1943年,爱尔兰出生的天文学家K.Edgeworth发表文章,设想海王星之外的原始星云稀疏物质会聚集成很多小天体,有的偶尔进入内太阳系而成为彗星。1951年,G.柯伊伯(G.Kuiper)推测太阳系演化早期形成类似天体的外盘带,随后又论述此假设。1962年,加拿大天体物理学家G.W.卡米伦(G.W.Cameron)提出,太阳系外围存在大量的小天体。1964年,惠普尔认为那里存在彗星带。
现在人们已把冥王星作为最大的柯伊伯带天体之一,而其他柯伊伯带天体都是远而暗的,比寻找冥王星还要难。生于英国的美国天文学家朱维特和越南裔美籍女天文学家刘丽杏(Jane Luu)经过5年搜寻,在1992年8月30日宣布,发现柯伊伯带天体1992 QB1,给予小行星编号(15760);6个月后,他们又发现(181708)1993 FW。此后,发现的柯伊伯带天体越来越多。
虽然柯伊伯带离太阳30~50 AU,但一般认为,带的主体从39.5 AU处(与海王星2∶3共振)到约48 AU处(1∶2共振)。柯伊伯带相当厚,KBO主要密集于离黄道10°范围,有些KBO弥散几倍远,带的总体更像轮胎或面包圈形,其平均位置对黄道倾角1.86°。由于轨道共振,海王星对柯伊伯带的结构有深远影响。海王星的引力使得一定区域KBO的轨道变为不稳定,或者使它们进入内太阳系,或者外移到弥散盘乃至恒星际。这就导致柯伊伯带现在有类似小行星带的柯克伍德空隙(见图7-56)。
图7-56 KBO的轨道半长径和倾角分布
经典柯伊伯带(classical Kuiper belt)处于与海王星2∶3共振与1∶2共振之间的区域,离太阳42~48 AU。可忽略海王星对那里的引力影响,存在轨道基本上不变的KBO,它们的数目大致占已观测到的三分之二。经典柯伊伯带天体以首先发现的(15760)1992 QB1为原型,而常称为cubewanos(“QB1-o,s”),它们的轨道半长径在40~50 AU范围,轨道偏心率范围为0.2~0.8,30%以上是近圆(最大偏心率为0.25)、轨道倾角小的。它们常以创世诸神来命名,如(136472)Makemake—鸟神星、(50000)Quaoar—创神星。经典KBO在动力学上分为冷族(cold population)和热族(hot population)。冷族天体的轨道特征像行星,即轨道近圆(偏心率小于0.1)、轨道倾角较小(小于5°),也有“核(kernel)”的密集区,半长径为44~44.5 AU。热族的轨道对黄道倾角大(大于5°,可达30°)。两族不仅轨道不同(见图7-57),还有颜色和反照率及大小分配等的差别。冷族天体较红且较亮。颜色的差别反映了成分及形成演化不同。
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图7-57 冥族KBO与经典KBO的轨道
冥王星与海王星的轨道运动周期成2∶3共振,海王星的引力作用使冥王星轨道运动保持很稳定,或者说被“锁定”了。现在已知约200颗天体有同样的共振,它们的轨道半长径约为39.4 AU,称为冥族天体(plutinos),其中有些(包括冥王星)是轨道与海王星轨道交叉的,但如同立交桥的不同层次轨道上的车,它们从来不会碰撞。相应于1∶2轨道共振,轨道半长径约为47.4 AU的KBO有时称为共振海外天体(twotinos),其数目很少,也存在其他共振为3∶4、3∶5、4∶7和2∶5的KBO(见图7-58)。相应于1∶1轨道共振的就是海王星的特洛伊小行星。轨道共振1∶2似乎是个边界,其外面的天体知之甚少。还不清楚,它实际上是否就是经典柯伊伯带的外边界,或者恰是宽空隙的开始。大致在离太阳55 AU(相应于2∶5共振),在经典柯伊伯带之外,已探测到KBO;然而,却没有观测确认这些共振之间存在预言的经典KBO。完全未预料到,50 AU外的小天体数目突然大减——谓之柯伊伯悬崖(Kuiper cliff)。
2019年元旦,新视野飞船传来其掠越摄得的柯伊伯带天体(486958)2014 MU69(Ultima Thule,“天涯海角”)清晰像,它形如“雪人”,是两个结合的密接双小行星(见图7-59),表面淡红,有直径6 km的坑,它的更多情况有待传回更多的图像信息。
图7-58 KBO的轨道共振
图7-59 柯伊伯带天体2014 MU69
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