柯伊伯帶（英語(yǔ)：Kuiper belt），又稱(chēng)作倫納德-柯伊伯帶，另譯柯伊伯帶、古柏帶，是位于太陽(yáng)系的海王星軌道（距離太陽(yáng)約30天文單位）外側(cè)，在黃道面附近的天體密集圓盤(pán)狀區(qū)域。柯伊伯帶類(lèi)似于小行星帶，但范圍大得多，它比小行星帶寬20倍且重20至200倍。柯伊伯帶的假說(shuō)最先由美國(guó)天文學(xué)家弗雷德里克·倫納德提出，十幾年后杰拉德·杰拉德·柯伊伯（Gerard Peter Kuiper）證實(shí)了該觀點(diǎn)，遂以其名字命名，將該區(qū)域命名為柯伊伯帶。柯伊伯帶至少有四顆矮行星：冥王星、妊神星、鳥(niǎo)神星和鬩神星。一些太陽(yáng)系中的衛(wèi)星，如海王星的海衛(wèi)一和土星的土衛(wèi)九，也被認(rèn)為起源于該區(qū)域。
1992年，小行星（15760）阿爾比恩被發(fā)現(xiàn)，這是繼冥王星（1930年）和卡戎星（1978年）之后的第一顆柯伊伯帶天體（KBO）。自從它被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，已知的柯伊伯帶天體已經(jīng)增加到數(shù)千顆，據(jù)認(rèn)為直徑超過(guò)100千米（62英里）的柯伊伯帶天體超過(guò)10萬(wàn)顆。1993年，他們發(fā)現(xiàn)了小行星181708。自20世紀(jì)90年代中期以來(lái)的研究表明，柯伊伯帶是動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的，彗星的真正起源地是散布盤(pán)，這是海王星在45億年前向外運(yùn)動(dòng)時(shí)形成的一個(gè)動(dòng)態(tài)活躍區(qū)；厄里斯等散布盤(pán)天體具有偏心軌道，它們與太陽(yáng)的距離最遠(yuǎn)可達(dá)100AU。截至2023年，已發(fā)現(xiàn)的柯伊伯帶天體的數(shù)目約4000顆。以最完整的范圍，包括遠(yuǎn)離中心最外側(cè)的區(qū)域，柯伊伯帶大約從30天文單位伸展到55天文單位。然而，一般認(rèn)為主要的部分只是從39.5天文單位的2:3共振區(qū)域延展到48天文單位的1:2共振區(qū)域。整個(gè)柯伊伯帶內(nèi)的小天體總數(shù)以十億計(jì)，總質(zhì)量可達(dá)0.02個(gè)地球質(zhì)量。
柯伊伯帶天體由巖石和各種冰（如水、甲烷和氨）的混合物組成。其確切起源仍不清楚，目前的理論推測(cè)是其來(lái)源于太陽(yáng)原行星盤(pán)上的碎片，這些碎片相互吸引碰撞，但最后只組成了微行星帶而非行星，太陽(yáng)風(fēng)和物質(zhì)會(huì)在此處減速。
2006年1月19日，第一艘以探索柯伊伯帶為任務(wù)的航天器“新地平線號(hào)探測(cè)器”發(fā)射升空，并于2015年飛越冥王星并調(diào)查柯伊伯帶中其他更遠(yuǎn)的天體。此外，柯伊伯帶不應(yīng)該與假設(shè)的奧爾特云相混淆，后者比前者要遠(yuǎn)一千倍以上。柯伊伯帶內(nèi)的天體，連同離散盤(pán)的成員和任何潛在的奧爾特云天體被統(tǒng)稱(chēng)為海王星外天體（TNOs）。冥王星是在柯伊伯帶中最大的天體，而第二知名的大海王星外天體，則是鬩神星。
提出與命名
20世紀(jì)50年代，愛(ài)爾蘭天文學(xué)家埃奇沃思（Kenneth Essex Edgeworth）和美國(guó)天文學(xué)家杰拉德·柯伊伯（Gerard Peter Kuiper）提出，在太陽(yáng)系邊緣存在著一個(gè)由小天體構(gòu)成的圓盤(pán)（甜甜圈）狀區(qū)域，而彗星就是從這個(gè)區(qū)域誕生的。為了紀(jì)念這兩位天文學(xué)家，人們就將這個(gè)圓盤(pán)狀區(qū)域命名為萊昂納德-埃奇沃斯-柯伊伯帶或柯伊伯帶。
發(fā)現(xiàn)歷史
1930年發(fā)現(xiàn)冥王星后，很多人都猜測(cè)它可能不是該區(qū)域內(nèi)唯一的一顆星體。幾十年來(lái)，對(duì)柯伊伯帶是否存在、存在形式一直有各種不同的假設(shè)。直到1992年，才首次發(fā)現(xiàn)其存在的直接證據(jù)。對(duì)柯伊伯帶的本質(zhì)和數(shù)量的各種不同猜想，導(dǎo)致難以確認(rèn)是誰(shuí)首次提出該假設(shè)。
早期研究
1930年，天文學(xué)家克萊德·湯博（Clyde William Tombaugh）發(fā)現(xiàn)冥王星后不久，天文學(xué)家弗雷德里克·倫納德（Frederick C. Leonard）就在思考是否“在冥王星上不太可能發(fā)現(xiàn)一系列超海王星天體中的第一個(gè)，這些天體的其余成員仍在等待發(fā)現(xiàn)，但最終注定會(huì)被發(fā)現(xiàn)”，提出跨海王星種群存在。同年，天文學(xué)家阿爾敏·奧托·洛伊施納（Armin O. Leuschner）提出，冥王星“可能是許多尚未發(fā)現(xiàn)的長(zhǎng)周期行星物體之一”。
1943年，埃奇沃思在英國(guó)天文協(xié)會(huì)期刊上提出假設(shè)，在海王星以外的區(qū)域，原始太陽(yáng)星云內(nèi)的物質(zhì)間距太大，無(wú)法凝結(jié)成行星，因此會(huì)凝結(jié)成無(wú)數(shù)更小的天體。由此，他得出結(jié)論：相對(duì)較小但大量的天體占據(jù)太陽(yáng)系的行星之外廣大的空間。并且它們中的某一個(gè)會(huì)從它們的球殼游蕩到內(nèi)太陽(yáng)系，成為拜訪太陽(yáng)系內(nèi)部的彗星之一。1950年，杰拉德·柯伊伯在《太陽(yáng)系起源》一文中表明“太陽(yáng)星云的最外層區(qū)域，從38到50天文單位（即在海王星原型之外）”，在那里“凝聚產(chǎn)物（H2O、NH3、CH4等的冰）必須形成，并且這些薄片必須緩慢地聚集形成更大的聚合體，估計(jì)范圍達(dá)到1公里或更大”。他還指出“這些凝聚物似乎解釋了彗星的大小、數(shù)量和組成”。根據(jù)柯伊伯的說(shuō)法，“冥王星這顆行星，從30到50天文單位掃過(guò)整個(gè)區(qū)域，被認(rèn)為是開(kāi)始將彗星撒向整個(gè)太陽(yáng)系的原因”。據(jù)說(shuō)杰拉德·柯伊伯當(dāng)時(shí)認(rèn)為冥王星的大小與地球相當(dāng)，因此將這些天體撒向奧爾特云或太陽(yáng)系外。次年，柯伊伯推測(cè)太陽(yáng)系在演化的早期，會(huì)形成一個(gè)類(lèi)似的圓盤(pán)。
柯伊伯的假設(shè)在其后數(shù)十年有各種不同的形式。1962年，物理學(xué)家艾利絲泰爾·卡麥倫（Al GW Cameron）假設(shè)在太陽(yáng)系的邊緣有大量的小天體存在。1964年，弗雷德·惠普爾（Fred Whipple）提出彗星臟雪球假說(shuō)，并假設(shè)有一個(gè)足夠大的彗星帶，也許質(zhì)量大到被認(rèn)為可以影響天王星的軌道，造成差異而引發(fā)對(duì)X行星的搜尋，但觀測(cè)到的結(jié)果推翻了該假說(shuō)。1977年，查爾斯·科瓦爾（Charles Kowal）利用一種稱(chēng)為閃爍比對(duì)器的設(shè)備，在土星和天王星之間的軌道上發(fā)現(xiàn)冰小行星凱龍（2060）。1992年，另一顆類(lèi)似的冰小行星（5145）Pholus被發(fā)現(xiàn)具有相似的軌道。目前，在木星和海王星之間存在著許多類(lèi)似彗星的天體，被稱(chēng)為半人馬小行星。這些半人馬小行星的軌道并不穩(wěn)定，只能維持?jǐn)?shù)百萬(wàn)年的動(dòng)力學(xué)生存時(shí)間。自從1977年發(fā)現(xiàn)冰小行星凱龍（2060）后，天文學(xué)家推測(cè)存在外源的儲(chǔ)存庫(kù)，經(jīng)常向半人馬小行星補(bǔ)充物質(zhì)。
彗星研究
對(duì)彗星的研究得出了柯伊伯帶存在的進(jìn)一步證據(jù)。一些彗星的壽命是有限的，因?yàn)楫?dāng)它們靠近太陽(yáng)時(shí)，太陽(yáng)的熱會(huì)導(dǎo)致?lián)]發(fā)性的表面逐漸升華至太空，使它們?nèi)諠u消失。為了讓彗星在太陽(yáng)系中繼續(xù)可見(jiàn)，它們必須經(jīng)常得到補(bǔ)充，奧爾特云就是該區(qū)域的一種補(bǔ)充。20世紀(jì)70年代，發(fā)現(xiàn)的短周期彗星越來(lái)越多，而它們的性質(zhì)并不符合起源自?shī)W爾特云的說(shuō)法。1980年，烏拉圭天文學(xué)家胡利奧·費(fèi)爾南德斯（Julio ángel Fernández Alves）提出“每一顆短周期彗星從奧爾特云發(fā)射到內(nèi)太陽(yáng)系，就必須有600顆彗星被噴射到星際空間”。同時(shí)，費(fèi)爾南德斯推測(cè)在35至50天文單位之處有一個(gè)彗星帶。因“彗星帶”和“柯伊伯帶”這兩個(gè)單詞出現(xiàn)在費(fèi)南德茲論文開(kāi)頭的第一段里，所以特里梅將這個(gè)假設(shè)的地區(qū)命名為柯伊伯帶。
發(fā)現(xiàn)柯伊伯帶天體
1987年，當(dāng)時(shí)在麻省理工學(xué)院工作的天文學(xué)家大衛(wèi)·朱維特（David Jewitt），對(duì)于“太陽(yáng)系外圍的明顯空虛”越來(lái)越疑惑。他鼓勵(lì)研究生簡(jiǎn)·盧（Jane Luu）幫助他尋找冥王星軌道之外的另一個(gè)物體。他們使用亞利桑那州基特峰國(guó)家天文臺(tái)和在智利托洛洛山美洲際天文臺(tái)的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)，次年朱維特轉(zhuǎn)到夏威夷大學(xué)天文研究所，利用夏威夷大學(xué)莫納克亞山的2.24m望遠(yuǎn)鏡工作。經(jīng)過(guò)5年時(shí)間搜尋，朱維特和簡(jiǎn)·盧于1992年宣布“發(fā)現(xiàn)候選柯伊伯帶天1992QB1”，即小行星15760。半年后，他們?cè)谠摰貐^(qū)發(fā)現(xiàn)了第二個(gè)天體（181708）1993 FW。
現(xiàn)代研究
對(duì)海王星外區(qū)域進(jìn)行的研究表明，被稱(chēng)為柯伊伯帶的區(qū)域并非短周期彗星的起源地，它來(lái)自一個(gè)被稱(chēng)為離散盤(pán)的相關(guān)群體。在海王星向外遷移到原始柯伊伯帶時(shí)，形成了離散盤(pán)，當(dāng)時(shí)該帶離太陽(yáng)更近，海王星留下了一群不會(huì)受到其軌道影響的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定物體（即柯伊伯帶），以及近日點(diǎn)足夠近的種群（即離散盤(pán)），海王星繞太陽(yáng)運(yùn)行時(shí)仍然可以干擾它們。由于離散盤(pán)是動(dòng)態(tài)活躍的，而柯伊伯帶相對(duì)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，因此離散盤(pán)被認(rèn)為是周期彗星最有可能的起源地。
2006年，天文學(xué)家們已經(jīng)解決了被認(rèn)為是圍繞除了太陽(yáng)之外的九個(gè)恒星的柯伊伯帶狀結(jié)構(gòu)塵埃盤(pán)。它們可能分為兩類(lèi)：半徑超過(guò)50個(gè)天文單位的寬帶，以及半徑在20到30個(gè)天文單位之間且邊界相對(duì)尖銳的窄帶（暫時(shí)類(lèi)似于太陽(yáng)系）。此外，還有15–20％的太陽(yáng)型恒星被觀測(cè)到紅外過(guò)量，這表明存在巨大的柯伊伯帶狀結(jié)構(gòu)。對(duì)柯伊伯帶塵埃的計(jì)算機(jī)模擬表明，當(dāng)它年輕時(shí)，它可能類(lèi)似于年輕恒星周?chē)莫M窄環(huán)。
2016年1月，加利福尼亞州理工大學(xué)的麥克·布朗和康斯坦丁·巴蒂金以6顆軌道怪異的柯伊伯帶天體數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法得出結(jié)論：太陽(yáng)系很可能存在行星九。他們估算出這顆行星質(zhì)量約為地球質(zhì)量的10倍（冥王星質(zhì)量的5000倍），直徑是地球的2-4倍，并且以大約15000年的公轉(zhuǎn)周期繞行著狹長(zhǎng)的橢圓軌道。第九行星的引力效應(yīng)可以解釋一組極端跨海王星天體（ETNO）的特殊軌道集群，這些天體位于海王星之外，繞太陽(yáng)運(yùn)行的平均距離超過(guò)地球的250倍。這些ETNO傾向于在一個(gè)扇區(qū)最接近太陽(yáng)，并且它們的軌道也類(lèi)似地傾斜。這些排列表明，一顆未被發(fā)現(xiàn)的行星可能正在引導(dǎo)已知最遙遠(yuǎn)的太陽(yáng)系天體的軌道。但一些天文學(xué)家質(zhì)疑這一結(jié)論，并斷言ETNO軌道的聚集是因觀測(cè)偏差造成的，這是因?yàn)橐荒曛写蟛糠謺r(shí)間很難發(fā)現(xiàn)和跟蹤這些天體。
密歇根大學(xué)安娜堡分校物理學(xué)家凱文·納皮爾領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組對(duì)這一問(wèn)題作了進(jìn)一步分析。研究人員將3次對(duì)14個(gè)“極端”TNOs運(yùn)行軌道的研究結(jié)合起來(lái)，發(fā)現(xiàn)即便在附近沒(méi)有行星存在的情況下，也可以解釋這些天體軌道為何會(huì)聚集。在考慮了選擇偏差后，數(shù)據(jù)表明ETNOs在宇宙中均勻分布。為了研究這些天體是否真的聚集在一起，約翰·納皮爾的團(tuán)隊(duì)建立了一個(gè)計(jì)算模型，模擬太陽(yáng)系外100億個(gè)均勻分布的ETNOs，然后觀察其中一個(gè)小樣本產(chǎn)生的結(jié)果與現(xiàn)有觀測(cè)結(jié)果相匹配的概率。最終得出的結(jié)論是，沒(méi)有理由認(rèn)為ETNOs分布不均勻，而且觀察到的天體軌道可能只是因?yàn)檫x擇偏差而聚集在一起。納皮爾表示，這并不意味著第9顆行星不存在，但也并非只有第9顆行星存在才能解釋這些數(shù)據(jù)。但布朗對(duì)此并不贊同，他認(rèn)為他們的數(shù)據(jù)中有強(qiáng)有力的證據(jù)表明第9顆行星存在。第9顆行星存在與否的爭(zhēng)論還在繼續(xù)。智利的維拉·C·魯賓天文臺(tái)于2022年開(kāi)始為期10年的天空觀測(cè)，或?qū)⑻綔y(cè)到更多位于柯伊伯帶的天體。即使第9顆行星不在那里，這樣的探索也是有益的。
2019年，日本天文學(xué)家首次在杰拉德·柯伊伯帶發(fā)現(xiàn)了一顆半徑為1.3千米的天體，填補(bǔ)了行星形成過(guò)程中“缺失的一環(huán)”。研究結(jié)果表明，千米尺寸的柯伊伯帶天體比以前想象的要多得多。這一發(fā)現(xiàn)也為一個(gè)模型提供了佐證，即星子首先緩慢地變大成千米大小的物體，然后暴長(zhǎng)并聚合成行星。
2023年8月，日本近畿大學(xué)發(fā)布新聞公報(bào)說(shuō)，該校和日本國(guó)立天文臺(tái)的研究人員利用計(jì)算機(jī)模擬運(yùn)算，成功再現(xiàn)了海王星軌道外側(cè)柯伊伯帶天體的多個(gè)特征，模擬結(jié)果顯示太陽(yáng)系外緣可能存在一顆未知的類(lèi)地行星。研究成果已發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《天文學(xué)雜志》上。
物理特性
位置
以最完整的范圍，包括遠(yuǎn)離中心最外側(cè)的區(qū)域，柯伊伯帶大約從30天文單位伸展到55天文單位。然而，一般認(rèn)為主要的部分只是從39.5天文單位的2:3共振區(qū)域延展到48天文單位的1:2共振區(qū)域。柯伊伯帶非常的薄，主要集中在黃道平面上下10度的范圍內(nèi)，但仍有許多天體散布在更寬廣數(shù)倍的空間內(nèi)。其形狀更像是花托或環(huán)面，而不是皮帶。它的平均位置與黃道傾斜1.86度。
質(zhì)量與尺寸
整個(gè)柯伊伯帶內(nèi)的小天體總數(shù)以十億計(jì)，總質(zhì)量可達(dá)0.02個(gè)地球質(zhì)量。截至2023年，冥王星仍然是尺寸最大的一個(gè)外海王星天體，稍次于冥王星的鬩神星，其尺寸比前者略小，但質(zhì)量比前者大約27%。其余發(fā)現(xiàn)的直徑多為200~400千米。隨著觀測(cè)能力的增強(qiáng)，更多和更小的柯伊伯帶天體將會(huì)被發(fā)現(xiàn)，估計(jì)帶內(nèi)直徑大于100千米的小天體至少有100000個(gè)，主要集聚在距離太陽(yáng)50天文單位環(huán)帶內(nèi)。
柯伊伯帶天體的尺寸分布遵循許多冪律。冪律描述了（直徑大于的物體的數(shù)量）和之間的關(guān)系，稱(chēng)為亮度斜率。天體的數(shù)量與直徑的某個(gè)冪成反比：。得出（假設(shè)不為1）：（僅當(dāng)冪律不適用于D的高值時(shí)，該常數(shù)才可能為非零）。基于視星等分布測(cè)量的早期估計(jì)發(fā)現(xiàn)，這表明在100-200公里范圍內(nèi)的天體數(shù)量是在200-400公里范圍內(nèi)的8倍。
最近的研究發(fā)現(xiàn)，熱經(jīng)典和冷經(jīng)典天體的大小分布具有不同的斜率。熱天體的斜率在大直徑處為q=5.3，在小直徑處為q=2.0，在直徑為110公里時(shí)斜率發(fā)生變化。冷天體的斜率在大直徑處為q=8.2，在小直徑處為q=2.9，在直徑為140公里時(shí)斜率發(fā)生變化。散射物體、普盧托和海王星特洛伊的大小分布斜率與其他動(dòng)力學(xué)熱群體類(lèi)似，但可能有一個(gè)凹痕，即在特定大小以下物體數(shù)量急劇減少的現(xiàn)象。這個(gè)缺口被假設(shè)是因種群的碰撞演化，或者是因該種群在形成時(shí)沒(méi)有小于這個(gè)大小的物體，而較小的物體是原始物體的碎片所致。
結(jié)構(gòu)
由于存在著軌道共振，海王星對(duì)柯伊伯帶的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了重大的作用。在與太陽(yáng)系年齡比較的時(shí)標(biāo)上，海王星的引力使在某些軌道上的天體不穩(wěn)定，不是將她們送入內(nèi)太陽(yáng)系內(nèi)，就是逐入離散盤(pán)或星際空間內(nèi)。這在柯伊伯帶內(nèi)制造出一些與小行星帶內(nèi)的柯克伍德空隙相似的空白區(qū)域，例如，在40至42天文單位的距離上，沒(méi)有天體能穩(wěn)定的存在于這個(gè)區(qū)間內(nèi)。無(wú)論何時(shí)，在這個(gè)區(qū)間內(nèi)被觀測(cè)到的天體，都是最近才進(jìn)入并且會(huì)被移出到其他的空間
經(jīng)典柯伊伯帶天體
大約在40~47個(gè)天文單位處，物體受到海王星引力的影響會(huì)在較長(zhǎng)的時(shí)間尺度上保持其軌道基本不變，這個(gè)區(qū)域被稱(chēng)為經(jīng)典柯伊伯帶。并且目前觀測(cè)到的柯伊伯帶天體有三分之二在這一區(qū)域。因近代第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的柯伊伯帶天體是1992QB1，其被認(rèn)為是這類(lèi)天體的原型，在柯伊伯帶天體的分類(lèi)上稱(chēng)為QB1天體。
傳統(tǒng)的柯伊伯帶被認(rèn)為是兩種不同族群的綜合體。第一類(lèi)是被稱(chēng)為“動(dòng)態(tài)冷”族的星群，其軌道與行星相似，接近圓形，軌道偏心率小于0.1，相對(duì)于黃道的轉(zhuǎn)軸傾角低于10度（軌道平面接近黃道面，傾斜較小）。第二類(lèi)是“動(dòng)態(tài)熱”星群，其軌道更傾向于黃道，傾斜度高達(dá)30°。這兩類(lèi)之所以被這樣命名，主要不是因?yàn)闇囟壬系牟町悾且晕⑿〉臍怏w做比喻，當(dāng)它們變熱時(shí)，會(huì)增加它們的相對(duì)速度。這兩種族群不僅在軌道上有所不同，組成也不同。動(dòng)態(tài)冷星群的質(zhì)量大約比熱星群的質(zhì)量小30倍，冷星群的顏色比熱星群更紅，這表明它們是在不同的環(huán)境中形成。熱星群被認(rèn)為是在靠近木星的地區(qū)形成，然后被氣態(tài)巨行星拋出。另一方面，冷星群可能是海王星在向外遷徙時(shí)被清掃出來(lái)，因?yàn)樗缮⒌?a href="/hebeideji/4412958590159191325.html">雙星難以在與海王星的相遇中幸存下來(lái)。
共振
當(dāng)一個(gè)天體的軌道周期與海王星有明確的比率時(shí)（這種情況稱(chēng)為平均運(yùn)動(dòng)共振），它可以與海王星同步運(yùn)動(dòng)，且兩者的相對(duì)位置適當(dāng)，能避免受到攝動(dòng)而使軌道變得不穩(wěn)定。例如，如果一個(gè)物體每繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)兩次，海王星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)三次，且在近日點(diǎn)時(shí)與海王星相隔四分之一個(gè)軌道周期，當(dāng)它回到近日點(diǎn)時(shí)，海王星總是處于大致相同的相對(duì)位置，因?yàn)樗鼘⒃谕瑯拥臅r(shí)間內(nèi)完成1+1/2個(gè)軌道周期，這被稱(chēng)為2:3（3:2）的軌道共振，這種軌道特征的半長(zhǎng)軸大約是39.4天文單位。而已知的2:3共振天體，包括冥王星和他的衛(wèi)星在內(nèi)，已經(jīng)超過(guò)200個(gè)，該族群的成員被稱(chēng)為冥族小天體。許多冥族小天體的成員，包括冥王星，其軌道橫穿海王星的軌道，但因?yàn)楣舱竦木壒剩鼈冇肋h(yuǎn)不會(huì)與海王星碰撞，其有一些，像是歐侉爾和伊克西翁的大小，都已經(jīng)大到可以列入類(lèi)冥天體的等級(jí)。冥族小天體成員具有較高的軌道離心率，因此它們當(dāng)初原本應(yīng)該不是在現(xiàn)在的位置上，而是被遷移的海王星隨意拋擲到它們的軌道上的。1:2共振（其天體每繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)半圈，海王星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一圈）對(duì)應(yīng)著半長(zhǎng)軸約為47.7天文單位的軌道，但數(shù)量稀少，這個(gè)族群有時(shí)會(huì)被稱(chēng)為1:2共振群（twotino）。較小的共振族群還有3:4、3:5、4:7和2:5。海王星還有許多特洛伊天體占據(jù)著它的拉格朗日點(diǎn)，即位于軌道前方和后方的L4和L5的重力穩(wěn)定點(diǎn)上。海王星的特洛伊天體與海王星處于1:1的平均運(yùn)動(dòng)共振中，通常具有較穩(wěn)定的軌道，但與被海王星捕獲有所不同，它們被認(rèn)為是沿著軌道上形成的。
另外，還沒(méi)有明確的理由可以解釋在半長(zhǎng)軸小于39天文單位的距離內(nèi)缺乏共振的天體。目前公認(rèn)的造成這一現(xiàn)象的假設(shè)是，當(dāng)海王星向外遷移時(shí)，不穩(wěn)定的軌道共振逐漸穿過(guò)該區(qū)域，因此該區(qū)域內(nèi)的任何物體都被卷起，或者被引力噴射出來(lái)。
柯伊伯?dāng)嘌?/h3>
在47.8天文單位處的1:2共振軌道之外可能是一個(gè)邊緣，這個(gè)共振外很少發(fā)現(xiàn)天體。但還不能確定這是傳統(tǒng)柯伊伯帶外側(cè)的邊界，還是只是一個(gè)寬闊的空隙。在大約55天文單位處發(fā)現(xiàn)了2:5共振的天體，遠(yuǎn)超出經(jīng)典帶的范圍；在經(jīng)典柯伊伯帶與共振帶之間的大量天體尚未被觀測(cè)到。
早期的柯伊伯帶模型認(rèn)為在50天文單位之外的大天體數(shù)量應(yīng)該增加兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此這突然的數(shù)目下降，被稱(chēng)為“柯伊伯?dāng)嘌隆保峭耆幢活A(yù)料到的，并且其原因尚不清楚。伯恩斯坦、特里林等人發(fā)現(xiàn)半徑超過(guò)50天文單位、直徑在100公里或更大的天體的快速下降是真實(shí)存在的，而不是觀測(cè)偏差所致。可能的解釋是在那個(gè)距離上的物質(zhì)太缺乏或太分散，因此不能成長(zhǎng)為較大的天體，或者是后續(xù)的過(guò)程摧毀了已經(jīng)形成的天體。神戶大學(xué)的帕特里克·萊考卡（Patryk Lykawka）聲稱(chēng)，一個(gè)看不見(jiàn)的大型行星物體（可能有地球或火星大小）的引力可能是造成這一現(xiàn)象的原因。對(duì)2023年9月之前可用的TNO數(shù)據(jù)的分析表明，經(jīng)典柯伊伯帶外緣的天體分布與外部主小行星帶的分布相似，間隙約為72個(gè)天文單位。與海王星的任何平均運(yùn)動(dòng)共振；外主小行星帶呈現(xiàn)出由與木星5.875天文單位5:6平均運(yùn)動(dòng)共振引起的間隙。
離散盤(pán)
離散盤(pán)是一個(gè)稀疏的區(qū)域，與柯伊伯帶重疊，但延伸范圍超過(guò)100個(gè)天文單位。離散盤(pán)天體（SDO）具有非常橢圓形的軌道，通常傾斜于黃道面。大多數(shù)太陽(yáng)系形成模型顯示，柯伊伯帶天體和超距??天體首先在一個(gè)原始的帶狀區(qū)域形成，隨后發(fā)生引力相互作用，特別是與海王星的相互作用，將這些物體送到外部，一些進(jìn)入穩(wěn)定軌道（柯伊伯帶天體），一些進(jìn)入不穩(wěn)定軌道，即離散盤(pán)。因其不穩(wěn)定的性質(zhì)，離散盤(pán)被認(rèn)為是太陽(yáng)系許多短周期彗星的起源地。它們的動(dòng)態(tài)軌道偶爾會(huì)將它們推入內(nèi)太陽(yáng)系，首先成為半人馬星，然后成為短周期彗星。
柯伊伯帶天體是指僅在定義的柯伊伯帶區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的任何天體。在帶外發(fā)現(xiàn)的天體被分類(lèi)為散射天體。在一些科學(xué)界中，“柯伊伯帶天體”一詞已經(jīng)成為任何原產(chǎn)于外太陽(yáng)系的冰冷小行星的同義詞，假定它曾經(jīng)是這個(gè)初始類(lèi)的一部分，即使它在太陽(yáng)系歷史的大部分時(shí)間內(nèi)的軌道都在柯伊伯帶之外（例如散射盤(pán)區(qū)域），通常將散射盤(pán)天體描述為“散射的柯伊伯帶天體”。
組成
因遠(yuǎn)離太陽(yáng)和主要行星，柯伊伯帶天體被認(rèn)為相對(duì)不受塑造和改變太陽(yáng)系其他天體的過(guò)程的影響。因此，確定它們的組成可以為研究太陽(yáng)系的構(gòu)成提供信息。研究表明柯伊伯帶天體由巖石和各種冰（如水、甲烷和氨）的混合物組成，該帶的溫度僅為50K左右。因此許多靠近太陽(yáng)的氣態(tài)化合物仍保持固態(tài)。僅少數(shù)物體的密度和巖冰分?jǐn)?shù)已知，直徑和質(zhì)量已確定。直徑可通過(guò)高分辨率望遠(yuǎn)鏡成像、掩星時(shí)間或反照率計(jì)算得出的反照率確定。質(zhì)量通過(guò)衛(wèi)星的半長(zhǎng)軸和周期確定，只有少數(shù)雙星物體知道。密度范圍0.4至2.6g/cm3。密度最小的物體可能由冰組成，具有顯著孔隙率；最致密的可能由帶薄冰殼的巖石組成。而且存在小物體的低密度和最大的高密度的趨勢(shì)，對(duì)這一趨勢(shì)的一種可能的解釋是，當(dāng)不同的物體碰撞形成最大的物體時(shí)，冰從表面層消失。
最初，天文學(xué)家只能確定柯伊伯帶最基本的構(gòu)成，比如顏色。這些數(shù)據(jù)顯示柯伊伯帶天體的顏色范圍廣泛，從中性灰到深紅不等，表明它們的表面由各種化合物組成，從冰到碳?xì)浠衔锊坏取Ｌ煳膶W(xué)家原本預(yù)期柯伊伯帶天體會(huì)均勻變暗，因受到宇宙射線的影響，大部分易失性冰從表面消失。針對(duì)這一差異提出了各種解決方案，包括撞擊或氣體排放的重新表面處理。Jewitt和Luu在2001年對(duì)已知的柯伊伯帶天體進(jìn)行的光譜分析發(fā)現(xiàn)，顏色變化過(guò)大，難以用隨機(jī)碰撞來(lái)解釋。人們認(rèn)為，太陽(yáng)輻射可能已經(jīng)化學(xué)改變了柯伊伯帶天體表面的甲烷，產(chǎn)生了硫醇等物。鳥(niǎo)神星已被證實(shí)具有許多源自于甲輻射處理的碳?xì)浠衔铮?a href="/hebeideji/8060677697053024213.html">乙烷、乙烯和乙炔。
最大的柯伊伯帶天體，如冥王星和類(lèi)星體，其表面富含甲烷、氮?dú)?/a>和一氧化碳等揮發(fā)性化合物。這三種化合物在最大的柯伊伯帶天體中的相對(duì)豐度與其表面重力和環(huán)境溫度直接相關(guān)，這決定了它們可以保留哪些化合物。水冰已在幾個(gè)柯伊伯帶天體中被探測(cè)到，例如中型天體如38628 Huya和20000 Varuna，以及一些小物體。在大型和中型物體上發(fā)現(xiàn)的結(jié)晶冰，包括50000 Quaoar，在那里也發(fā)現(xiàn)了氨合物，可能表明過(guò)去的構(gòu)造活動(dòng)受到了氨存在降低熔點(diǎn)的幫助。
起源
柯伊伯帶的確切起源及其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)仍不清楚，因此天文學(xué)家在等待泛星計(jì)劃（Pan-STARRS）以及大口徑全景巡天望遠(yuǎn)鏡的結(jié)果，這些望遠(yuǎn)鏡可能會(huì)揭示許多目前未知的柯伊伯帶天體。Pan-STARRS1于2014年完成了其主要科學(xué)任務(wù)，并于2019年發(fā)布了其巡天數(shù)據(jù)，幫助揭示了更多的柯伊伯帶天體。
柯伊伯帶被認(rèn)為包含許多微行星，它們是太陽(yáng)周?chē)荚行潜P(pán)的碎片，因未能成功地結(jié)合成行星，而形成較小的天體，最大的直徑不到3000公里。對(duì)冥王星和冥衛(wèi)一上隕石坑數(shù)量的研究表明，這些天體是直接形成為直徑數(shù)十公里范圍內(nèi)的大型天體，而不是由更小的、大約公里級(jí)的天體吸積而成。這些較大天體形成的假設(shè)機(jī)制包括集中在湍流原行星盤(pán)或流動(dòng)不穩(wěn)定性中的漩渦之間的卵石云的重力縮，碎裂后可能會(huì)形成雙星。
現(xiàn)代計(jì)算機(jī)模擬顯示，柯伊伯帶受到木星和海王星的強(qiáng)烈影響。并且天王星和海王星不可能在它們目前的位置形成，因?yàn)樵谶@個(gè)范圍內(nèi)存在的原始物質(zhì)太少，無(wú)法形成如此高質(zhì)量的天體。據(jù)估計(jì)，這些行星是在距離木星更近的地方形成的。太陽(yáng)系早期的星子散射會(huì)導(dǎo)致氣態(tài)巨行星軌道的遷移：土星、天王星和海王星向外移動(dòng)，而木星向內(nèi)移動(dòng)。最終，這些行星的軌道達(dá)到了精確的1:2共振點(diǎn)；也就是說(shuō)，土星繞太陽(yáng)一圈，木星繞太陽(yáng)兩圈。這種共振引力引起的拉力破壞了天王星和海王星軌道的穩(wěn)定性，導(dǎo)致它們向外擴(kuò)散到穿越原始星際盤(pán)的高離心率軌道上。
雖然海王星的軌道高度偏心，但其平均運(yùn)動(dòng)共振重疊，微行星的軌道演化混亂，導(dǎo)致微行星向外漂移至海王星的1:2共振，形成低傾角天體的動(dòng)態(tài)冷帶。隨后，海王星的軌道向外擴(kuò)展至目前位置，捕獲并保持許多微行星在共振中。其他微行星演化至高傾角和低偏心率軌道，并逃離共振進(jìn)入穩(wěn)定軌道。更多微行星向內(nèi)分散，一部分被捕獲為木星的特洛伊小行星、不規(guī)則衛(wèi)星和外帶小行星。其余被木星再次向外散射，大多數(shù)被噴射出太陽(yáng)系，使柯伊伯帶數(shù)量減少了99%或更多。
“尼斯模型”復(fù)現(xiàn)了柯伊伯帶的一些特征，例如“冷”和“熱”群體、共振天體和分散盤(pán)，但無(wú)法解釋其分布的某些特征。模型預(yù)測(cè)經(jīng)典柯伊伯帶軌道的平均偏心率高于觀測(cè)值（0.10-0.13與0.07），并且預(yù)測(cè)的高轉(zhuǎn)軸傾角天體太少。修改后的模型以五顆氣態(tài)巨行星為始點(diǎn)，其中有一顆處于平均運(yùn)動(dòng)共振中的額外的冰巨星。共振鏈被打破后，冰巨星沒(méi)有分散到圓盤(pán)中，而是首先向外遷移幾個(gè)天文單位。這種發(fā)散的遷移最終導(dǎo)致共振交叉，破壞行星軌道的穩(wěn)定。這顆額外的冰巨星遇到了土星，并向內(nèi)分散到穿越木星的軌道上，經(jīng)過(guò)一系列的遭遇后被從太陽(yáng)系中彈出。然后剩余的行星繼續(xù)遷移，直到星子盤(pán)幾乎耗盡，小部分留在不同的位置。
與最初的尼斯模型一樣，海王星遷移時(shí)捕獲物體進(jìn)入共振，一些留在共振中，另一些演化到更高傾角、更低偏心率的軌道上，并被釋放到形成動(dòng)態(tài)熱經(jīng)典帶的穩(wěn)定軌道上。當(dāng)海王星遷移到28個(gè)天文單位時(shí)，它與遠(yuǎn)日行星相遇。而這次遭遇導(dǎo)致海王星的半長(zhǎng)軸向外跳躍時(shí)，從冷帶捕獲到與海王星1:2平均運(yùn)動(dòng)共振的物體會(huì)作為44天文單位的局部濃度被留下。沉積在冷帶中的物體包括一些松散束縛的“藍(lán)色”雙星，它們起源于比冷帶當(dāng)前位置更近的地方。如果海王星的偏心率在這次相遇期間保持較小，則可避免原始尼斯模型的軌道混沌演化，并保留原始冷帶。在海王星遷移的后期階段，平均運(yùn)動(dòng)共振的緩慢掃描將偏心率較高的物體從冷帶中移除，截?cái)嗥淦穆史植肌?/p>
觀測(cè)
2006年1月19日，第一艘探索柯伊伯帶的航天器“新地平線號(hào)探測(cè)器”發(fā)射升空，并于2015年7月14日飛越冥王星。除了飛越冥王星之外，該任務(wù)的目標(biāo)是定位和調(diào)查柯伊伯帶中其他更遠(yuǎn)的天體。2014年8月1日天文學(xué)家宣稱(chēng)在太陽(yáng)系邊緣的柯伊伯帶發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)新的冰凍天體，這是他們?cè)诶?a href="/hebeideji/7210668021299068962.html">哈勃空間望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)僅兩周后就取得的發(fā)現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)天體距離地球約64億公里，名稱(chēng)是1110113Y和0720090F。10月15日，美國(guó)航空航天局宣布發(fā)現(xiàn)一些柯伊伯帶天體，可能會(huì)成為新視野號(hào)的研究目標(biāo)，并暫時(shí)將其命名為PT1（潛在目標(biāo)1）、PT2和PT3。次年8月，新地平線號(hào)探測(cè)器選擇了第一個(gè)目標(biāo)2014MU69。2019年1月1日，新視野號(hào)在距離太陽(yáng)43.4天文單位處飛掠名為“小行星9668”的柯伊伯帶小行星2014MU69。返回的數(shù)據(jù)表明該小行星是一個(gè)長(zhǎng)32公里，寬16公里的密接小行星。
未來(lái)計(jì)劃
學(xué)界已研究了至少兩個(gè)返回軌道或登陸冥王星的任務(wù)概念，但沒(méi)有計(jì)劃進(jìn)行“新視野”的后續(xù)任務(wù)。除冥王星外，還存在許多新視野號(hào)無(wú)法訪問(wèn)的大型柯伊伯帶天體，例如矮行星鳥(niǎo)神星（Makemake）和妊神星（Haumea）。泰雷茲集團(tuán)阿萊尼亞航天公司研究了前往妊神星的軌道飛行任務(wù)的后勤工作。設(shè)計(jì)者喬爾·龐西（Joel Poncy）主張采用新技術(shù)，使航天器能夠在10-20年或更短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)柯伊伯帶天體并繞其運(yùn)行。
創(chuàng)神星（Quaoar）因位于太陽(yáng)圈的“鼻子”附近，已經(jīng)被考慮是探測(cè)星際物質(zhì)的探測(cè)器的飛掠目標(biāo)。約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的龐圖斯·布蘭特（Pontus Brandt）和他的同事們研究了一個(gè)將在2030年飛掠創(chuàng)神星的探測(cè)器，然后繼續(xù)通過(guò)日光層鼻子繼續(xù)進(jìn)入星際介質(zhì)。布蘭特和他的同事研究的任務(wù)將使用太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）發(fā)射，并借助木星飛掠來(lái)實(shí)現(xiàn)30km/s的速度。作者計(jì)算出，如果在2039年發(fā)射，軌道飛行器可能在17年的巡航時(shí)間后抵達(dá)小行星28978（Ixion）。
柯伊伯帶天體
自2000年以來(lái)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多直徑在500至1500公里之間的柯伊伯帶天體。創(chuàng)神星是2002年發(fā)現(xiàn)的經(jīng)典柯伊伯帶天體，直徑超過(guò)1200公里，2005年又發(fā)現(xiàn)了鳥(niǎo)神星以及妊神星。截至2023年，已發(fā)現(xiàn)的柯伊伯帶天體的數(shù)目約4000顆。根據(jù)它們軌道的大小和形狀，柯伊伯帶天體可分為經(jīng)典柯伊伯帶天體、共振柯伊伯帶天體、離散柯伊伯帶天體、游離柯伊伯帶天體。如下圖所示，紅色點(diǎn)為太陽(yáng)，藍(lán)色為行星（土星、木星、天王星、海王星），紫色為木星-特洛伊群小行星，綠色點(diǎn)為經(jīng)典柯依伯帶天體，橙色為離散柯依伯帶天體。
海衛(wèi)一
海王星在遷移期間被認(rèn)為捕獲一顆大型柯伊伯帶天體海衛(wèi)一，它是太陽(yáng)系中唯一具有逆行軌道（即與海王星自轉(zhuǎn)相反的軌道）的大型衛(wèi)星。海衛(wèi)一是從周?chē)詹东@的一個(gè)完全成形的天體，天體的引力捕獲并不容易：它需要某種機(jī)制來(lái)減緩天體的速度，使其被更大的天體引力所捕獲。一種可能的解釋是，海衛(wèi)一在遇到海王星時(shí)是雙星系統(tǒng)的一部分。海王星將雙星系統(tǒng)的另一成員拋射出去，來(lái)捕獲海衛(wèi)一。海衛(wèi)一的直徑僅比冥王星大14%，對(duì)兩個(gè)世界的光譜分析表明它們的表面主要由相似的物質(zhì)組成，例如甲烷和一氧化碳。這些都表明海衛(wèi)一曾經(jīng)是一個(gè)被海王星在其向外遷移過(guò)程中捕獲的杰拉德·柯伊伯天體。
冥王星
冥王星是柯伊伯帶中的一顆矮行星。自從1930年冥王星被發(fā)現(xiàn)之后，它就被列為“太陽(yáng)系九大行星”之一。但后來(lái)天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)冥王星和太陽(yáng)系中其他行星之間存在一定程度的差異，因此冥王星的行星地位備受爭(zhēng)議。一直到1978年，當(dāng)冥衛(wèi)一卡戎被發(fā)現(xiàn)后，科學(xué)家們才通過(guò)冥王星和卡戎之間的引力第一次正確測(cè)算出冥王星的質(zhì)量。最后發(fā)現(xiàn)，冥王星的質(zhì)量只有地球質(zhì)量的0.24%，是其軌道上所有其他天體質(zhì)量之和的7%，不足以清除其軌道。在確認(rèn)冥王星-卡戎星冥衛(wèi)雙天體系統(tǒng)后，2006年根據(jù)國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)頒布的《行星定義》將冥王星分類(lèi)為矮行星。后美國(guó)西南研究院（SwRI）的科學(xué)家們結(jié)合美國(guó)航空航天局新地平線號(hào)探測(cè)器對(duì)冥王星的探測(cè)數(shù)據(jù)和羅塞塔探測(cè)器對(duì)67P彗星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)此進(jìn)行分析后提出冥王星是由大約10億顆彗星或者其他柯伊伯帶天體構(gòu)造而成。
衛(wèi)星
鬩神星、冥王星、小行星225088、鳥(niǎo)神星、妊神星和創(chuàng)神星都擁有衛(wèi)星，其中兩個(gè)擁有不止一顆衛(wèi)星。柯伊伯帶中較大的柯伊伯帶天體擁有衛(wèi)星的比例高于較小的天體，這表明不同的形成機(jī)制是造成這種現(xiàn)象的原因。據(jù)估計(jì)，大約11%的柯伊伯帶天體存在于雙星（兩個(gè)質(zhì)量足夠接近的物體“彼此”繞軌道運(yùn)行）中，例如冥王星-冥衛(wèi)一雙星。
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New Horizons Locks Onto Next Target: Let's Explore the Kuiper Belt!.gizmodo.2024-03-09
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The Interstellar Probe Mission: Humanity's First Explicit Step in Reaching Another Star (Invited).Triennial Earth Sun-Summit.2024-03-09
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