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太阳系的边缘柯伊伯带和弥散盘是如何形成

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定行星轨道没有重大改变,把不跟海王星相遇的天体所在轨道空间区域(e较 小)称为柯伊伯带,又细分为平均运动与海王星(3 : 4、2 : 3、1 : 2)共振的和经典的柯伊 伯带;把那里天体至少在太阳系年龄内可以与海王星在希尔半径内相遇的轨道空间区域 称为弥散盘,此区天体现在轨道的较大偏心率可能是动力学演化所致,因而不能提供原 始构架的线索。此外,把50 AU<a<500 AU区域称为延展弥散盘(extended scattered disk),数值模拟表明,木星族彗星主要来自弥散盘,约12 000年衰退为 小行星外貌的休眠体。

柯伊伯带存在以下特性:①共振族KBO;②经典KBO偏心率的激发;③不同物理 性质的冷族和热族KBO共存;④与海王星平均运动1 : 2共振处的外边界;⑤柯伊伯带 的质量匮乏;⑥延展弥散盘。这些特性不能在现今太阳系框架内得到解释,应当是过去 发生的而今不再的机制所致。尝试多种可能机制,从柯伊伯带结构留下的踪迹来再构建 太阳系的形成和演化。限于篇幅,下面仅简述过去对柯伊伯带可能起作用的。

(1)共振族KBO的起源。巨行星把附近的原始星子驱散时,由于角动量守恒,巨行 星必然发生轨道迀移。数值模拟结果表明,木星和土星的轨道略向内迁移;随着海王星 的轨道迁移,跟它的平均运动共振也向外迁移而打扫原始的柯伊伯带,使得KBO被俘获

到共振而成为共振族KBO,并激发较大的轨道偏心率e和倾角i.

(2)热族KBO的起源。经典KBO细分为热族(;> 4°)和冷族(£ < 4°),热族数目 比冷族的多。它们的物理性质也有差别,热族KBO比冷族的本身亮度大(绝对星等较 小),冷族的颜色更红,而热族KBO的颜色与弥散盘和冥王星族天体类似。

模拟得出,冷族KBO仅形成于海王星轨道外区域,少部分弥散到热族和弥散盘;热 族KBO大多是来自大约30 AU区域冷星子,由于海王星的轨道迁移和共振使它们成为 热族KBCX这也可以解释为什么最大KBO都在热族。这种机制也适用于冥族和延展 弥散盘,但得到的冥族在U, 0图上分布(图6-6)不符合从冷族扫到俘获于共振、而应主 要是从弥散盘俘获于共振。

(3)柯伊伯带外边界的起源。尚没有此问题的公认机制,已提出的机制可归为以下 三类:①远星子盘(例如,因恒星经过)消失;②从延展的气体-尘埃盘(例如,湍流效应抑 制)形成束缚的星子盘;③原先的气体盘(例如,邻近恒星的辐射)截断。这些机制都有缺 陷,Morbidelli认为,跟冥王星的平均运动1 : 2共振限定了柯伊伯带的外界。

(4)冷族KBO的质量匮乏。从KBO的大小分布,推测它们的总质量为〇.〇1?〇IMe,尤其冷族的比预料少;从最小质量太阳星云估计,1+0050 AU区应有固态物质约

30M?,在几千万年甚至几亿年仅形成几颗冥王星大的天体,大部分物质形成10 km以下 的冰星子,海王星形成及其轨道向外迁移使它们的轨道偏心率和倾角增大而发生碰撞演 化,从吸积增长变为剥蚀以及逃离。数值计算模拟表明,与海王星相遇的约 在几亿年就转移到弥散盘,后来与行星相遇而进入太阳系内部或奥尔特云及逃离太 阳系。

(5)延展弥散盘。延展弥散盘形成于50 AU之外。但Sedna和2000 CR105等少数 可能例外,它们可能是从奥尔特云U>200 AU)来的。相反地,观测的近日距g = 39? 40 AU、a = 50?100 AU延展弥散盘天体更可能就是原在现在轨道的。

总之,模拟结果可以解释柯伊伯带和弥散盘的特征。共振有稳定作用,例如,与海王 星2 : 3共振的柯伊伯带天体较多(包括冥王星);然而,与两颗行星长期共振就有可能退 稳定,使柯伊伯带天体随机弥散。但是,仍有一些未解决问题需要继续研究。

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