韦伯望远镜发现柯伊伯带小天体数量远低于预测

海王星以外的区域本应充满小天体。每一个关于行星如何形成的模型都如此预测：一群大小不一的冰质天体，从冥王星级别的巨行星到仅几公里宽的天体，自太阳系形成以来就一直处于冰冷封存之中。如今，两台太空望远镜首次对这片冰冻档案中最小的成员进行了计数，结果发现其数量低于预期。

一项结合了詹姆斯·韦伯太空望远镜和哈勃太空望远镜的巡天观测，识别出27个此前未知的跨海王星天体——即在海王星轨道之外运行的冰质天体——其中一个仅5公里宽。在这个尺度上，这些天体的亮度比任何肉眼可见的恒星都要暗一亿倍，任何地面天文台都无法发现它们。这项探测需要韦伯的红外灵敏度和哈勃的可见光精度协同工作。

令人惊讶的并非发现了小天体，而是它们数量不足。

两台望远镜如何清点太阳系最古老的碎片

这项巡天通过结合两种测量方式完成。哈勃拍摄的可见光波段图像确定了每个天体在反射阳光下的位置和亮度。韦伯则补充了红外数据，揭示了表面颜色和热辐射，这些信息编码了天体的成分和形成历史。两者结合，仪器能够表征比此前任何外太阳系巡天所及天体小五倍的天体。

在韦伯投入科学运行的头两年里，它获取了超过75个已知和新发现的跨海王星天体的可用测光数据。在这项更广泛的观测计划中，有27个天体此前没有任何星表记录——它们是在地面巡天认为在其可达尺度上已充分测绘的区域中发现的新的天体。

研究结果发表在《天文期刊》上的两篇论文中，一篇由北亚利桑那大学的博士生阿纳斯塔西娅·摩根领衔，另一篇由维多利亚大学的玛丽埃尔·爱德华多领衔。北亚利桑那大学的大卫·特里林是两篇论文的共同研究员。

模型预测了什么——计数结果又显示了什么

过去几十年建立的行星形成模型预测了一个特定的尺寸分布：幂律衰减，即每个尺寸等级与下一个更小等级之间保持大致恒定的比例。关键的检验在于，在韦伯现在能够企及的尺寸下，小天体数量是否仍保持比例关系，还是会下降得更快。

韦伯-哈勃联合普查发现了比预测更陡峭的下降趋势。小天体数量低于模型要求。仪器的灵敏度足以探测到更多天体——如果它们存在的话——因此这一短缺是真实存在的，而非探测极限的产物。

行星科学家正在研究的一个过程是“流不稳定性”：卵石云直接引力坍缩成中等到大型天体，绕过了那种会留下更丰富小天体碎片的渐进式碰撞碎裂过程。如果外太阳系主要通过流不稳定性而非逐步吸积形成，那么小天体的短缺反映的是这些构件的形成方式，而非它们随后被摧毁的方式。

颜色记录了什么

第二篇论文探讨了另一个问题，并得出了同样尖锐的结论。跨海王星天体分为两个动力学群：“热”族群，由早期巨行星的遭遇散射到倾斜轨道上；“冷”族群，则一直停留在其诞生地附近，轨道接近圆形。由于这两个族群形成条件不同，碰撞率也不同，因此它们较小的成员预计会在表面颜色上产生分歧。

但它们没有。在巡天能够分辨的每一个尺寸上，两个族群都显示出相同的颜色关系。一个5公里宽的冷TNO和一个5公里宽的热TNO在颜色上无法区分。这种一致性表明，柯伊伯带的化学原料在该区域形成时就已经充分混合——是一个均匀的储库，而非具有不同成分的独立区域。

这意味着小天体在数十亿年的碰撞和宇宙射线轰击下，保存了其诞生时的化学信息。一个5公里宽天体的表面，记录着早期太阳星云的信息，其清晰程度与该族群中任何更大的天体一样。

这项研究未解决的问题

这27个新探测到的天体在统计上具有意义，但只覆盖了包含数亿个天体的区域中的一小部分。尺寸分布的发现存在不确定性，需要更大规模的巡天来降低这种不确定性，然后才能将小天体短缺现象正式视为对任何特定形成模型的挑战。

这项巡天也有一个硬性下限：小于5公里的天体对两台望远镜来说仍然不可见。如果尺寸分布在该阈值以下再次上升——小天体数量恢复到预期水平——那么这项研究发现的短缺将是一个过渡点，而非持续存在的缺口。

此外还有时间问题。如今的柯伊伯带比太阳系最初十亿年时要安静得多。当前的小天体数量是反映了原始的聚集条件，还是反映了由迁移的巨行星驱动的后续动力学清除，这两篇论文都没有涉及。

北亚利桑那大学的大卫·特里林将下一步优先事项描述为扩大巡天区域，并将颜色数据与成分光谱结合起来——将天体表面的外观与其实际构成联系起来。

关于柯伊伯带和跨海王星天体的常见问题

什么是跨海王星天体？
跨海王星天体是海王星轨道之外运行的小型冰质天体，主要集中在距离太阳约30至50天文单位的柯伊伯带中。它们是外太阳系原始建筑材料——微行星的冰冻残余，由于海王星的引力在吸积完成之前搅动了该区域，这些微行星从未合并成完整的行星。

为什么小天体数量对行星形成很重要？
行星形成模型通过将预测与观测到的族群进行比较来检验。柯伊伯带天体的尺寸分布编码了早期聚集的效率和机制。如果小天体比模型要求的更稀少，要么是形成它们的过程与预期不同，要么是随后的动力学事件移除了它们。无论哪种结果，都需要修正我们对外太阳系如何形成的认识。

韦伯如何探测到数十亿公里外仅5公里宽的天体？
不是通过分辨它们——在柯伊伯带的距离上，韦伯看到的只是一个光点。探测来自测光：测量来自比最暗裸眼恒星暗一亿倍的天体反射的微弱阳光。韦伯的红外灵敏度，加上哈勃的可见光精度，将这一能力扩展到了此前任何巡天都无法企及的尺寸。

这项研究接下来会做什么？
NASA的南希·格蕾丝·罗曼太空望远镜，其视场比哈勃或韦伯都要大得多，正是为这种统计普查而设计的。计划中的柯伊伯带巡天预计将产生数千次小型TNO探测——足以最终确认这一短缺，或确定尺寸分布在哪里恢复。

外太阳系仍在被测绘中。两台望远镜的合作刚刚发现，这片区域比蓝图预测的更加空旷。

参考：Morgan et al., “A Color Survey of Trans-Neptunian Objects with the Hubble Space Telescope and James Webb Space Telescope,” The Astronomical Journal, 2026. DOI: 10.3847/1538-3881/ae907f. Eduardo et al., “Size Distribution of Small Trans-Neptunian Objects from Combined HST and JWST Photometry,” The Astronomical Journal, 2026. DOI: 10.3847/1538-3881/ae9084

标签: James Webb Space Telescope, hubble space telescope, planet formation, Kuiper Belt, trans-neptunian objects