柯伊伯带

最早提出海王星之外還有天體群存在的天文學家是弗雷德里克·查爾斯·倫納德。在克萊德·湯博於1930年發現冥王星後不久，倫納德就思索：「冥王星不太可能是海王星外唯一的天體，是否還有一連串的海王星外天體等待被發現，冥王星只是第一顆，其它的成員注定最終還是會被檢測到」[7]。就在同一年，天文學家阿爾敏·奧托·洛伊施納提出冥王星「可能是有待發現的許多長周期行星之一」[8]。

天文學家杰吉拉德·柯伊伯，柯伊伯带就是以他的名字命名的

在1943年，肯尼斯·埃奇沃斯在英國天文協會期刊上投書假設，在海王星之外的區域，原始太陽星雲內的物質在空間內散布得太廣泛，因此只能凝聚成較小的天體而難以凝聚成行星。由此，他得出結論：相對較小但大量的天體佔據太陽系的行星之外廣大的空間[9]，並且，年復一年，它們中的某一個偶然會從它們的球殼遊蕩到內太陽系[10]，成為拜訪太陽系內部的彗星之一。

在1951年，杰拉德·古柏於發表在天文物理學期刊上的一篇文章中推測，太陽系在演化的早期，會形成一個類似的圓盤，不过他認為這個狹長的圓盤现在已经不存在了。古柏操作它的假說，在他的時代，冥王星被認為和地球一樣大小，因此能夠將那些小天體拋射至歐特雲或太陽系之外。古柏的假說是正確的，否則現在就不會有柯伊伯带這個名稱[11]。

這個假設在其後十年有各種不同的形式。在1962年，物理學家艾利絲泰爾·卡麥倫假設在太陽系的邊緣有大量的小天體存在[12]。在1964年，弗雷德·惠普爾提出著名且通俗化的彗星髒雪球假說，並假設有一個足夠大的彗星帶，也許質量大到被認為可以影響天王星的軌道，造成差異而引發對X行星的搜尋[13]。然而，觀察結果推翻了這個假說[12]。

在1977年，查爾斯·科瓦爾發現軌道介於土星和天王星之間的冰小行星(2060) 查倫。他使用的是與克萊德·湯博在50年前發現冥王星相同，稱為閃爍比對器的設備[14]。在 1992年，另一顆小行星(5145) Pholus被發現有著相似的軌道[15]。現在，在木星和海王星之間存在著許多類似彗星的天體，被稱為半人馬小行星。半人馬小行星的軌道並不穩定，只有數百萬年的動力學生存時間[16]。在1977年發現小行星(2060)查倫之後，天文學家就推測有外來的儲藏所，經常補充半人馬小行星。

稍後，從對彗星進一步的研究，發現柯伊伯带存在的證據。已經知道一些彗星的壽命是有限的，因為當它們靠近太陽時，太陽的熱會導致揮發性的表面逐漸昇華至太空，使它們日漸消蝕。為了在太陽系的有生之年都有彗星的存在，它們就必須經常得到補充[17]。這種補充的區域之一就是奥尔特雲，最早是荷蘭天文學家奥尔特在1950年假設的，是超出50,000天文單位之外的一個巨大球殼[18]。歐特雲被認為是像海爾·波普彗星這種軌道長達數千年的長週期彗星的起源地。

然而，還有另一種週期短於200年的彗星族群，像是哈雷彗星，稱為短週期彗星或週期彗星。在20世紀的70年代，發現的短週期彗星越來越多，而它們的性質並不符合起源自歐特雲的說法[19]。來自歐特雲的天體要成為短週期彗星，它首先要被巨大的行星俘獲。在1980年，烏拉圭大學的天文學家茱麗歐安潔費南德茲首先在皇家天文學會月刊指出，來自歐特雲被送入內太陽系的600顆彗星，幾乎是每一顆短週期彗星，都會被彈入星際空間。他考慮觀測到的彗星數量，推測在35至50天文單位之處應該有一個彗星帶[20]。接續費南德茲的工作，加拿大研究團隊的馬丁·鄧肯、湯姆·奎因和史考特·特里梅在1988年大量使用電腦模擬，以確定所有觀測到的彗星是否都來自奥尔特雲。他們發現歐特雲不能解釋所有的短週期彗星，特別是聚集在黃道平面附近的短週期彗星，而來自歐特雲的彗星傾向於來自天空中的任意一點。添加入如同費南德茲所描述的一個帶，就可以與觀測匹配[21]。據說，因為「彗星帶」和「柯伊伯带」這兩個單詞出現在費南德茲論文開頭的第一段裡，所以特里梅將這個假設的地區命名為柯伊伯带[22]。

在冒纳凯阿火山顶部的望远镜阵列, 在这里“柯伊伯带”被发现

1987年，当时在麻省理工学院工作的天文学家大卫·朱维特，对于“太阳系外围的明显空虚”越来越疑惑。[23]他鼓励当时的研究生刘丽杏帮助他找到超越冥王星轨道的另一个天体，因为，他对她说，“如果我们不这样做，没有人会。”[24]使用在亚利桑那州基特峰国家天文台和在智利托洛洛山美洲际天文台的望远镜，朱维特和刘丽杏以与克莱德·汤博和查尔斯·科瓦尔几乎相同的方式进行自己的搜索，與进行比较。[24]

最后，经过五年的搜索，于1992年8月30日，朱维特和刘丽杏宣布“发现候选的柯伊伯带天体”：小行星15760。[23]半年后，他们在该区域又发现了第二个天体，(181708) 1993 FW。[25]

大約在~42至~48天文單位，雖然海王星的引力影響已經是微不足道的，而且天體可以幾乎不受影響的存在著，這個區域就是所謂的傳統柯伊伯带，並且目前觀測到的柯伊伯带天體有三分之二在这一区域[34][35]。因為近代第一個被發現的柯伊伯带天體是1992 QB1，因此它被當成這類天體的原型，在柯伊伯带天體的分類上稱為QB1天體[36][37]。

傳統的柯伊伯带向來是兩種不同族群的綜合體，第一類是"dynamically cold"的族群，比較像行星：軌道接近圓形，軌道離心率小於0.1，相對於黃道的傾角低於10度（它們的軌道平面貼近黃道面，沒有太大的傾斜）。第二類是"dynamically hot"的族群，軌道有較大的傾斜（可以達到30度）。這兩類會有這樣的名稱主要並不是因為溫度上的差異，而是以微小的氣體做比喻，當它們變熱時，會增加它們的相對速度[38]。這兩種族群不僅是軌道不同，組成也不同，冷的族群在顏色比熱的紅，暗示它們在不同的環境形成。熱的族群相信是在靠近木星的地區形成，然後被氣體巨星拋出。而另一方面，冷的族群雖然也可能是海王星在向外遷徙時清掃出來的，但無論是較近或較遠，相信是在比較靠近目前所在的位置形成的[2][39]。

QB1天體、冥族小天體和鄰近散射天體的分布

當一個天體的軌道週期與海王星有明確的比率時（這種情況稱為平均運動共振），如它們的相對基線是適當的，它們可能被鎖定在與海王星同步的運動，以避免受到攝動而使軌道變得不穩定。如果天體在這種正確的軌道上，在實例上，如海王星每繞太陽三週它便會繞行二週，則每當它回到原來的位置時，海王星總比它多運行了半條軌道的距離，因為這時海王星在軌道上繞行了1.5圈。這就是所謂的2:3（3:2）的軌道共振，這種軌道特徵的半長軸大約是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星在內，已經超過200個[40]，而這個家族的成員統統歸類為冥族小天體。許多冥族小天體，包括冥王星，都會穿越過海王星的軌道，但因為共振的緣故，永遠不會與海王星碰撞。其中有一些，像是歐侉爾和伊克西翁的大小，都已經大到可以列入類冥矮行星的等級[41][42]。冥族小天體有高的軌道離心率，因此它們當初原本應該不是在現在的位置上，而是因為海王星的軌道遷徙被轉換到這里的[43]。1:2共振（每當海王星轉一圈，它才完成半圈）的軌道半長軸相當於47.7天文單位，但數量稀稀落落的[44]，這個族群有時會被稱為1:2共振群（twotino）。較小的共振族群還有3:4、3:5、4:7和2:5.[45]。海王星也有特洛伊小行星，它們位於軌道前方和後方的L₄和L₅的重力穩定點上。海王星特洛伊有時也被稱為與海王星1:1共振群。海王星特洛伊在它們的軌道上是穩定的，但與被海王星捕獲有所不同，它們被認為是沿著軌道上形成的[43]。

另外，還沒有明確的理由可以解釋在半長軸小於39天文單位的距離內缺乏共振的天體。當前被接受的假說是这些天体在海王星遷徙時被驅離了，因為這個區域在遷移中是軌道不穩定的地區，因此在這里的任何天體不是被掃清，就是被海王星的重力拋出去[46]。

圖示為柯伊伯带天體與太陽距離的數量關係

海王星1:2共振轨道之外已知的小行星數量非常少，看起來是個邊界，但還不能確定這是傳統柯伊伯带外側的邊界，還是只是一個寬闊的空隙。觀測到2:5共振的距離大約在55天文單位，被認為在傳統柯伊伯带之外；然而，預測上在傳統柯伊伯带與共振帶之間的大量天體尚未被觀測到[43]。

早期的柯伊伯带模型認為在50天文單位之外的大天體數量應該增加二個數量級[47]，因此，這突然的數目下降，被稱為“古柏斷崖”，是完全未被預料到的，並且它的原因至今仍不清楚。伯恩斯坦和屈林（Trilling）等人發現直徑在100公里或更大的天體在50天文單位的距離上確實突然減少的證據，並不是觀測上造成的偏差。可能的解釋是在那個距離上的物質太缺乏或太分散，因此不能成長為較大的天體；或者是後續的過程摧毀了已經形成的天體[48]。日本神戶大學的向井正和帕特里克·莱卡维卡（Patryk Lykawka）則主張一個大小有如地球而尚未曾被看見的行星與此有關[49][50]，並且可能在未來的10年內發現這個天體[51]。

创神星(Quaoar)已经被考虑是探测星际物质的探测器的飞掠目标，因为它目前位于太陽圈的“鼻子”附近。 约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的庞图斯·布兰特和他的同事们研究了一个在2030年代飞掠创神星的探测器，然后继续通过太陽圈鼻子进入星际介质[61][62]。他们对创神星的兴趣包括可能消失的甲烷大气层和冰火山[61] 。布兰特和他的同事研究的任务将使用太空發射系統(SLS)发射，并借助木星飞掠来实现30 km/s的速度。2012年发表的一项研究得出结论，小行星28978（Ixion）和雨神星（Huya）也是最可行的目标之一[63]。 作者计算出，如果在2039年发射，经过17年的巡航，轨道飞行器可能抵达小行星28978。