距太陽系更為遙遠(yuǎn)的冰凍天體庫，即奧爾特云。

如此看來，柯伊伯帶就是一個(gè)宇宙的碎片盤?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，遙遠(yuǎn)的系外行星系統(tǒng)也擁有這樣的碎片盤，它們與柯伊伯帶非常類似。

加深對(duì)太陽系早期演化的理解

2015 年，當(dāng)冥王星探測器—“新視野號(hào)”飛越冥王星時(shí)，科學(xué)家們首次近距離地觀察了這個(gè)柯伊伯帶天體。在接下來的幾年里，“新視野號(hào)”傳回了更多照片，它們不再只是模糊的影像了，比此前人們對(duì)冥王星及其衛(wèi)星的觀測清晰數(shù)千倍。這時(shí)的冥王星向人們呈現(xiàn)了豐富的景觀，包括冰火山和陡峭的峽谷。2019年元旦，“新視野號(hào)”在冥王星軌道之外將近15 億千米的地方飛行時(shí)，飛掠了另一個(gè)柯伊伯帶天體。這個(gè)天體后來被命名為“Arrokoth”，寓意為“天空”。它大約35 千米長，由2 個(gè)一大一小的圓球組成，圓球通過一個(gè)狹窄的“頸”連接?？茖W(xué)家們認(rèn)為，這塊巖石的兩個(gè)球體是由一些小塊巖石黏合而成的。這些巖石之間的碰撞可能發(fā)生得很緩慢，這使得巖石黏在一起，而不是撞成了碎片。最后，分別成形的兩個(gè)球體又碰撞到了一起。

目前“新視野號(hào)”仍在穿越柯伊伯帶，它非常有希望能夠近距離地研究下一個(gè)柯伊伯帶天體。與此同時(shí)，幾個(gè)天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)正在世界各地使用望遠(yuǎn)鏡尋找新的柯伊伯帶天體，這種天體應(yīng)該離“新視野號(hào)”的飛行軌道不是太遠(yuǎn)，這樣“新視野號(hào)”就能相對(duì)容易地靠近它們。然而，“新視野號(hào)”已經(jīng)飛行到了距離太陽53 個(gè)天文單位的地方，即接近柯伊伯帶的外緣了，這意味著天文學(xué)家們確定新柯伊伯帶天體，并安排“新視野號(hào)”與它們會(huì)合的時(shí)間已經(jīng)不多了。

與此同時(shí)，在夏威夷的莫納克亞山上，科學(xué)家們已經(jīng)使用加拿大—法國—夏威夷望遠(yuǎn)鏡完成了外太陽系的起源調(diào)查。這個(gè)調(diào)查記錄了800多個(gè)之前未知的柯伊伯帶天體，使已知的柯伊伯帶天體總數(shù)達(dá)到了大約3000 個(gè)。這項(xiàng)工作還揭示了柯伊伯帶天體圍繞太陽運(yùn)行的模式?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，它們的軌道并非均勻分布，而是傾向集中于某處，這是它們過去曾受到過某種引力推動(dòng)的明顯跡象。大多數(shù)天文學(xué)家認(rèn)為，造成這種影響的天體是太陽系中的氣態(tài)巨行星。這個(gè)于2000 年提出的觀點(diǎn)認(rèn)為，像海王星和土星這樣的巨行星可能在太陽系早期有過朝向或者遠(yuǎn)離太陽的劇烈運(yùn)動(dòng)，從而擾動(dòng)了存在于外太陽系中的物質(zhì)，許多柯伊伯帶天體的運(yùn)行狀態(tài)也被這種擾動(dòng)改變了。這一觀點(diǎn)解釋了許多柯伊伯帶天體的軌道呈現(xiàn)驚人相似性的現(xiàn)象。

要了解太陽系的早期歷史，人類需要觀測更多的柯伊伯帶天體。研究人員預(yù)計(jì)，一項(xiàng)定于2023 年開始的新天文學(xué)調(diào)查有望發(fā)現(xiàn)大約40000 個(gè)柯伊伯帶天體。屆時(shí)，位于智利中北部的薇拉 · C .魯賓天文臺(tái)將使用3200 兆像素的相機(jī)重復(fù)拍攝整個(gè)南半球的天空，每隔幾個(gè)晚上拍攝一次，為期10 年。這項(xiàng)名為“空間和時(shí)間遺產(chǎn)調(diào)查”的大型探索活動(dòng)將加快人類發(fā)現(xiàn)柯伊伯帶天體的步伐，從而加深人類對(duì)早期太陽系演化過程的認(rèn)識(shí)。

位于智利的薇拉·C .魯賓天文臺(tái)