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古柏帶20週年:改變太陽系認知的發現

古柏帶(Kuiper Belt)是指海王星軌道以外的小行星帶。天文學家於1992年發現第一顆古柏帶天體(Kuiper Belt Object,KBO)迄今已20年,已知的KBO多達1,000顆以上。這些KBO的發現,改變了天文學家眼中的太陽系風貌。

事實上,第一顆古柏帶天體的發現應該溯及1930年,也就是原為行星、現為矮行星的冥王星,第二顆發現的KBO則是1978年發現的冥王星衛星—凱倫(或稱冥衛一,Charon)。而「古柏帶」這個名詞,來自著名的行星科學家Gerard Kuiper及後繼的其他行星科學家於1930~1950年代提出的各種假設理論;然而一直到1992年,偵測技術才足以發現海王星軌道以外的其他古柏帶天體。

左圖是迄今已知的古柏帶天體分佈圖,橫軸為與太陽的距離,縱軸為數量。不過,這些已知的古柏帶天體大概僅佔了所有KBO的一小部分而已。這是因為天文學家只搜尋了天空的一小部分,還未展開全天搜尋的工作。天文學家估計,直徑約100公里以上的KBO數量很可能超過10萬顆,而直徑在100公里以下到1~2公里左右的小型KBO數量更可能高達數十億顆。冥王星和這些典型KBO相較之下算是龐然大物的,因為它的直徑幾近2400公里,不過這樣的大小,開車繞冥王星赤道一周,只相當於地球上從美國曼哈頓到莫斯科的距離而已。大小差異立見。

絕大部分已知KBO的直徑大約在100~300公里左右,約為冥王星直徑的1/10。但也有些已知KBO的直徑在100公里以下,有些則在300公里以上。事實上,KBO的差異度非常大,例如:

  • 有些是紅色的,有些是灰色的。
  • 有些表面覆滿水冰,但其他的(如冥王星)卻是某些特異的易揮發物質所凝結而成的冰,如甲烷或氮等。
  • 許多KBO擁有衛星,不過都沒冥王星擁有5顆這麼多。
  • 有些KBO的表面反照率非常高(如冥王星),其他的則多半昏暗。
  • 由冥王星的密度推斷,它內部約有70%為岩石。而有些KBO的密度遠比冥王星還低,顯示它們主要由冰構成。少數幾顆KBO的密度比冥王星還大,顯示它們的組成中岩石所佔的比例更多。

如上圖,幾個KBO天體的比較,其中鬩神星(Eris)原本以為比冥王星大,但經過數度測量後,發現它實際上比冥王星小一點點。

新視界號(New Horizons)計畫主持人Alan Stern表示:關於KBO的這些分類,雖非對太陽系認知最重要的新發現,但是仍有其重要之處。他認為關於KBO對認識太陽系有3個最重要的地方:

  1. 我們的行星系統遠比之前認為的還大許多。事實上,直到發現古柏帶之後,天文學家才瞭解到這是太陽系中最龐大的結構。在1992年之前對太陽系的認識,就像是少繪製了太平洋的地球地圖一樣。
  2. 太陽系和其他系外行星系統中的行星位置、軌道橢圓率和傾角等,都會隨時間改變,某些狀況下甚至會成群遷移。科學家有確切證據證明含冥王星在內的許多KBO是在離太陽比較近、現在被那些木星、土星等氣體巨行星所佔據的地方誕生的。
  3. 最後一點可能是讓人最驚奇的一項:我們太陽系,很可能還有許多其他的系外行星系統,都比較善於製造小一點的行星;換言之,小一點的行星或天體是太陽系或這些系外行星系統中數量最多的族群。現今太陽系中的矮行星數量超過一打(雖然已正式命名的只有5顆),數量已超過4顆氣體巨行星加上4顆岩質行星的數量。但科學家估計在古柏帶中或古柏帶以外的太陽系外側,應該存有的矮行星數量還遠不只如此,可能超過10,000顆以上。

從上述這些狀況來看,要不是發現了古柏帶,人們還不知道原來他們錯過了這麼大一片太陽系領土,不知道原來矮行星很可能是太陽系最大的行星級天體族群,甚至很可能是銀河系中最大的行星級天體族群,不知道原來太陽系裡的行星和矮行星們顏色、表面反射率、軌道和表面組成差異度這麼大,也不會知道絕大部分的行星目前所在的位置其實不是原來誕生的位置。

新視界號太空船目前已在24AU遠處,預定將在2015年飛掠冥王星系統,之後變朝太陽系更深處去探索。藉由這艘太空船和其他大型地面望遠鏡、太空望遠鏡的輔助,或許再一個20年,人們對太陽系的認識又有一番天翻地覆的改變也說不定。

資料來源:The Kuiper Belt at 20: Paradigm Changes in Our Knowledge of the Solar System. JHU/APL [August 24, 2012]

轉載自 網路天文館

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