2014年1月20日，對於羅塞塔號太空探測器的工作人員來說，要麼是非常好的一天，要麼是非常糟糕的一天。這艘3000公斤重的機器人航天器是歐洲航天局在近10年前發射的，正前往在8月與一顆名為67P/丘留莫夫-格拉西緬科（簡稱67P）的默默無聞的彗星相遇。如果一切按計劃進行，羅塞塔號將完成一項前所未有的壯舉：它將進入彗星周圍的緊密軌道，部署一個名為菲萊的著陸器在其表面著陸，並在這顆冰凍天體在太陽熱量的作用下開始活躍時對其進行跟蹤。
但要實現這一切，羅塞塔號首先必須醒來。它在兩年多前被置於節能的休眠狀態。在1月20日中部歐洲時間上午11點，它的內部鬧鐘被設定為響起。在德國達姆施塔特的歐洲空間行動中心控制室等待的科學家和工程師們確信，探測器會按計劃報告。但他們也想到了1993年與無線電失去聯絡，蹤跡全無的火星觀察者號探測器。有幾分鐘，似乎又要重蹈覆轍了。
“我看到房間裡很多人臉色蒼白，”德國哥廷根馬克斯·普朗克太陽系研究所的霍爾格·西爾克斯回憶道，他負責航天器的光學和紅外相機。感覺就像過了一個世紀，儘管實際上更像是15分鐘——但最終，一個電子訊號從木星之外傳到了達姆施塔特。“它說，‘我又回來了，’”西爾克斯說，“這真是如釋重負。”
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在隨後的幾周裡，情況變得明朗起來，羅塞塔號不僅醒來了，而且功能齊全，準備回答關於彗星的結構、組成、行為和起源的關鍵問題——彗星是自太陽系在大約46億年前形成以來基本保持不變的冰冷天體。本月晚些時候，羅塞塔號將釋放其著陸器，著陸器將鑽入彗星表面以下，挖掘太陽系的歷史。
羅塞塔號並非孤身在外。在2015年7月，經過九年的旅程後，美國宇航局的新視野號探測器將完成另一項壯舉：近距離飛掠冥王星及其五顆已知的衛星。“航天器狀態非常好，”科羅拉多州博爾德市西南研究所辦公室的首席研究員艾倫·斯特恩報告說。儘管這兩個任務是獨立的，但它們並非無關。天文學家現在瞭解到，冥王星和67P是柯伊伯帶的成員，柯伊伯帶是海王星之外數十億個天體組成的廣闊、基本上未知的星群，大小從幾米到2000多公里不等。
這些相遇將為過去二十年的一系列發現畫上句號，正如斯特恩所說，“徹底顛覆並完全改寫了我們對太陽系結構的認知。”事實上，就在20多年前，沒有人知道柯伊伯帶的存在。從那時起，行星科學家們發現了一些接近甚至媲美冥王星大小的冰凍世界。他們看到了證據，指向很久以前木星、土星、天王星和海王星的軌道發生了劇烈的重新排列——甚至可能存在一顆失蹤的第五顆巨行星。他們分析了大約1500個已知的柯伊伯帶天體（KBO）的大小和軌道，以瞭解柯伊伯帶本身是如何形成的——想知道來自新生柯伊伯帶的撞擊冰是否曾經給年輕乾燥的地球帶來了海洋。
每一項觀測都為我們提供了了解柯伊伯帶起源和演化的狹窄視窗。然而，就像盲人摸象的寓言故事一樣，它們開始描繪出更全面的柯伊伯帶結構、組成和演化圖景。隨著兩艘航天器即將首次近距離接觸兩個截然不同的KBO，這幅圖景即將變得更加清晰。
再次發現
當一位名叫克萊德·湯博的年輕天文學家在1930年發現海王星以外的一個新天體時，他和天文學界其他人士都毫不懷疑他已經找到了“X行星”，即長期以來被懷疑存在的太陽系第九大行星。最初，這個新天體——在一位名叫威妮夏·伯尼的11歲英國女學生的建議下被命名為冥王星——被計算出質量與地球相似。然而，到了20世紀70年代，人們清楚地認識到，冥王星比地球的衛星月球更小，質量也小得多。湯博實際上發現的是柯伊伯帶中最亮的天體。
然而，直到20世紀80年代，才有人意識到柯伊伯帶的存在。這其中也包括荷蘭裔美國天文學家傑拉德·柯伊伯，柯伊伯帶的名字就是以他命名的。在20世紀50年代，柯伊伯提出，海王星以外的區域可能曾經充滿了冰冷的天體。但他認為，“巨大的”冥王星的引力會把它們驅散到深空中。他寫道，太陽系的那個部分應該是基本空曠的。“這實際上是一個反預測，”加州大學洛杉磯分校的天文學家戴維·C·朱伊特說，他是外太陽系觀測的先驅。
大約在同一時間，柯伊伯的同胞揚·奧爾特假設，那些廣泛分散的天體本應形成一個球狀的原彗星雲，圍繞太陽執行，最遠可達一光年。他認為，偶爾其中一顆會被撞松，落入內太陽系，在那裡它會像彗星一樣爆發活力。這種情況巧妙地解釋了長週期彗星的存在，這些彗星從四面八方湧入，其軌道路徑至少需要200年才能完成。
但這並沒有解釋短週期彗星，短週期彗星傾向於沿著行星所在的相對平坦的平面飛入。奧爾特認為，這些只是長週期彗星，由於與巨行星的近距離接觸而被轉移到較短的軌道上，沒有人有更好的想法。（或者幾乎沒有人：早在20世紀40年代，愛爾蘭天文學家肯尼斯·埃奇沃思就提出，短週期彗星來自一群小天體，它們的家離太陽更近。但他只是以一種籠統的方式，並且只是順便提了一下。“如果你認為這算作預測，那好吧，”加州理工學院的天文學家邁克爾·E·布朗說，他在2005年發現了冥王星大小的KBO鬩神星，最終在第二年將冥王星降級為“矮行星”。布朗顯然不認為這算數，而且無論如何，當時沒有人注意到埃奇沃思的想法。）
大多數行星科學家現在都認為，對柯伊伯帶存在性的第一個合理預測來自烏拉圭天文學家胡里奧·費爾南德斯。他在1980年發表的論文《關於海王星之外彗星帶的存在》中提出了與埃奇沃思相同的論點，但細節更加嚴謹。1988年，當時在多倫多大學的斯科特·特雷梅因與他的同事馬丁·鄧肯和托馬斯·奎因一起證明，費爾南德斯預測的天體群實際上可以解釋短週期彗星的頻率和軌跡。他們是第一個使用“柯伊伯帶”這個術語的人，儘管特雷梅因現在在新澤西州普林斯頓高階研究所說，“這可能是一個錯誤的術語。費爾南德斯才是我們真正應該用他的名字命名它的人。”
當特雷梅因、鄧肯和奎因在為柯伊伯帶奠定理論基礎時，朱伊特和當時他在麻省理工學院的學生簡·X·盧開始尋找確鑿的證據。他們的搜尋並非受到預測的驅動：朱伊特和盧不知道費爾南德斯的論文，他們於1986年開始搜尋，位元雷梅因和他的同事發表研究結果早了兩年。“鼓勵我們並激勵我們的，”朱伊特說，“是這個簡單的想法，外太陽系如此空曠真是太奇怪了。”
當然，它並不空曠。1992年8月，朱伊特和盧使用夏威夷莫納克亞死火山頂峰的2.2米望遠鏡，發現了第一個KBO，即1992 QB1，這是他們所謂的慢速移動天體調查的一部分。大約六個月後，他們發現了第二個KBO，儘管朱伊特和盧幾乎是當時唯一進行搜尋的人，“天文學界很快就意識到這一點，”朱伊特說。天文學家現在已經識別出大約1500個KBO；根據這些數字，他們估計柯伊伯帶是10萬個直徑超過100公里的天體和多達100億個直徑超過2公里的天體的家園。“對於主小行星帶中的每一個小行星，”朱伊特說，“柯伊伯帶中就有1000個天體。這對我來說太驚人了。”
然而，許多天文學家更震驚於柯伊伯帶中不存在的東西。根據他們關於行星形成的最好模型，柯伊伯帶應該擁有像地球甚至更大的天體。然而，儘管冥王星身邊已經聚集了一些大小與之匹敵的天體——如鳥神星、妊神星、創神星和鬩神星等世界——但至今還沒有發現任何接近行星大小的天體。“那裡有大量的天體，”朱伊特說，“但總的來說，它們的總質量只有地球質量的十分之一。這真的有點微不足道。”
在太陽系早期歷史上，一定發生了某種事情，扼殺了柯伊伯帶中最大的成員。多年來，行星天文學家一直在爭論這可能是什麼。有了羅塞塔號和新視野號，他們最終應該開始得到一些答案。
噴射模型
在柯伊伯帶被發現時，物理學家已經確定了太陽系是如何形成的。它始於一個巨大的星際氣體和塵埃雲，這個雲坍縮形成一個旋轉的圓盤。在其核心，引力將圓盤拉成一個物質結，這個結非常稠密和熾熱，以至於爆發了熱核火焰，從而形成了太陽。
太陽的熱量和輻射將大部分氣體和一些塵埃向外驅散；在更近的地方，塵埃凝結成鵝卵石，然後是巨石，然後是小行星大小的天體，稱為星子。最後，在行星形成的最後階段，數以百計的火星大小的天體會在周圍飛行，撞碎，再次撞到一起，最終形成我們今天看到的八大行星——不僅是岩石質的內行星，還有木星、土星、天王星和海王星，它們基本上是岩石塊，具有足夠的引力來吸走大量周圍的氣體。
在海王星之外，“塵埃”主要應該是冰粒子，這些粒子應該透過類似的過程形成行星大小的天體。這個情景有兩個問題。一是天文學家根本沒有看到這些行星大小的天體（儘管布朗說，據我們所知，遙遠的奧爾特雲中可能有一些像火星一樣大的天體，用當前的技術無法探測到它們）。
另一個問題是，柯伊伯帶中沒有足夠的物質來解釋任何尺寸的天體的存在。如果所有現有KBO中的所有物質都以原始冰塵雲的形式開始存在，那麼這個雲就會過於分散，永遠無法形成任何東西。
因此，柯伊伯帶的存在似乎與理論家認為它必須形成的方式不一致。“普遍的解決方案，”朱伊特說，“是最初柯伊伯帶中有更多的物質——相當於地球質量的30、40甚至50倍。”這些物質確實形成了一個巨大的天體群，但這個集合不知何故被削減了。
亞利桑那大學的物理學家雷努·馬爾霍特拉首次提出的最合理的“不知何故”的機制是，太陽系的四顆巨行星——木星、土星、天王星和海王星——曾經比現在擁擠得多。
馬爾霍特拉和她的幾位同事認為，這些緊密聚集的行星與原始的KBO群體之間的引力相互作用將土星、天王星和海王星向外推。與此同時，木星與KBO和小行星相互作用，向內移動。
這些引力碰撞不僅會打亂行星的軌道，還會將許多KBO拋向太陽引力影響的邊緣，形成遙遠的奧爾特雲，並將許多小行星拋向內太陽系。此外，在它們的遷移過程中，木星和土星會在一段時間內發現它們自己彼此共振，這種情況是土星每繞太陽系執行一週，木星就正好繞太陽系執行兩週。
由於兩顆行星如此精確地排列在一起而產生的額外引力衝擊，KBO會被如此劇烈地散射，以至於超過99%的KBO會被掃除。一些會最終進入奧爾特雲。另一些會撞擊內行星，引發一場被稱為後期重轟炸的災難。“太陽系將遭受野蠻的打擊，”朱伊特說。
至少有一位物理學家，西南研究所的戴維·內斯沃尼，將這個想法更進一步。他認為，太陽系可能曾經擁有一顆第五顆氣態巨行星，這顆行星會在這次劇烈的重新排列中被噴射到星際空間。
如果巨行星的重新排列真的發生了，它就可以解釋為什麼柯伊伯帶沒有真正的大型天體：本來可以建造它們的天體物質被過早地掃走了。此外，形成的天體看起來很像星子——後來結合形成行星的小型原行星。從這個角度來看，柯伊伯帶就像一張快照，凍結在時間裡，記錄了岩石質的內太陽系在行星形成過程開始後僅幾百萬年的樣子。
“現有行星如何形成的最大不確定性，”麻省理工學院的行星科學家希爾克·施利廷說，“是星子的形成——它們是如何存在的，以及它們有多大。”這些資訊早已從內太陽系中消失，但透過結合觀測和模型，她和她的同事們已經證明，如果柯伊伯帶天體來自的冰質星子通常直徑約為一公里，那麼就可以解釋柯伊伯帶天體的大小分佈——這一見解也可能適用於內行星。“我們正在開始瞭解，”她說，“在數十年的推測之後，關於行星形成的初始條件。”
冥王星的特寫
模型和遙感觀測已經告訴行星科學家關於柯伊伯帶的結構和可能歷史的大量資訊。然而，正如對所有行星和數十顆衛星和小行星的太空探測器所顯示的那樣，這不能取代近距離觀測。“哈勃望遠鏡拍攝的冥王星照片很酷，”斯特恩說，“但它只有幾個畫素寬。”到明年6月，“冥王星將像一個真實的世界一樣向我們衝來，”他補充道。
當新視野號在2006年1月發射時，冥王星仍然是一顆行星；它的降級為矮行星直到第二年夏天才到來。但無論你怎麼稱呼它，斯特恩和他的共同研究人員都將盡最大努力瞭解儘可能多的資訊，因為探測器以接近每小時4萬公里的速度衝向並飛掠冥王星及其衛星卡戎，距離其冰凍表面僅1萬公里。
一個目標是計算幾乎肯定會佈滿冥王星冰冷表面的隕石坑，不僅要記錄它們的總數，還要記錄給定大小的隕石坑的數量。這些資訊將為天文學家提供一個獨立衡量KBO本身大小的方法，KBO的大小與其在柯伊伯帶中的丰度成正比，會撞擊冥王星。
“但這甚至更好，”斯特恩說。隨著時間的推移，冥王星的隕石坑會被創造其稀薄大氣層的相同過程沖刷掉：矮行星在其細長軌道上執行時，表面會反覆加熱和冷卻。然而，卡戎沒有大氣層，這意味著它的所有撞擊都被儲存下來了。“你可以比較這兩者，”斯特恩說，“並找出撞擊歷史是如何變化的，今天的射彈的大小範圍與古代柯伊伯帶中的射彈的大小範圍相比如何。”
新視野號還將尋找地下海洋的跡象。行星科學家已經發現了一些木星和土星衛星（木衛二、木衛三、土衛二和土衛六）厚厚的冰殼下隱藏著海洋。如果冥王星有冰間歇泉或火山，這是一個線索，表明其內部是溫暖和潮溼的——可能是由於岩石核心的放射性衰變造成的。即使沒有向外的熱量跡象，探測器的紅外相機也可以探測到表面上的熱點。生命可能存在於冥王星內部的想法完全是推測性的——但由於液態水被認為是我們所知的生物學的必要成分，因此它的發現至少會使這種推測變得合理。
航天器將在短短五個月內完成所有這些以及更多的工作，最密集的考察將在飛掠矮行星所需的一天左右的時間內進行。但資料需要大約16個月才能一點一點地透過近50億公里的距離傳回地球。
與彗星共舞
羅塞塔號將花費幾乎相同長的時間在67P表面上方軌道上執行。與高速掠過冥王星的新視野號相比，羅塞塔號將與其目標一起編隊飛行15個月，使其能夠回答關於67P精確化學成分和內部結構的所有型別的問題——這對於理解最初構成柯伊伯帶的氣體和塵埃的性質以及KBO是如何組裝的非常有價值的線索。科學家們目前的理解在這個時候是非常初步的，以至於沒有“確鑿的證據”可以合理地證明一種理論並摧毀競爭對手。然而，羅塞塔號的發現可能有助於研究人員首次提出一個令人信服的理論。
這次旅程還將讓羅塞塔號及其著陸器菲萊號在彗星隨著越來越靠近太陽而甦醒時，獲得第一排座位。“我們將與彗星並肩同行，直到2015年夏季，屆時活動將達到頂峰，彗核每分鐘將噴射出1000公斤的物質，”歐洲航天局的馬特·泰勒說，他是整個任務的首席研究員。研究人員仍然不知道這些物質是來自彗星的整個表面，還是會從小熱點噴射出來。一年後，這個問題將得到解答，幫助行星科學家瞭解彗星最終如何失去冰並燃盡。
羅塞塔號也應該能夠解決關於我們自身的問題。特別是，地球上的水是從哪裡來的？許多行星科學家認為，太陽系早期歷史中的彗星風暴首先將水輸送到地球。羅塞塔號將透過測量鎖定在67P冰中的H2O是否與地球上的H2O化學性質相同來檢驗這一假設。已經有來自赫歇爾空間天文臺的證據表明，至少有一些彗星攜帶的水與地球海洋中的水具有相同的氫與其較重同位素氘的比例。但羅塞塔號的儀器將對彗星的水和其他成分進行更近距離、更悠閒的觀察，包括可能在生命起源中發揮作用的富碳有機化合物。
菲萊號和羅塞塔號還將協同工作，以解決彗星是僅僅是大型的髒冰塊，還是一組較小的冰塊在自身引力作用下相對鬆散地粘合在一起的問題。當羅塞塔號軌道飛行器在彗星的另一側，遠離菲萊號時，它將透過彗星的主體向下向菲萊號發射無線電訊號，菲萊號將把訊號反射回來。這類似於CT掃描，它將首次向科學家展示彗星的內部結構。
不幸的是，對於我們大多數人來說，67P永遠不會肉眼可見。就像冥王星和絕大多數KBO一樣，即使只是為了知道彗星的存在，你也需要人造放大。因此，毫不奇怪，天文學家直到最近才開始瞭解柯伊伯帶的存在，並認識到它在太陽系的歷史和結構中可能起到的關鍵作用。
到明年年底，由於兩艘在近十年前開始它們的旅程的探測器，我們將獲得無可比擬的更多瞭解。