柯伊伯带

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柯伊伯带

柯伊伯带(柯伊伯带)

柯伊伯带是一种理论推测认为短周期彗星是来自离太阳50—500天文单位的一个环带。位于太阳系的尽头，其名称源于荷兰裔美籍天文学家柯伊伯（Kuiper）。

杰拉德―柯伊伯（1905―1973），荷兰裔美国天文学家，提出在太阳系边缘存在一个由冰物质运行的带状区域，为了纪念柯伊伯的发现，这个区域被命名为“柯伊伯带”。 姓名：杰拉德－柯伊伯 （Gerard Kuiper） 国籍：荷兰裔美国人 出生日期：1905年12月7日 逝世日期：1973年12月24日

全称为艾吉沃斯-柯伊伯带（英语：Edgeworth-Kuiper belt；EKB，一般简称作柯伊伯带，或译作古柏带、库柏带等） 黄色点环为柯伊伯带（Kuiper Belt）。 柯伊伯带位于太阳系的尽头，早在上世纪50年代，柯伊伯和埃吉沃斯（Edgeworth）就预言：在海王星轨道以外的太阳系边缘地带，充满了微小冰封的物体，它们是原始太阳星云的残留物，也是短周期彗星的来源地。 1992年，人们找到了第一个柯伊伯带天体（KBO）；如今已有约1000个柯伊伯带天体被发现，直径从数千米到上千公里不等。许多天文学家认为：由于冥王星的个头和柯伊伯带中的小行星大小相当，所以冥王星应该被排除在太阳系行星之外，而归入柯伊伯带小行星的行列当中；而冥王星的卫星则应被视作其伴星。不过，因冥王星是在柯伊伯带理论出现之前被发现的，所以传统上仍被认为是行星。2006年，在布拉格召开的第26届国际天文学联合会(IAU)会议上通过决议，剥夺了冥王星作为太阳系大行星的地位，将其降为矮行星。无论如何，柯伊伯带的存在现已是公认的事实，但柯伊伯带为什么会存在着种种疑问成为太阳系形成理论的许多未解谜团的一部分。 在距离太阳40～50个天文单位的位置，低倾角的轨道上，过去一直被认为是一片空虚，太阳系的尽头所在。但事实上这里满布着大大小小的冰封物体，热闹无比，就是柯伊伯带。柯伊伯带是现时我们所知的太阳系的边界，是太阳系大多数彗星的来源地。柯伊伯带上的这些物体是怎么成形的呢？如果按照行星形成的吸积理论来解释，那就是他们在绕日运动的过程中发生碰撞，互相吸引，最后粘附成一个个大小不一的天体，形成的样子。 为解开这个谜团，陆续有几个理论出现，可惜它们都有些明显限制。如今，美国西南研究院（SwRI，Southwest Research Institute）的Harold Levison教授以及法国de la Cote d'Azur天文台的Alessandro Morbidelli教授共同提出了一个理论，认为柯伊伯带天体是在距离太阳更近位置成形后，又被海王星一个个甩出去的，所以躲开了柯伊伯带总质量不足的问题。

外行星和柯伊伯带的模拟：(a)木星和土星2:1共振之前，(b)在海王星轨道迁徙之后，柯伊伯带天体被散射至太阳系内 (c)柯伊伯带天体被木星排斥之后。柯伊伯带的复杂结构和精确的起源仍是不清楚的，因此天文学家在等待泛星计划 (Pan-STARRS)望远镜巡天的结果，那些应该会揭露更多不知道的柯伊伯带天体，并在测量后对它们有更多的了解。 柯伊伯带被认为包含许多微星，它们是来自环绕着太阳的原行星盘碎片，它们因为未能成功的结合成行星，因而形成较小的天体，最大的直径都小于3,000公里。 近代的计算机模拟显示柯伊伯带受到木星和海王星极大的影响，同时也认为即使是天王星或海王星都不是在土星之外的原处形成的，因为只有少许的物质存在于这些地区，因此如此大的天体不太可能在该处形成。换言之，这些行星应该是在离木星较近的地区形成的，但在太阳系早期演化的期间被抛到了外面。1984年，费南德兹和艾皮的研究认为与被抛射天体的角动量交换可以造成行星的迁徙。终于，轨道的迁徙到达木星和土星形成2:1共振的确切位置：当木星绕太阳运转两圈，土星正好绕太阳一圈。引力如此的共振所产生的拉力，最终还是打乱了天王星和海王星的轨道，造成它们的位置交换而使海王星向外移动到原始的柯伊伯带，造成了暂时性的混乱[3]。当海王星向外迁徙时，它激发和散射了许多外海王星天体进入更高倾角和更大离心率的轨道。 然而，模型仍然不能说明许多分布上的特征，引述其中一篇科学论文的叙述：这问题继续挑战分析技术和最快速的数值分析软件和硬件。

以最完整的范围，包括远离中心最外侧的区域，柯伊伯带大约从30天文单位伸展到55天文单位。然而，一般认为主要的部份 (参考下文) 只是从39.5天文单位的2:3共振区域延展到48天文单位的1:2共振区域。柯伊伯带非常的薄，主要集中在黄道平面上下10度的范围内，但还是有许多天体散布在更宽广数倍的间内。总之，它不像带状而更像花托或甜甜圈 (多福饼) 。而且，这意味着柯伊伯带对黄道平面有1.86度的倾斜。 以半长轴为准的轨道分类。由于存在着轨道共振，海王星对柯伊伯带的结构产生了重大的作用。在与太阳系年龄比较的时标上，海王星的引力使在某些轨道上的天体不稳定，不是将她们送入内太阳系内，就是逐入离散盘或星际空间内。这在柯伊伯带内制造出一些与小行星带内的柯克伍德空隙相似的空白区域。例如，在40至42天文单位的距离上，没有天体能稳定的存在于这个区间内。无论何间，在这个区间内被观测到的天体才进入并且会被移出到其他的空间。 传统的柯伊伯带 主条目：传统柯伊伯带天体 大约在 ~42至 ~48天文单位，虽然海王星的引力影响已经是微不足道的，而且天体可以几乎不受影响的存在着，这个区域就是所谓的传统柯伊伯带，并且观测到的柯伊伯带天体有三分之二在这儿。因为近代第一个被发现的.柯伊伯带天体是1992 QB1，因此它被当成这类天体的原型，在柯伊伯带天体的分类上称为类QB1天体。 传统的柯伊伯带忾来是两种不同族群的综合体，第一类是"dynamically cold"的族群，比较像行星：轨道接近圆形，轨道离心率小于0.1，相对于黄道的倾角低于10度 (它们的轨道平面贴近黄道面，没有太大的倾斜)。第二类是"dynamically hot"的族群，轨道有较大的倾斜 (可以达到30度) 。这两类会有这样的名称主要并不是因为温度上的差异，而是以微小的气体做比喻，当它们变热时，会增加它们的相对速度[13]。这两种族群不仅是轨道不同，组成也不同，冷的族群在颜色比热的红，暗示它们在不同的环境形成。热的族群相信是在靠近木星的地区形成，然后被气体巨星抛出。而另一方面，冷的族群虽然也可能是海王星在向外迁徙时清扫出来的，但无论是较近或较远，相信是在比较靠近所在的位置形成的。 共振 主条目：共振外海王星天体 类QB1天体、冥族小天体和邻近散射天体的分布。当一个天体的轨道周期与海王星有明确的比率时 (这种情况称为平均运动共振)，如他它们的相对基线是适当的，它们可能被锁定在与海王星同步的运动，以避免受到摄动而使轨道变得不稳定。如果天体在这种正确的轨道上，在实例上，如海王星每绕太阳三周它便会绕行二周，则每当它回到原来的位置时，海王星总比它多运行了半条轨道的距离，因为这时海王星在轨道上绕行了1.5圈。这就是所谓的2:3 (3:2)的轨道共振，这种轨道特征的半长轴大约是39.4天文单位，而已知的2:3共振天体，包括冥王星和他的卫星在内，已经超过200个[15]，而这个家族的成员统统归类为冥族小天体。许多冥族小天体，包括冥王星，都会穿越过海王星的轨道，但因为共振的缘故，永远不会与海王星碰撞。 其有一些，像是欧侉尔和伊克西翁的大小，都已经大到可以列入类冥矮行星的等级[16][17]。冥族小天体有高的轨道离心率，因此它们当初原本应该不是在现的位置上，而是因为海王星的轨道迁徙被转换到这儿的[18]。1:2共振 (每当海王星转一圈，它才完成半圈) 的轨道半长轴相当于47.7天文单位，但数量稀稀落落的，这个族群有时会被称为twotino。较小的共振族群还有3:4、3:5、4:7和2:5。海王星也有特洛伊小行星，它们位于轨道前方和后方的L4和L5的重力稳定点上。海王星特洛依有时被称为与海王星1:1共振。海王星特洛依在它们的轨道上是稳定的，但与被海王星捕获有所不同，它们被认为是沿着轨道上形成的。 另外，还没有明确的理由可以解释在半长轴小于39天文单位的距离内缺乏共振的天体。当前被接受的假说是在海王星迁徙时被驱离了，因为这个区域在迁移中是轨道不稳定的地区，因此在这儿的任何天体不是被扫清，就是被重力抛出去。 柯伊伯断崖 图示为柯伊伯带天体与太阳距离的数量关系。1:2共振之外已知的数量非常少，看起来是个边界，但还不能确定这是传统柯伊伯带外侧的边界，还是只是一个宽阔的空隙。观测到2:5共振的距离大约在55天文单位，被认为在传统柯伊伯带之外；然而，预测上在传统柯伊伯带与共振带之间的大量天体尚未被观测到。 早期的柯伊伯带模型认为在50天文单位之外的大天体数量应该增加二个数量级，因此，这突然的数目下降，被称为"柯伊伯断崖"，是完全未被预料到的，并且它的原因至今仍不清楚。伯恩斯坦和屈林(Trilling)等人发现直径在100公里或更大的天体在50天文单位的距离上确实突然减少的证据，并不是观测上造成的偏差。可能的解释是在那个距离上的物质太缺乏或太分散，因此不能成长为较大的天体；或者是后续的过程摧毁了已经形成的天体。日本神户大学的向井正和Patryk Lykawka则主张一个大小有如地球，尚未曾被看见的行星，或许应该对这件事负责，并且可能在未来的10年内发现这个天体

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