在边缘

海王星之外有一个废弃的水库——冰冷的碎片留在太阳系昏暗的外部界限中，从未合并成行星。但天文学家发现，这些冰冻的遗迹保存了有关太阳系最早历史和结构的大量线索。

柯伊伯带以天文学家杰拉德·柯伊伯的名字命名，他在 1951 年预测了这片 30 亿公里宽的冰块的存在，直到 1992 年才开始向观测者展示自己。从那时起，研究人员发现了不止一个数千颗天体填满了一条甜甜圈形状的带，该带从太阳延伸出 30 到大约 50 个天文单位。一天文单位是地球与太阳之间的平均距离。

冥王星可能是这个冰冻冥界最著名的居民，但这个人烟稀少的地区的其他物体因其形状、颜色、密度和轨道的多样性而引人注目。有些在靠近行星绕太阳运行的平面的圆形路径上平静地行进。许多轨道具有极椭圆的轨道，并在与该平面倾斜度较高的路径上移动。

科罗拉多州博尔德市西南研究所的理论家哈尔·利维森表示，膨胀、拉长的轨道和如今稀疏的地带几乎在尖叫着，该地区与至少一颗外行星有过近距离和猛烈的接触。最近的发现为这场很久以前的混战提供了新的证据，细节可以帮助科学家重建太阳系的早期条件。

莱维森说，今天检查柯伊伯带的行星科学家“就像一个 CSI 小组进入一个发生可怕谋杀案的房间”。有时，溅在墙上的血——柯伊伯带中的数千个小天体——可以告诉你比实际行星体更多的关于早期太阳系的信息，他补充道。

天文学家还没有对柯伊伯带有一个完整的了解，而新的谜团正在出现——其中一些谜团是在 10 月份在波多黎各法哈多举行的美国天文学会行星科学分部年会上首次讨论的。定于早春开始对这条带进行全面的新调查，可能会解释其中一些谜团并揭开新的谜团。

移民和混乱

要了解柯伊伯带如何保留如此多有关行星形成的信息，科学家必须首先了解行星形成过程。莱维森指出，太阳系中的所有行星和较小的天体都是由气体和尘埃粒子形成的，这些粒子在年轻太阳周围的原行星盘内粘在一起。

但粒子除非轻轻碰撞，否则无法粘附。在细长的高倾角轨道上倾斜的岩石和冰块（就像今天柯伊伯带中的许多轨道一样）会以高速撞击，这会将它们打碎而不是堆积起来。只有圆形轨道上的物体才具有足够低的相对速度来合并。

这意味着该带​​最大的天体，如冥王星和阋神星（该地区已知最大的天体），除非最初遵循更圆形、低倾角的轨道，否则永远不会形成。此外，当时的传送带一定比现在拥挤得多，而且重数千倍。就像一条只有几辆车的幽灵高速公路一样，现在的安全带中物体的密度如此之低，以至于任何碰撞——无论是高速相撞还是低速合并——都是不可能的。

莱维森指出，“需要一个巨大的柯伊伯带，并且需要较低的相对速度”才能在太阳系的最初几百万年中形成大型天体。但是，“你需要扰动这些物体并[倾斜]它们的轨道，以获得我们今天看到的高度倾斜、细长的轨道。”

他说，这种变化是确凿无疑的证据，入侵者肯定已经闯入了柯伊伯带。任何扰乱传送带的东西都会消除其 99.99% 的质量。
加州理工学院的观察员迈克·布朗说，最明显的嫌疑人是海王星，它是距离金带最近的大型天体。 “这确实是唯一能让这些物体散落各处的东西。”

现在，研究人员正试图弄清楚海王星如何以及何时闯入太阳系，以及它闯入的速度有多快，这些细节可以帮助解释行星如何以及何时在太阳系中占据最终位置。

在莱维森和他的同事在本世纪初提出的一种设想中，海王星和它的三个较大的同胞——木星、土星和天王星——曾经挤在一起形成一个只有海王星当前轨道直径一半左右的区域。SN：2009 年 2 月 14 日，第 14 页26）。

与当时庞大的带的引力相互作用逐渐将这些行星散开，直到木星和土星的轨道达到特殊的同步。这种同步增强了木星和土星的相互引力，进而将海王星，可能还有天王星，一头扎进了柯伊伯带。就像保龄球一样，海王星将大部分冰体分散到太阳或完全脱离太阳系，并扰乱了剩下的居民的轨道。随着腰带中的大部分物质被清空，引力争斗减弱，海王星停在那里。

研究人员现在认为，将两个特定轨道上的柯伊伯带天体数量与海王星的数量进行比较，可以揭示海王星大迁移发生的时间和速度——一个天然的速度计。

科学家们意识到，当海王星在太阳系历史早期向太阳带移动时，一些太阳带成员会受到行星引力的影响，并进入特殊轨道：海王星每绕太阳运行两次，这些物体就会绕太阳一周。这些轨道上的一些天体被归类为与海王星 2:1 共振，似乎落后于海王星，而其他天体则领先于海王星。

马萨诸塞州剑桥市哈佛-史密森天体物理中心的露丝·默里-克莱 (Ruth Murray-Clay) 和美国麻省大学的尤金·姜 (Eugene Jiang) 表示，在这种共振中，跟随海王星的柯伊伯带天体的数量相对于领先海王星的数量会增加，海王星迁移得越快。加利福尼亚州伯克利分校于 2005 年报道。对这些天体进行计数可能最终揭示海王星是否花费了大约 100 万年或 1000 万年的时间才迁移了约 7 年从其诞生地算起的天文单位。

默里-克莱说，这个时间尺度将帮助研究人员“了解海王星形成时太阳周围原行星盘的特性”。如果迁移只持续一百万年，则可能意味着盘中的星子特别丰富并且具有圆形轨道。这反过来可能意味着行星合并得相对较快。

研究还表明，在其母恒星的烘烤距离内运行的巨大太阳系外行星不可能形成得如此之近，因此一定是向内迁移的。默里-克莱指出，关于海王星如何迁移的新线索可以为远离地球的系统中的行星运动提供线索。

更多答案，更多谜团

这个目标不仅仅是一厢情愿。一项名为 Pan-STARRS 的天空调查将采用世界上最大的数码相机（14 亿像素），分别安装在夏威夷毛伊岛哈雷阿卡拉山的四个小型望远镜上，准备进行测量海王星迁移速度所需的人员统计。默里-克莱说道。

这项调查定于今年年初开始，每天晚上都会覆盖大部分天空。哈佛史密森尼学会的马特·霍尔曼表示，最初为期 3.5 年的研究有能力发现柯伊伯带天体，直径小至约 250 公里，约为冥王星直径的十分之一。他说，从北方天空来看，Pan-STARRS“将对柯伊伯带进行一次完整的普查”，并且视野足够宽，可以记录与行星绕太阳运行的平面倾斜度非常高的物体。早期的研究仅限于寻找该平面内或附近的物体。

通过提供柯伊伯带更全面的图像，并可能发现柯伊伯带居民数量的十倍之多，这项调查还有望量化特定类别柯伊伯带天体的稀有性以及这些天体轨道的范围。由于与一个或多个外行星的早期相互作用而改变。

该巡天还将寻找太阳系外更微弱、更遥远的天体，例如太阳系中已知最遥远的天体塞德娜（参见“太阳系外的孤独之谜”，第 20 页）。

即将在智利进行的调查将是南半球对柯伊伯带的首次全面研究。 2016 年左右，庞大的大型综合巡天望远镜计划开始运行，对这一带进行更详细的研究。

其他正在进行的调查正在寻找柯伊伯带天体。在筛选哈勃太空望远镜精细制导传感器 4.5 年收集的数据时，研究人员发现了第一个小于一公里的带状物体，这是在它经过并遮挡一颗遥远恒星的光线时观察到的。多伦多大学和加州理工学院的 Hilke Schlichting 及其同事在 12 月 17 日报道称，新发现的尸体直径为 500 米自然。

另一项研究，台美掩星调查，自 2005 年以来一直在使用相同的技术来寻找小型带状天体，但一无所获。

Schlichting 的研究中的一个发现令人惊讶，因为她和她的合作者计算出小型柯伊伯带天体的数量应该是观测结果的 35 倍左右。施利希廷团队得出的结论是，这一赤字表明，在太阳系的整个生命周期中，太阳带中的小天体发生了碰撞并磨成尘埃。这一过程将产生在无数其他相信拥有行星和类似带的恒星周围观察到的碎片盘的较暗版本。

数以百万计的夸尔斯

随着新的和持续的调查，预计会出现更多关于早期和仍在演化的太阳系的线索。未来的发现可能会增加到已经发现的奇怪腰带字符列表中。

Haumea 的形状高度细长，平均直径为 1,500 公里，拥有一系列冰块——由纯水冰构成的卫星，是该带中唯一已知的此类卫星。阋神星因其高度倾斜的轨道而显得怪异。布朗指出：“我们将带内所有倾斜轨道归咎于海王星，”但 45 度的倾斜度太高，不可能由该行星的引力产生。 “没有人能够解释厄里斯的倾向；这是一种没人愿意谈论的肮脏秘密，”布朗说。

然后是夸奥尔。

2002 年，布朗和他的同事发现了 Quaoar，它在波多黎各举行的行星科学会议上占据了中心舞台。加州理工学院的韦斯利·弗雷泽报告说，他和布朗使用哈勃太空望远镜观察了类星体及其小卫星韦乌特。通过测量绕轨道运行的卫星的运动，研究人员发现Quaoar比之前估计的小约350公里，使其直径不到冥王星的一半。 Quaoar 的直径越小，其密度也相应越大；否则它就不会产生足够大的引力来使威伍德保持在束缚轨道上。

弗雷泽报告说，尽管类星体位于冰带中，但它的密度必须与岩石相似。这不仅使夸奥尔成为一个超级奇怪的物体——也许是柯伊伯带中密度最大的天体——而且还使其与位于火星和木星轨道之间的小行星带中的岩石天体相媲美。

在一篇现已发表的文章中地球化学加州大学圣克鲁斯分校的埃里克·阿斯普豪格 (Erik Asphaug) 对这一新发现提出了有趣的解释。他的解决方案不仅符合柯伊伯带曾经是一个更加拥挤的地方的现有证据，而且还可以解释其他形成情景。

他设想类星体最初被冰层覆盖，使其比现在大 300 到 500 公里，并且它与另一个大约是其两倍大小的柯伊伯带天体相撞，该天体的直径大约是冥王星的直径，可能是冥王星本身。

在这种情况下，Quaoar 是一颗子弹，以比该物体逃逸速度高几倍的速度撞击传送带中的一个更大的物体。以这样的速度，夸奥尔不会粘在物体上，但会被弹开。较大的天体在碰撞中几乎毫发无伤，但这次遭遇会在重力和机械作用下剥夺了夸奥尔的大部分冰冷地幔，只留下其密度更大、岩石更坚硬的核心完好无损。

如果阿斯普豪格是对的，那么数十亿年前，这条带上必定充满了数百万个类星体。在那个时代，类星体大小的天体正在合并形成像冥王星这样的更大天体。需要大量的类星体，以便在大多数这些物体从传送带中弹出或堆积到更大的物体上后，仍然会有足够的剩余物来可能发生肇事逃逸碰撞。阿斯普豪格表示，其他一些类星体可能仍然潜伏在该带的某个地方，等待未来的调查发现。

阿斯普豪格说，只要在同一空间区域，小天体的密度比大天体高得多，这种碰撞场景就可能适用。事实上，肇事逃逸绝不仅限于外太阳系。

阿斯普豪格对此类碰撞的兴趣首先是由靠近太阳的谜题引起的。在太阳系内部，密度大、富含铁的水星显得格外引人注目。他推测，一颗更蓬松、更大、有大量地幔的水星与附近第二大行星金星相撞，使水星摆脱了密度较低的外层，同时使金星相对不受干扰。在小行星带中，大约有 100 颗致密、富含铁的小行星可能是与较大岩石发生碰撞后留下的遗迹。

阿斯普格说，在太阳系演化的标准图景中，尺寸相似的天体被认为会碰撞并合并，然后在随后的撞击中可能会击落一些碎片。相比之下，肇事逃逸模型“为行星演化提供了一条全新的途径，”阿斯普豪格说。了解这种影响是如何发生的可能表明早期太阳系有多拥挤。

所有这些活动——编队、迁移、碰撞——都发生在某个时间点。
40 亿年前，太阳系诞生后不久。今天，布朗说，“我们在地板上留下了这些垃圾，柯伊伯带天体，试图重建可能发生的事情。”

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腰带之外的孤独谜题

加州理工学院的迈克·布朗 (Mike Brown) 及其同事于 2004 年发现了一个名为塞德娜 (Sedna) 的天体，它是太阳系中已知最遥远的天体。塞德娜位于柯伊伯带之外，在其高度拉长的 10,500 年轨道上（如下图所示），其距离地球的距离为地日距离的 76 倍（或 76 个天文单位），最远的距离为该距离的 1,000 倍。

布朗说，塞德娜的存在本身就是一个谜。该天体距离柯伊伯带太远，不会受到海王星迁移的影响，但距离太阳太近，不会被路过的恒星向外拉。如果塞德娜是类似遥远轨道上的一组天体之一，则表明太阳诞生于早已分散的恒星团中，这些恒星拉动了这些现在遥远的天体并将它们拉入当前轨道。

但对太阳系边缘的调查未能发现任何其他像塞德娜这样的单一天体。加州理工学院的梅格·施瓦姆（Meg Schwamb）与布朗合作，于 10 月份在波多黎各法哈多举行的行星科学会议上报告了这些发现。该调查搜索了相当大的天空区域——大约是满月视面积的 220 倍——并且足够灵敏，可以探测到距太阳 1,200 天文单位远的大型物体。布朗说，塞德娜看似孤独的地位使其成为“太阳系中最奇怪的天体之一”。

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肇事逃逸从科学新闻在维梅奥。