柯伊伯帶新發(fā)現(xiàn)

太陽系柯伊伯帶似乎比我們原以為的要大得多。

早在2017年，美國宇航局的宣傳圖顯示，新視野號預(yù)計在2020年左右到達柯伊伯帶的外緣。然而，這并未實現(xiàn)

在太陽系外圍、位于冰巨星海王星之外，有一個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外部邊界，對吧？

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團隊探測到潛伏在距離太陽60至80天文單位之間的11個新天體后，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形式可見，而新視野號研究員韋斯利 · 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

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

“我們使用昴星團望遠鏡是因為它的超廣視場攝像頭擁有非常寬廣的視野。”弗雷澤說，“這個攝像頭可以快速進行深度和廣角觀測，我們還通過LORRI的視野，沿著軌跡尋找附近的天體。”

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氣泡；結(jié)合太陽的磁場，日球?qū)颖Ｗo我們免受外部宇宙輻射的傷害。

這些新天體位于太陽磁場強度開始衰減的地方。它們的軌道甚至可能足夠遠，偶爾會把它們帶出日球?qū)?，置身于來自星際介質(zhì)的強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，但我們該如何想象它們呢？弗雷澤有一個想法。

“如果讓我猜測，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像矮行星賽德娜，但它們可能看起來更不尋常。”

許多柯伊伯帶天體呈深紅色，這是因為它們的有機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)的有機沉積物。隨著時間的推移，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，這些新天體缺乏表面水冰，因為距離較遠的柯伊伯帶天體（雖然沒有這些新發(fā)現(xiàn)的天體那么遠）在觀測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

對這類天體的研究可能會改變?nèi)藗儗μ栂灯鹪吹恼J(rèn)知，以及它與已觀測到的系外行星系統(tǒng)的對比。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。在距離太陽遠達80天文單位處探測到天體后，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，它也是在一個更大的星云中形成的。

“太陽系形成的時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刻——氣體和塵埃開始坍縮成宏觀天體——奠定了基礎(chǔ)?！毙乱曇疤栄芯繂T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）上的另一項研究。

“天涯海角”本身改變了人們對行星形成的看法，因為它的兩個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

新視野號團隊還在密切關(guān)注另一個潛在的問題，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因引力作用而相互束縛，形成二體系統(tǒng)。

隨著新視野號越走越遠，它的塵埃計數(shù)器傳回了塵埃撞擊它時的速度和質(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，太陽系的塵埃越來越多，這與我們在那個距離上預(yù)期的情況完全相反，”新視野號首席研究員艾倫 · 斯特恩（Alan Stern）說，“那片區(qū)域可能有大量天體在碰撞。”

美國宇航局此前曾決定，新視野號不太可能像飛掠“天涯海角”那樣再次飛掠另一個柯伊伯帶天體，因此任務(wù)的重點轉(zhuǎn)向了日球?qū)?。但現(xiàn)在，隨著新視野號團隊借助昴星團望遠鏡發(fā)現(xiàn)了這些意想不到的遙遠天體，而且隨著航天器越飛越遠，塵埃也不斷被探測到，也許有機會進行另一次飛掠。斯特恩對此仍保持謹(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可以接近的天體，我們將有機會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，因為我們現(xiàn)在的燃料只剩下1/10了?！?/p>

結(jié)合使用昴星團望遠鏡和LORRI望遠鏡的優(yōu)勢在于，LORRI望遠鏡可以從側(cè)向觀測天體，或至少從一定角度經(jīng)過它們進行觀測。如果新視野號能夠接近至少一個新的天體，這將是望遠鏡組合的最佳選擇。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 · 羅曼空間望遠鏡未來可能帶來更多驚人的觀測成果。該望遠鏡的鏡面較小，但視野很寬。斯特恩將它比作“太空的雙瞳”，它只需要對目標(biāo)區(qū)域觀測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 · 韋布空間望遠鏡需要進行數(shù)百次觀測。而大多數(shù)其他望遠鏡可能需要成千上萬次觀測才能做到這一點。

“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，“如果我們能讓某個天體在LORRI望遠鏡上顯示出幾個像素，那將是不可思議的。”

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“如果我們找到一個能拍攝圖像的天體，我們就會這么做”。因此，我認(rèn)為斯特恩的很多措辭反映了他個人的愿望——希望進行更多的飛掠任務(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

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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。