人類如何探索神秘的柯伊伯帶

1、人類如何探索神秘的柯伊伯帶？對那些為“羅塞塔”號（Rosetta）空間探測器工作的人來說，2014年1月20日將是一個重要日子，這一天也許會是極好的一天，也許會是非常糟糕的天。10年前，歐洲空間局（EuropeanSpaceAgency）將“羅塞塔”號這個重達(dá)3000千克的航天器發(fā)射升空，按照計劃，該航天器將于2014年8月與一顆名為67P/楚留莫夫-格拉希門克（67P/Churyumov-Gerasimenko，簡稱67P）的彗星交會。如果一切順利，“羅塞塔”號將完成一件人類從未嘗試過的事情：進(jìn)入彗星低軌道，釋放一臺名為“菲萊”號（Philae）的著陸器。在太陽的熱力下，67P彗星冰凍的身軀

2、正在逐漸變暖，“羅塞塔”號將追隨前行。但首先，“羅塞塔”號要蘇醒過來。在此前兩年多的時間里，它一直蟄伏在節(jié)能模式。歐洲中部時間2014年1月20日上午11時，“羅塞塔”號的內(nèi)置鬧鐘響起。在德國達(dá)姆施塔特的歐洲空間運(yùn)行中心（EuropeanSpaceOperationsCenter）的一間控制室里，科學(xué)家和工程師們等待著。按照計劃，“羅塞塔”號醒來后將會發(fā)回報告，盡管他們對“羅塞塔”號很有信心，但之前個失敗的案例依然像陰霾一樣籠罩在他們心頭：1993年，“火星觀察者”號(MarsObserver)探測器與地面失去聯(lián)系，并消失得無影無蹤。有那么幾分鐘，科學(xué)家和工程師們感到噩夢又要重演了?！拔铱吹轿?/p>

3、子里很多人的臉都白了，”霍爾格謝克斯(HolgerSierks)回憶道，他來自德國馬普太陽系研究所(MaxPlancklnstituteforSolarSystemResearch)，負(fù)責(zé)“羅塞塔”號上的光學(xué)和紅外攝像機(jī)。在等待信號的短短15分鐘內(nèi)，時間就像凝固了一樣。終于，一束電子信號從木星軌道之外抵達(dá)了達(dá)姆施塔特，“信號內(nèi)容是我又回來了，這讓所有人都松了一口氣，”謝克斯說。接下來的幾周里，研究人員確認(rèn)，“羅塞塔”號不僅結(jié)束了冬眠，而且各方面運(yùn)轉(zhuǎn)良好，已經(jīng)做好了探測彗星的準(zhǔn)備。它將回答彗星的結(jié)構(gòu)、組成、運(yùn)行規(guī)律以及起源方面的問題。67P彗星冰凍的軀體，自46億年前太陽系誕生之初就幾乎未曾改變

4、。2014年11月，“羅塞塔”號會釋放它的著陸器。著陸器將鉆開彗星表面，發(fā)掘太陽系的歷史。在遙遠(yuǎn)的深空中，“羅塞塔”號并不孤單。經(jīng)過9年的飛行，美國航空航天局(NASA)的“新視野”號(NewHorizons，也譯作“新地平線”號)探測器將在2015年7月，實現(xiàn)另一項突破：第一次飛臨冥王星(Pluto)和它的5顆已知衛(wèi)星。美國西南研究院(SouthwestResearchlnstitute)首席研究員艾倫斯特恩(AlanStern)報告說，“航天器的狀態(tài)非常好?！彪m然這兩項任務(wù)彼此獨立，但并非毫無關(guān)聯(lián)。天文學(xué)家現(xiàn)在認(rèn)識到，兩艘航天器的探測目標(biāo)冥王星和67P彗星，都是柯伊伯帶(Kuiperbel

5、t)的成員。所謂柯伊伯帶，就是位于海王星之外的一個龐大的、幾乎未知的區(qū)域，其中存在著數(shù)以十億計的冰冷星體，這些星體的尺寸小到幾米，大到000多千米。過去20年，空間探測取得了一系列發(fā)現(xiàn)，而兩艘航天器成功抵達(dá)各自的探測目標(biāo)，將使空間探測成果達(dá)到一個頂峰，正如斯特恩所言：“這些發(fā)現(xiàn)使人們豁然開朗，改寫了我們對太陽系結(jié)構(gòu)的知識?！笔聦嵣?，在短短20多年前，甚至沒有人知道柯伊伯帶的存在。自那時起，行星科學(xué)家們相繼發(fā)現(xiàn)了幾個冰凍的星球，它們的體積接近、甚至可以媲美冥王星?？茖W(xué)家從中發(fā)現(xiàn)了一些跡象，表明在很久以前，木星（Jupiter）、土星（Saturn）、天王星（Uranus）和海王星（Neptune

6、）的軌道曾經(jīng)劇烈地變動過，這些跡象甚至還暗示，太陽系曾經(jīng)存在第五顆氣態(tài)巨行星。研究人員分析了1500余個已知的柯伊伯帶天體（Kuiperbeltobject，KBO）的大小和軌道，來研究這條帶是如何形成的。他們想知道，原本干燥的地球上之所以能夠形成海洋，真的是因為在柯伊伯帶形成之初，有大量的冰從這里彈射到年輕的地球嗎？每一次這樣的觀測都為理解柯伊伯帶的起源和演化，打開了一扇窄窄的窗戶。把這些觀測結(jié)果綜合到一起，就像盲人摸象的寓言那樣，人們開始拼湊關(guān)于柯伊伯帶的結(jié)構(gòu)、組成和演化的更全面的圖像。現(xiàn)在，兩艘航天器即將首次對兩個非常不同的柯伊伯帶天體進(jìn)行近距離觀測，這樣一來，這幅圖像將會變得前所未有的

7、清晰。發(fā)現(xiàn)柯伊伯帶1930年，一位名叫克萊德湯博(ClydeTombaugh)的年輕天文學(xué)家，在海王星之外發(fā)現(xiàn)了一個新星體。當(dāng)時，天文學(xué)界包括他自己都堅信，他發(fā)現(xiàn)了“X行星”(PlanetX)傳言已久的太陽系第九顆行星。在一名11歲英國女學(xué)生維尼夏伯尼(VenetiaBurney)的建議下，這顆行星被命名為“冥王星”。起初，研究人員計算得出，這顆新行星的質(zhì)量會接近地球。但到了20世紀(jì)70年代，人們認(rèn)識到冥王星比月球還要小、還要輕。湯博發(fā)現(xiàn)的其實是柯伊伯帶上最明亮的成員。然而，在上世紀(jì)80年代之前，沒有人會想到柯伊伯帶這個東西的存在，甚至包括杰勒德柯伊伯(GerardKuiper)本人，柯伊伯帶

8、就是以這位荷蘭裔美國科學(xué)家命名的。在上世紀(jì)50年代，柯伊伯提出，緊靠海王星外的區(qū)域可能曾經(jīng)充斥著冰凍天體。不過他又認(rèn)為，“大質(zhì)量行星”冥王星的引力場會將這些冰凍天體散射到深空去，因此太陽系的這片區(qū)域目前應(yīng)該是空空蕩蕩的一片?！笆聦嵑皖A(yù)言恰恰相反，加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的天文學(xué)家戴維朱維特(DavidCJewitt)說道，他是外層太陽系觀測的先驅(qū)。幾乎在同一時間，柯伊伯的同胞簡奧爾特(JanOort)猜測，那些被散射的天體，應(yīng)該形成了原彗星(proto-comet)，這些彗星組成了球形云，其運(yùn)行軌道距離太陽大約有1光年。他還指出，如果這些原彗星偶然闖入了內(nèi)太陽系，它就會變成一顆活躍的彗星。該機(jī)

9、制巧妙地解釋了，為什么會存在長周期彗星。那些長周期彗星的軌道周期長達(dá)200多年，它們會從各個方向掉入內(nèi)太陽系。不過，這套理論無法解釋那些短周期彗星。短周期彗星大多是沿著大行星公轉(zhuǎn)軌道平面飛來。對此，奧爾特給出的解釋是，有些長周期彗星與巨行星交會時變成了短周期彗星。沒有人能給出更好的解釋?；蛘哒f，幾乎沒有人給出更好的解釋。一個特殊情況是，早在上世紀(jì)40年代，愛爾蘭天文學(xué)家肯尼思埃奇沃思(KennethEdgeworth)就提出一種假說，短周期彗星誕生于一個小星體聚集的、更近的地方。不過他只是順帶提及這個假說，而且沒有詳細(xì)描述?！叭绻阏J(rèn)為這只能算是一個預(yù)言那好吧我確實沒法反駁，邁克爾E布朗(Mi

10、chaelE.Brown)這樣評價道。布朗是加州理工學(xué)院的天文學(xué)家，他在2005年發(fā)現(xiàn)了柯伊伯帶天體鬩神星(Eris)，其大小和冥王星相當(dāng)，這一發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致冥王星在第二年被降格為“矮行星”。顯然，布朗不認(rèn)為埃奇沃思順便提及的假說只能算一個預(yù)言，但總之，當(dāng)時并沒有人重視埃奇沃思的這個想法。目前很多行星科學(xué)家都認(rèn)可的，關(guān)于柯伊伯帶的第一個正式預(yù)言來自烏拉圭天文學(xué)家胡里奧費爾南德斯(JulioFernandez)。他在1980年的一篇題為論海王星外彗星帶之存在(OntheExistenceofaCometBeltbeyondNeptune)的論文中，提出了和埃奇沃思相同的看法，不過他的論證要嚴(yán)謹(jǐn)、詳細(xì)得

11、多。1988年，當(dāng)時就職于加拿大多倫多大學(xué)的斯科特特里梅因(ScottTremaine)和同事馬丁鄧肯(MartinDuncan)、湯姆奎恩(TomQuinn)道證明了，費爾南德斯預(yù)言的星體群其實可以解釋短周期彗星的軌道和出現(xiàn)頻率。他們首次使用了“柯伊伯帶”一詞，不過，現(xiàn)在就職于普林斯頓高等研究院的特里梅因說，“這個詞可能不正確，我們應(yīng)該以費爾南德斯來命名它?！碑?dāng)特里梅因、鄧肯與奎恩在理論上論證柯伊伯帶時，朱維特和他當(dāng)時在麻省理工學(xué)院的學(xué)生劉麗杏(JaneX.Luu)，開始尋找確鑿的觀測證據(jù)。他們并不是受到理論研究的啟發(fā)才去開展搜尋，事實上他們并不知道費爾南德斯的論文，而且他們早在1986年就

12、開始了搜尋工作，比特里梅因和同事們發(fā)表結(jié)果早了兩年。朱維特說，“我們搜尋的動機(jī)非常簡單，就是覺得外太陽系那么空蕩蕩的很奇怪”當(dāng)然，外太陽系實際上并不是那么空蕩蕩的。1992年8月，利用在夏威夷莫納克亞(MaunaKea)死火山頂峰的2.2米望遠(yuǎn)鏡，朱維特和劉麗杏發(fā)現(xiàn)了第一個柯伊伯帶天體，1992QB1,這是他們所謂“緩慢移動天體”探測計劃(SlowMovingObjectsurvey)的一部分。6個月后，他們發(fā)現(xiàn)了第二個柯伊伯帶天體。雖然在當(dāng)時，朱維特和劉麗杏是唯一進(jìn)行此類搜尋的研究團(tuán)隊，但“天文學(xué)界很快就反應(yīng)過來了，”朱維特說?，F(xiàn)在，天文學(xué)家已經(jīng)認(rèn)證了大約1500個柯伊伯帶天體?；谶@一數(shù)字

13、，他們估計柯伊伯帶大約有100000個直徑超過100千米的物體，有近100億個直徑大于2千米的物體。朱維特說：“柯伊伯帶里小行星的數(shù)目是主小行星帶（mainasteroidbelt，位于火星與木星軌道之間）的1000倍，這讓我大為震驚”。不過，讓許多天文學(xué)家更震驚的，不是柯伊伯帶里“有”什么，而是它“沒有”的內(nèi)容。依據(jù)最好的行星形成模型，天文學(xué)家推測，柯伊伯帶里應(yīng)該有類似地球大小、甚至比地球更大的星體。然而，柯伊伯帶里最大的星體，就是冥王星和一些與冥王星大小相近的星體，如鳥神星（Makemake）、妊神星（Haumea）、創(chuàng)神星（Quaoar）和鬩神星，研究人員沒有發(fā)現(xiàn)一個接近大行星標(biāo)準(zhǔn)的星體

14、?！澳抢镉性S多的星體，不過這些星體加在一起，也不超過地球質(zhì)量的十分之一，非常微不足道。”朱維特說。在太陽系歷史早期一定發(fā)生過一些事情，才會使柯伊伯帶中最大的成員被消滅了。多年來，行星天文學(xué)家一直在爭論，當(dāng)時究竟發(fā)生了什么。利用羅塞塔”號和“新視野”號，他們將得到一些答案。巨行星重排當(dāng)柯伊伯帶被發(fā)現(xiàn)時，物理學(xué)家已經(jīng)建立了太陽系形成模型。該模型的起源是一團(tuán)巨大的、由星際氣體和塵埃組成的云團(tuán)，然后這一云團(tuán)坍塌形成一個旋轉(zhuǎn)的圓盤。在圓盤的核心，重力將物質(zhì)聚成一團(tuán)。高溫和高密度導(dǎo)致這團(tuán)物質(zhì)開始發(fā)生熱核反應(yīng)，太陽就誕生了。太陽的熱量和輻射將大部分氣體和一部分塵埃吹向外圍。在靠近太陽的部分，塵埃聚集在一起，

15、先形成小石塊，后來變成大巖石，最終變成了小行星尺寸的所謂“微行星”（planetesimal）。在行星形成的最后一個階段，數(shù)以百計的火星尺度的星體漂浮在太陽系中，它們碰撞著，不斷地破碎又聚合在一起，最終形成了我們今天看到的八大行星,不僅包括內(nèi)太陽系的固態(tài)類地行星，還有木星、土星、天王星和海王星這些氣態(tài)行星。這些行星基本是由大塊巖石構(gòu)成的，有足夠大的引力束縛住大量氣體。在海王星之外，外太陽系的冰粒發(fā)生了和內(nèi)太陽系塵埃顆粒類似的過程，也形成了行星大小的星體。然而這一理論存在兩個問題：首先，天文學(xué)家沒有觀察到這些具有行星尺寸的星體（但布朗說，就他們所知，在遙遠(yuǎn)的奧爾特云里，也許會有像火星一樣大的星體

16、，只不過我們目前的技術(shù)無法觀測到。）第二個問題是，柯伊伯帶中的物質(zhì)太少，不足以形成任何尺寸的星體。換言之，如果認(rèn)為目前柯伊伯帶中的所有物體也都來自原初的冰塵云，那么這些云的分布就太廣了，難以形成任何東西。如此一來，柯伊伯帶中實際存在的物質(zhì)，與理論學(xué)家推測應(yīng)該形成的物質(zhì)，就自相矛盾了。朱維特說，“公認(rèn)的解決方案是，認(rèn)為在一開始，柯伊伯帶里就有比較多的物質(zhì)一一30、40甚至50個地球質(zhì)量的物質(zhì)?！边@些物質(zhì)的確形成了一大群星體，但不知什么原因，這些星體的數(shù)目在不斷減少。至于星體不斷減少的原因，最可信的一種解釋機(jī)制是：太陽系的四大氣態(tài)巨行星（木星、土星、天王星、海王星）曾經(jīng)是堆聚在一起的，比它們今天的

17、間距近得多。這個假說最初是由亞利桑那大學(xué)的物理學(xué)家雷努馬爾霍特拉（RenuMalhotra）提出的。馬爾霍特拉和她的幾位同事論證道，這些緊密堆擠在一起的行星，與早期大量的柯伊伯帶天體的引力相互作用，把土星、天王星和海王星推向外太陽系。與此同時，木星和柯伊伯帶天體、小行星同時相互作用，導(dǎo)致木星向內(nèi)移動。這些引力相互作用不僅使行星重排，也把許多柯伊伯帶天體彈射到太陽系引力范圍的最遠(yuǎn)端，形成了遙遠(yuǎn)的奧爾特云，并且把許多的小行星甩進(jìn)了太陽系內(nèi)層軌道。在這些遷移過程發(fā)生的某段時期，土星和木星處于了軌道共振態(tài)，土星每運(yùn)行一個周期，木星恰好運(yùn)行兩個周期。每隔一段時間，兩大行星就會和太陽精準(zhǔn)地處于一條直線上，

18、從而造成額外引力擾動，使得柯伊伯帶天體被劇烈地散射開，以至于99%以上的物體都被清掃了出去。它們中的一些成為了太陽引力范圍最遠(yuǎn)端的奧爾特云的成員，另一些撞上了太陽系的內(nèi)層行星，這被稱為“后期重轟炸期?！疤栂到?jīng)受了猛烈的捶打，”朱維特說。美國西南研究院的物理學(xué)家戴維尼斯沃尼(DavidNesvorny)將這一假說又向前推進(jìn)了一步。他認(rèn)為，太陽系或許曾經(jīng)存在第五顆氣態(tài)巨行星，在這個劇烈的重排過程中，它可能被彈射到星際空間去了。如果巨行星的重排真的發(fā)生過，那就可以解釋，為什么柯伊伯帶中沒有大星體：那些可以用來形成大星體的材料已經(jīng)被永久地清空了，因此僅僅形成了那些類似微行星的物體微行星是指那些小的原

19、行星(proto-planet)，大行星即由這些微行星聚合而成。從這個意義來說，柯伊伯帶就像一張快照，將行星形成過程剛剛開始數(shù)百萬年時內(nèi)層太陽系的樣子，永久地定格了下來。麻省理工學(xué)院的行星科學(xué)家希爾克施利希廷(HilkeSchlichting)說，“現(xiàn)有的行星形成機(jī)制中，最大的不確定在于微行星的形成，它們是如何形成的？它們有多大？”這些信息在太陽系內(nèi)層早已無處尋覓，不過借助觀測和模型，她和同事們指出，如果假設(shè)組成柯伊伯帶天體的冰凍微行星的直徑大約為1千米，那么就可以解釋今天觀測到的柯伊伯帶天體的大小和分布了。對這些微行星尺度的估計，可能也適用于內(nèi)層行星。她說：“經(jīng)過數(shù)十年的猜測后，我們終于要開

20、始了解行星形成的初始條件了?！憋w抵冥王星模型和遠(yuǎn)距離觀測告訴行星科學(xué)家大量關(guān)于柯伊伯帶的信息，比如柯伊伯帶的結(jié)構(gòu)以及其可能的歷史。不過，想想迄今為止數(shù)十個空間探測器對太陽系所有大行星以及數(shù)十個衛(wèi)星和小行星的考察成果,近距離觀測的不可替代性就不言而喻了。斯特恩說，“利用哈勃望遠(yuǎn)鏡為冥王星拍攝一張照片的確很酷，不過照片上的冥王星只有幾個像素那么大。”到2015年6月，“我們會真正看到冥王星的世界是什么樣子，”他補(bǔ)充道。2006年，“新地平線”號發(fā)射升空時，冥王星還算作一顆大行星。至U了第二年夏天，它就被“降職”成了矮行星。不過不管你怎么叫它，“新地平線”號都在以每小時40000千米的速度奔向冥王星

21、和它的衛(wèi)星卡戎(Charon),未來這艘航天器與冥王星的冰凍表面的距離將在10000千米以內(nèi)，斯特恩和合作研究者會竭盡所能，對冥王星進(jìn)行各種研究。他們研究的一個內(nèi)容是，統(tǒng)計冥王星布滿麻點的表面上的隕石坑個數(shù)，以及這些隕石坑的大小和分布。通過這項研究，天文學(xué)家可以對柯伊伯帶天體的大小和分布有一個獨立的測量值。撞向冥王星表面的、不同大小的柯伊伯帶天體的數(shù)目，應(yīng)該和柯伊伯帶中相應(yīng)大小的天體總數(shù)成正比?！斑€有更妙的事情，”斯特恩說。當(dāng)冥王星沿著橢圓形軌道公轉(zhuǎn)時，它的表面溫度一段時間內(nèi)會很高，過后又會很低，如此反復(fù)，這個過程形成了冥王星稀薄的大氣條件，也使得冥王星表面的隕石坑每過一段時間就會被抹掉”。然

22、而，卡戎沒有大氣，這就意味著所有撞擊痕跡都會保留下來?！澳憧梢员容^冥王星和卡戎，”斯特恩說，“然后就可以弄清楚隕石撞擊的過往變化在今天和遠(yuǎn)古時期，隕石的大小有什么不同?！薄靶碌仄骄€”號也試圖尋找地下海洋的信號。木星和土星的某些衛(wèi)星木衛(wèi)二(Europa)、木衛(wèi)三(Ganymede)、土衛(wèi)二(Enceladus)和土衛(wèi)六(Titan)，在它們冰封的厚厚表殼之下，行星科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了隱匿其中的海洋。如果冥王星上存在冰間歇泉或冰火山的話，這將是一條線索，表明它的內(nèi)部是溫暖且充滿流體的冥王星巖石核心之中的放射性同位素發(fā)生衰變，就有可能導(dǎo)致這樣的結(jié)果。即使沒有明顯的表面熱活動證據(jù)，探測器上攜帶的紅外相機(jī)也

23、可以探測到其表面的熱點。至于冥王星的內(nèi)部存在生命這一想法，盡管完全是猜測，不過由于液態(tài)水是我們所知的生命形式的必要組成部分,假如可以在冥王星內(nèi)部發(fā)現(xiàn)液態(tài)水，至少這個猜測就變得更加靠譜?！靶碌仄骄€”號將花5個月時間，開展上述所有研究以及其他一些研究。在呼嘯著掠過這顆矮行星的那幾天，“新視野”號會開展最密集的觀測。不過，它需要花上大約16個月的時間，將數(shù)據(jù)穿越50億千米的浩渺太空，一點點地傳回地球。與彗星共舞“羅塞塔”號要花上差不多的時間來繞著67P彗星飛行。和“新地平線”號高速飛掠冥王星不同，“羅塞塔”號會與67P彗星在一起待上15個月。這讓它可以解答以下問題：67P彗星的精確化學(xué)組成及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。這些問題的答案非常重要，有助于科學(xué)家弄清楚組成原初柯伊伯帶的氣體和塵埃的性質(zhì)。目前，科學(xué)家對此的理解還十分粗淺，他們還沒有找到任何確鑿的證據(jù)來敲定任何一種假說，也沒法否定某一種假說?！傲_塞塔”號的發(fā)現(xiàn)，將幫助研究人員第一次找到一個令人信服的理論。當(dāng)這顆彗星離太陽越來越近、逐漸蘇醒時，“羅塞塔”號和它的著陸器“菲萊”號，能夠第一時間目睹這一過程?！暗搅?015年的夏天，也就是彗星的活動達(dá)到最高峰時，每分鐘都有1000千克的物質(zhì)從彗核中拋射出來。