行星形成模型預測大量小型柯伊伯帶天體，韋伯望遠鏡卻發現數量更少

海王星以外的區域本該充滿小型天體。每一套行星形成模型都如此預測：一群冰質天體，尺寸範圍廣泛，從冥王星級別的巨無霸到僅數公里寬的小天體，自太陽系形成以來便一直處於冷凍保存狀態。如今，兩座太空望遠鏡首次清點了這座冰凍檔案庫中最小的成員——結果數量比預期來得少。

一項結合詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）與哈伯太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）的觀測計畫，已辨識出27顆先前未知的海王星外天體（trans-neptunian objects）——即運行於海王星之外的冰質天體——其中一顆僅5公里寬。在這種尺度下，這些天體比肉眼可見的任何恆星還要暗一億倍；地面天文台無法發現它們。這項探測需要韋伯望遠鏡的紅外線靈敏度與哈伯望遠鏡的可見光精確度協同運作。

令人驚訝的並非發現了小型天體，而是它們的數量不夠多。

兩座望遠鏡如何清點太陽系最古老的碎片

這項觀測透過結合兩種測量方式來運作。哈伯望遠鏡拍攝了可見光波段的影像，確立每個天體的位置及其反射陽光的亮度。韋伯望遠鏡則加入紅外線數據，揭示表面顏色與熱輻射，這些資訊編碼了天體的組成與形成歷史。兩者結合，儀器能夠描述比先前在外太陽系觀測到的任何天體還要小五倍的物體。

在韋伯望遠鏡科學運作的前兩年，它獲得了超過75顆已知及新發現的海王星外天體的可用的光度數據。從這項更廣泛的觀測計畫中，有27顆天體在先前沒有任何目錄記錄——它們是在地面觀測認為已充分繪製（在其可達尺寸範圍內）的區域中發現的新天體。

研究結果發表在《天文學期刊》（The Astronomical Journal）的兩篇論文中，一篇由北亞利桑那大學（Northern Arizona University）博士生安娜斯塔西婭·摩根（Anastasia Morgan）主導，另一篇由維多利亞大學（University of Victoria）的瑪麗埃爾·愛德華多（Marielle Eduardo）主導。北亞利桑那大學的大衛·特里林（David Trilling）是兩篇論文的共同研究員。

模型預期什麼——而計數結果顯示什麼

過去數十年建立的行星形成模型預測了一種特定的尺寸分布：冪律衰減，其中每個尺寸類別與下一個較小類別之間大致保持恆定的比例。關鍵的考驗在於，小型天體族群在韋伯望遠鏡現今可達到的尺寸範圍內是否仍維持比例，還是衰減得更快。

韋伯-哈伯聯合普查發現的衰減比預測更陡峭。小型天體的數量低於模型要求。儀器的靈敏度足以探測到更多天體（如果它們存在的話）——這個短缺是真實的，並非探測極限的結果。

行星科學家正在檢視的一種過程是「流體不穩定性」（streaming instability）：卵石雲直接重力塌縮成中型到大型天體，跳過了逐漸的撞擊碎裂過程——後者本會留下更豐富的小型碎片庫存。如果外太陽系主要是透過流體不穩定性而非逐步吸積而組裝起來，那麼小型天體的短缺反映的是這些建築塊如何形成，而非它們隨後如何被摧毀。

顏色記住了什麼

第二篇論文探討了一個不同的問題，同樣得出了一個明確的結果。海王星外天體可分為兩個動力學群體：「熱」族群——因早期巨行星遭遇而被散射到傾斜軌道；以及「冷」族群——一直停留在接近圓形的軌道中，靠近它們的誕生位置。由於這些群體在不同條件下形成，經歷了不同的撞擊率，因此它們較小的成員預期會在表面顏色上出現分歧。

但它們並沒有。在該觀測能解析的每個尺寸下，兩個族群都顯示出相同的顏色關係。一顆5公里寬的冷TNO與一顆5公里寬的熱TNO在顏色上無法區分。這種一致性表明，柯伊伯帶的化學原料在該區域形成時就已經充分混合——是一個均勻的儲存庫，而非具有不同成分的獨立區域。

這意味著小型天體在數十億年的撞擊與宇宙射線轟擊下，仍保存了它們誕生時的化學成分。一顆5公里寬天體的表面，記錄了早期太陽星雲的資訊，其清晰度不亞於同一族群中任何較大的天體。

這項研究尚未解決的問題

這27顆新探測到的天體在統計上具有意義，但僅涵蓋了一個包含數億顆天體的區域中的一小部分。尺寸分布的發現帶有不確定性，需要更大規模的觀測來降低，才能讓小型天體短缺成為對任何特定形成模型的正式挑戰。

該觀測也有一個硬性下限：小於5公里的天體對兩座望遠鏡仍然不可見。如果尺寸分布在該閾值以下再次向上彎曲——小型天體數量回到預期水準——那麼這項研究發現的短缺將是一個轉折點，而非持續存在的缺口。

此外還有時間點的問題。今日的柯伊伯帶遠比太陽系最初十億年時安靜得多。目前的小型天體數量反映的是原始組裝條件，還是後續由遷移中的巨行星驅動的動力學清除——這兩篇論文都沒有探討這個問題。

北亞利桑那大學的大衛·特里林將下一步優先事項描述為擴大觀測區域，並將顏色數據與成分光譜學結合——將表面外觀與其實際構成物質聯繫起來。

關於柯伊伯帶與海王星外天體的常見問題

什麼是海王星外天體？
海王星外天體是運行於海王星之外的小型冰質天體，主要集中在距離太陽約30至50天文單位的柯伊伯帶。它們是外太陽系原始建築材料的冰凍殘餘——即微行星（planetesimals），由於海王星的引力在吸積完成之前攪動了該區域，這些微行星從未合併成一顆完整的行星。

為什麼小型天體數量對行星形成很重要？
行星形成模型透過比較其預測與觀測到的族群來進行檢驗。柯伊伯帶天體的尺寸分布編碼了早期組裝的效率與機制。如果小型天體比模型要求的更稀少，那麼要麼是製造它們的過程與預期不同，要麼是後續的動力學事件將它們移除了。無論哪種結果，都需要修正我們對外太陽系如何形成的理解。

韋伯望遠鏡如何在數十億公里外探測到僅5公里寬的天體？
並非透過解析它們——在柯伊伯帶的距離上，韋伯望遠鏡看到一個光點。探測來自光度測量：測量那些比最暗的肉眼可見恆星還要暗一億倍的天體所反射的微弱陽光。韋伯望遠鏡的紅外線靈敏度，結合哈伯望遠鏡的可見光精確度，將這個探測範圍擴展到先前任何觀測都無法達到的尺寸。

這項研究的下一步是什麼？
美國太空總署的南希·格雷斯羅曼太空望遠鏡（Nancy Grace Roman Space Telescope），其視野遠比哈伯或韋伯望遠鏡寬廣，正是為這類統計普查而設計。一項計劃中的柯伊伯帶觀測預計將探測到數千顆小型TNO——足以明確確認短缺現象，或找出尺寸分布何處恢復。

外太陽系仍在被繪製中。兩座望遠鏡攜手合作，剛剛發現這片疆域比藍圖預測的更為稀疏。

參考文獻：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

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