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エウロパ (衛星) 内部海
ガリレオ探査機による磁場の観測では、エウロパが弱い磁気モーメントを持っていることが明らかになっている。これはエウロパ内部で発生する固有の磁場ではなく、木星の磁場の変動する成分によってエウロパに誘導される磁場である。この磁気モーメントによって作られる磁場の磁気赤道での強さはおよそ 120 nT であり、ガニメデの磁場のおよそ6分の1、カリストの磁場のおよそ6倍である。誘導磁場が発生するためには、エウロパ内部に高い電気伝導率を持つ物質の層が必要である。この役割を果たしうるもっともらしい候補は、大きな液体の塩水の内部海である。
1979年のボイジャーのフライバイ以降、科学者はエウロパ表面に見られる割れ目や、その他の地質学的に若い地形を覆っている赤茶色の物質の組成を明らかにしようと研究を続けてきた。分光学的な観測からは、暗く赤っぽい筋状の模様とエウロパ表面の特徴は硫酸マグネシウムなどの塩を豊富に含んでおり、内部から吹き出た水が蒸発して塩が堆積することで形成されたことが示唆されている。また硫酸水和物も、分光学的に検出された混入物質を説明可能な候補物質である。どちらの場合でもこれらの物質は純粋な状態では無色もしくは白色であるため、赤っぽい色になるためには別の物質が混合している必要があり、硫黄化合物がその候補として考えられている。
エウロパ (衛星) 内部海
色のついた領域の起源を説明する別の仮説として、これらはソリンと総称される非生物由来の有機化合物で出来ているというものがある。エウロパの衝突クレーターと尾根の形状は、割れ目から湧き出して来た流動化した物質の存在を示唆しており、それらが噴出後に熱分解や放射線分解で変質したと考えられる。エウロパの表面で色の付いたソリンを生成するためには、炭素や窒素、水などの物質の供給源が不可欠であり、また化学反応が発生するためにはエネルギー源も必要である。エウロパの氷地殻中の不純物の起源としては、天体の表面を更新する氷火山現象の噴出物に由来するものや、あるいは宇宙空間から惑星間塵として表面に集積するものの両方が想定されている。ソリンは前生物化学や生命起源論において役割を果たす可能性があるため、宇宙生物学の観点からも重要な化学物質である。
潮汐加熱は、潮汐加速によって引き起こされる天体内部での潮汐摩擦と天体の潮汐変形によって発生する。つまり、軌道エネルギーと自転エネルギーが衛星の核や内部海、氷地殻で散逸して熱になる。
内部海に引き起こされる潮汐は、海中での摩擦損失や、海水と固体の海底および上部の氷地殻との相互作用によって熱に変換される。
エウロパ (衛星) 内部海
2008年後半に、エウロパは小さいながらもゼロではない自転軸傾斜角を持つため、木星はエウロパに大きな潮汐波を発生させてエウロパの海を暖かく保つことができるという説が提唱された。この過程ではいわゆるロスビー波が発生して潮汐摩擦において重要な役割を果たすと考えられる。エウロパ内部に発生するロスビー波は、一日あたり数キロメートルしか進まない極めてゆっくりとしたものながら、大きな運動エネルギーを生み出すことができる。現在のエウロパの自転軸傾斜角の推定値が 0.1° であることを考えると、ロスビー波からの共鳴は 7.3×1018 J のエネルギーを持つ。これは主要な潮汐力によって励起される流れが持つエネルギーの2,000倍にもなる。このエネルギーの散逸はエウロパの内部海での主要な熱源となりうる。
潮汐変形はエウロパの内部と氷の地殻を揉み、これが熱源となる。傾斜の大きさによって具体的な数値は変わるものの、海流によって発生する熱は、木星や他の衛星の重力に応答して発生する核の変形によって生み出される熱の100倍から1,000倍大きくなる可能性がある。エウロパの海底は衛星の継続的な変形によって加熱されている可能性があり、地球の海の海底火山に似た熱水活動を駆動している。
エウロパ (衛星) 内部海
2016年に発表された実験と氷のモデル化の論文では、潮汐変形によるエネルギー散逸は過去に科学者が推定していたよりも一桁も多い熱をエウロパの氷に与えることができるということが指摘された。この研究結果によると、氷に与えられる熱の大部分は実際には氷の結晶構造 (格子) の変形の結果として発生するものであって、氷の粒子間の摩擦によるものではないことが示された。氷のシートがより大きく潮汐変形を受けるほど、より大きな熱が生み出される。
潮汐加熱の他に、エウロパの内部は岩石マントルに含まれる放射性物質の崩壊によっても温められうる。しかし理論モデルから得られる値や観測されている熱流量の値は、放射性物質の壊変のみで生成されうる熱量の100倍も大きいものであるため、エウロパ内部の熱源としては潮汐加熱が主要であることを意味している。
2012年にハッブル宇宙望遠鏡によって得られたエウロパの画像の中から、エウロパの南極付近から噴出している水蒸気と思われる特徴が発見された。画像の分析から、噴出物の高さは表面から 200 km にも及び、地球の最高峰エベレスト山の20倍を超える高さにまで達していることが示唆された。もしこれが実在のものであるとすると、噴出は間欠泉的に発生しており、エウロパが木星から最も遠ざかった地点で発生しているように思われることが示唆された。これは噴出が潮汐力によって引き起こされると仮定した場合の理論的な予測と一致する特徴である。2016年にもハッブル宇宙望遠鏡によってこの噴出の存在を支持する観測結果が得られている。
2018年には、1995年から2003年にかけて木星を周回したガリレオ探査機によって得られたデータの最新の厳密な分析に基づき、エウロパでの水の噴出活動の存在を支持するさらなる証拠が得られた。ガリレオは1997年にエウロパの表面から 206 km 以内という非常に近距離を通過しており、この際の磁場およびプラズマの変動データはこの時に探査機が噴出の中を通過した可能性があることを示唆した。このような噴出活動は、衛星表面に着陸すること無くエウロパの地下の海における生命の探査を行う手助けになると科学者は考えている。
太陽系内で他に水蒸気の噴出が発見されているのは、土星の衛星エンケラドゥスのみである。エウロパでの噴出量は1秒あたり 7,000 kg 程度と推定されており、エンケラドゥスでは1秒あたり 200 kg 程度と推定されている。噴出の存在が確認された場合、探査機による噴出を通過するようなフライバイを行える可能性が広まり、衛星に着陸して何キロもの深さの氷地殻の掘削を行うこと無く、その場で内部海の成分を分析するためのサンプルが得られることが期待される。
エウロパ (衛星) 大気
1995年に行われたハッブル宇宙望遠鏡の高分散分光器を用いた観測で、エウロパに酸素分子 (O2) を主成分とする薄い大気が存在することが明らかになった。エウロパの大気の表面圧力は 0.1 µPa であり、これは地球の大気圧の 10-12 倍に相当する。さらに1997年にはガリレオ探査機の観測によって、荷電粒子からなる高層大気層である希薄な電離圏の存在が確認された。この電離圏は太陽放射と木星の磁気圏からの高エネルギー粒子によって形成されており、これはエウロパに大気が存在することを支持する証拠である。
エウロパ (衛星) 大気
地球の大気中に存在する酸素とは異なり、エウロパの大気中の酸素は生命起源ではない。エウロパ表面に重力的に束縛されている大気は、放射線によって分子が解離する反応である放射線分解によって形成されている。太陽からの紫外線と木星磁気圏からの荷電粒子 (イオンと電子) がエウロパの表面の氷に衝突し、水分子を酸素と水素に分解する。こうして生成された成分は吸着され、その後スパッタリングを受けて大気中に放出される。スパッタリングとは、天体の表面に高速の粒子が衝突し、表面にあった粒子がエネルギーを与えられた結果として叩き出されて散逸する現象のことである。紫外線や放射線が衝突することによってこれらの生成物が表面から放出されることもあり、これらの2つの過程の釣り合いで大気が形成されている。酸素分子は寿命が長いため、エウロパの大気では最も多い成分である。表面から大気中に放出された酸素分子は重力に引かれて再び表面に戻った後、水や過酸化水素分子のように固着 (凍結) せず、また表面から脱着して再び放物線軌道を描いて大気中を運動する。一方で水素分子は非常に軽くエウロパの重力から脱出できるため、放出された後は表面には戻ってこない。
エウロパ (衛星) 大気
エウロパ表面の観測では、放射線分解によって生成された酸素分子の一部は表面から放出されずその場に留まることが明らかになっている。エウロパの表面は地下にある海と相互作用していると考えられているため、この酸素分子は内部海へ到達し、存在しているかもしれない生物学的プロセスに役立つ可能性がある。ある推定では、エウロパの表面の最大年齢が5億歳と見積もられていることに基づく表面の更新速度を考えると、放射線分解によって生成された酸化物質のエウロパ内部への沈み込みによって、エウロパの海の遊離酸素濃度は地球の深海に匹敵する値になると考えられている。
一方でエウロパの重力から脱出する水素分子は、酸素原子、酸素分子と共に、木星を公転するエウロパの軌道の周りにガストーラスを形成する。この「中性粒子の雲」はカッシーニやガリレオによって検出されている。このようなガストーラスは内側の衛星であるイオにも存在していることが分かっているが、エウロパの中性粒子の雲はイオのものよりも多い個数の原子や分子を含んでいる。理論モデルでは、エウロパのトーラスの中にいるほとんど全ての原子や分子はいずれ電離され、木星の磁気圏内のプラズマの供給源となっていると考えられている。
エウロパ (衛星) 探査
エウロパの探査が初めて行われたのは、1973年と1974年にパイオニア10号とパイオニア11号がそれぞれ木星をフライバイしたときである。この時に撮影された初めてのエウロパの接近画像は、後の探査ミッションで得られたものと比較すると解像度の低いものであった。ボイジャー計画の2機の探査機が1979年に木星系を探査した際に、エウロパの氷に覆われた表面のより詳細な写真が得られた。ボイジャーによって得られた画像から、多くの科学者はエウロパの地下に液体の海が存在する可能性について考えることとなった。
ガリレオは1995年から2003年までの8年間にわたって木星を周回し、今日に至るまでで最も詳細なガリレオ衛星の探査を行った。ガリレオが行ったミッションの中には「ガリレオ・エウロパ・ミッション」(GEM) や「ガリレオ・ミレニアム・ミッション」(GMM)などの延長ミッションがあり、このミッションでエウロパへの多数の接近観測が行われた。
2007年には冥王星へ向かう途中のニュー・ホライズンズが木星系を通過し、エウロパの観測が行われた。
エウロパ (衛星) 探査
エウロパは地球外生命が存在する可能性があるという観点で注目を集めており、将来の探査ミッションに向けた着実なロビー活動が続けられている。これらの探査ミッションの目的は、エウロパの化学組成を探るというものから、内部海に存在が仮定されている地球外生命を探査するというものまで、非常に広範囲にわたっている。ロボットを用いた探査計画も立案されているが、エウロパでロボット探査を行うためには、木星やエウロパ周辺の高い放射線環境に耐えうる機材が必要である。エウロパにおける放射線環境は、1日あたり 5.40 Sv という高いものである。
2011年に、アメリカ合衆国の Planetary Science Decadal Survey によってエウロパの探査ミッションが推薦された。NASAはそれに応じて、エウロパ・クリッパーと呼ばれるエウロパのフライバイ探査機や、エウロパの周回機、さらにはエウロパへの着陸機の概念研究を開始した。周回機ではエウロパの海の科学研究に主眼を置き、フライバイを行う探査機は化学やエネルギー科学に主眼を置くこととされた。2014年1月13日に、アメリカ合衆国下院の歳出委員会はエウロパのミッション概念研究を継続するための資金8,000万ドルを含む超党派の法案を発表した。
エウロパ (衛星) 探査
2013年7月に、エウロパ・クリッパーの更新計画がジェット推進研究所とジョンズ・ホプキンズ大学の応用物理研究所によって提案された。さらに2015年5月にNASAはエウロパ・クリッパーの開発を承認したと発表し、この探査機に使用される予定の機器を明らかにした。エウロパ・クリッパーの目的は、エウロパにおける生命の居住可能性を調査し、将来のエウロパ着陸機計画における着陸地点の選定を支援するための探査を行うことである。エウロパ・クリッパーはエウロパを周回する軌道には入らないが、木星を周回しながらエウロパ上空の低高度を45回フライバイすることが構想されている。探査機には、氷の中を探知するレーダー、短波長の赤外線分光器、地形を撮影するためのカメラ、イオンと中性粒子の質量分析計が搭載される予定である。2018年時点では、エウロパ・クリッパーはNASAが開発中の大型打ち上げロケットのスペース・ローンチ・システムでの2023年の打ち上げが検討されていたが、2021年7月23日、それに代わりスペースXのファルコンヘビーで打上げられることが決まった。
エウロパ (衛星) 探査
現在概念研究が行われているエウロパ探査計画として、アメリカ航空宇宙局（NASA）によるエウロパに着陸する探査機の計画であるエウロパ・ランダーがある。上記のエウロパ・クリッパーによる探査の一環として、エウロパ・ランダーが着陸するべき地点の選定に使えるような地形のデータを取得するものとされている。2018年の研究ではエウロパの表面は高いギザギザの氷の尖塔に覆われている可能性があることが示唆されており、これはエウロパ・ランダーが着陸を行う際の障害となる可能性がある。
2012年には、欧州宇宙機関によって Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE) が計画ミッションとして採択された。JUICE の主目的はガニメデの詳細な探査であり最終的にはガニメデの周回軌道への投入が予定されているが、ガニメデ周回軌道への投入前の木星を周回して観測を行う段階で、エウロパを2回フライバイして観測を行うことが予定されている。
エウロパへの探査ミッションはこれまでに様々なものが提案されている。これらの提案には採用されなかったり中止になったりしたものも多いが、その後に提案され採用された別の計画の基礎となったものもある。
エウロパ (衛星) 探査
2000年代前半に、エウロパ・ジュピター・システム・ミッション (EJSM) と呼ばれる木星の氷衛星への探査ミッションが提案された。これはNASAが主導するエウロパ周回機である Jupiter Europa Oebiter (JEO) と欧州宇宙機関（ESA）が主導するガニメデ探査機の Jupiter Ganymede Orbiter (JGO) からなる共同ミッションであり、2020年の打ち上げが予定されていた。この計画には日本の宇宙航空研究開発機構（JAXA）も木星磁気圏を探査する Jupiter Magnetospheric Orbiter (JMO) で参加する構想があった。
2009年に EJSM は、土星とその衛星タイタンやエンケラドゥスの探査ミッションであるタイタン・サターン・システム・ミッションよりも高い優先度が与えられた。この段階では、EJSM は他の探査計画と予算的に競合する状態にあった。しかし2011年4月に、ESAは現状のNASAの予算では2020年代初頭にEJSMの打ち上げを行うのは困難だと判断し、JGOの設計に基づいて新しい探査計画であるJUICEを立ち上げることとなった。
エウロパ (衛星) 探査
Jovian Europa Orbiter (JEO、上記の Jupiter Europa Orbiter とは異なる) は、ESAが2007年から実現可能性の検討を行っていた探査計画である。この計画では、探査機をエウロパ周回軌道に投入して探査を行うものとされていた。エウロパ周回機のJEOと、木星の磁気圏の外部を長楕円の軌道で周回してJEOと地球の通信をリレーする役割を果たす Jovian Relay Spacecraft (JRS) から構成され、可能であれば JEO にはさらに氷地殻のその場分析を行うための重量 1 kg 未満の超小型探査機を搭載し、エウロパ周回軌道上で分離することが想定されていた。
エウロパ表面の物質を採取してサンプルリターンを行う計画としては、1996年に立案された Ice Clipper という概念研究が存在した。これは彗星探査機のディープ・インパクトに搭載しているのと似た衝突体 (インパクター) を使用することが計画されていた。Ice Clipper は、衝突体を計画的にエウロパ表面にぶつけて破片を噴出させ、その後小さい探査機がその破片の噴出の中を通過することでサンプルを収集するとされていた。
エウロパ (衛星) 探査
Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO) はNASAが提案していた木星の氷衛星のための探査機である。この計画はNASAによる原子力発電から動力を得る宇宙機を開発するプロメテウス計画の一部であり、探査機の動力源として、(原子力電池ではなく) 小型の原子炉を搭載し、推進にはイオンエンジンを用いることが予定されていた。JIMO では小型の原子炉を搭載したエウロパ着陸機である Europa Lander Mission が計画されており、周回機を介して地球との通信を行うとされていた。しかしこの計画は2006年に中止された。
エウロパ・オービターは、2002年に中止されたNASAによる探査ミッションである。この探査機の目的はエウロパの内部海の大きさを測定することと、海とエウロパ深部との関係を明らかにすることである。搭載が予定されていた機器は、電波のサブシステムやレーダー高度計、磁気センサ、ラングミュア探針、地図作成のためのカメラなどである。エウロパ・オービターの特色は、氷の表面の下をスキャンするための氷を通過する特別なレーダーであった。
この計画は1999年に進行の承認が降りたものの、2002年に中止となった。エウロパ・オービターの計画で得られた成果は上記のEJSMにおけるNASAのJEOへと繋がったが、こちらも2011年に事実上中止になっている。
エウロパの表面下浅い場所に凍結している可能性のある生命の痕跡を探査するために、熱ドリルと組み合わせたインパクターなどのより野心的な探査のアイデアも提案されている。
2001年に提案された構想に、原子力でエネルギーを生成する大きな「溶融探査機」(クライオボット) というものがある。これは表面の氷地殻を溶かして内部海に探査機を到達させるというアイデアである。探査機が内部海に到達した後にハイドロボットと呼ばれる自律型無人潜水機を切り離し、エウロパの内部海の情報を収集して地球に送信する。地球に由来する生物の誤検出を防ぎ、またエウロパの内部海の環境汚染を防ぐためには、クライオボットとハイドロボットには両方とも何らかの形で徹底した滅菌を施す必要がある。この構想は、まだ正式な概念研究を行う段階には到達していない。
エウロパ (衛星) 地球外生命の可能性
現在までにエウロパに生命が存在することを示す証拠は得られていないが、エウロパは太陽系にある地球以外の天体では、生命が存在する可能性が最も高い場所の一つとして注目を集めている。エウロパ内部の氷に覆われた海は、地球における南極大陸の氷底湖であるボストーク湖に近い環境であると推測されている。
1970年代まで、少なくとも一般的に理解される概念としては、生命は太陽からのエネルギーに完全に依存していると考えられていた。植物による光合成生態系のことである。たとえ太陽光の届かない深海の生命であっても、間接的に太陽光の恩恵を受けたものと考えられていた。
エウロパ (衛星) 地球外生命の可能性
しかし、海底探査による化学合成生態系の発見が、従来の常識を覆した。1977年の深海探査艇アルビン号によるガラパゴス海嶺の探索では、ジャイアントチューブワーム、貝類、甲殻類などの様々な深海生物が、ブラックスモーカーと呼ばれる熱水噴出孔の周りに群生しているのが発見された。これらの生物は太陽光が全く届かないにもかかわらず繁殖しており、また後に解明されたところによると、まったく独立な食物連鎖を形成していた。この食物連鎖の基盤は植物ではなく、化学物質の酸化反応からエネルギーを得ていたバクテリアだった。これらの化学物質とは水素や硫化水素などであり、地球内部から噴出しているものであった。このようなエネルギー合成システムを化学合成という。これは生命の研究において革命的な発見であり、生命には必ずしも太陽は必要ではなく、水とエネルギーがありさえすればよいということが明らかになった。また、この成果は宇宙生物学にも新たな道を開き、地球外生命の存在可能性を著しく広げることになった。そのため21世紀初頭において、エウロパの光の届かない海洋は、太陽系の中でも最も地球外生命の存在が期待されている場所である。
エウロパ (衛星) 地球外生命の可能性
化学合成生態系のプロセスが発見されたのは地球だが、これはエウロパの生命モデルの可能性として有力である。しかし、このようなエネルギー源では、地球表面の光合成を源とする生態系のように、広範で多様な生態系を形づくることはできない。エウロパに生命が存在した場合、地球においてエンドリシックと呼ばれる生命が生息している場所のような、熱水噴出孔や海底に固まって存在している可能性がある。あるいは、地球の極地での藻類や細菌のように、エウロパの氷の層の下面にしがみつくように生息していたり、エウロパの内部海を漂っていたりするものもあると考えられている。もしエウロパの海が低温過ぎた場合、地球で起きているのと同じ生物学的過程は発生しない可能性がある。また塩分が多すぎる場合も、極端な好塩菌しかその環境では生きられない。
潮汐力によってもたらされるエネルギーは、熱水噴出孔などのエウロパ内部での地質学的活動を駆動する。イオでも同様の活動が発生しているが、イオはエウロパよりも遥かに活動が活発である。エウロパでも地球と同様に放射性物質の崩壊熱が内部での熱源になっていると考えられるが、潮汐摩擦や潮汐変形によって生み出されるエネルギーの方が放射性物質由来のエネルギーより数桁も大きい。
エウロパ (衛星) 地球外生命の可能性
エウロパに全球的に存在すると考えられている内部海とは別に、氷の地殻の中に液体の水の湖が部分的に存在することを示す観測結果も得られている。もしこれが確認されれば、これらの湖も生命を宿している可能性がある候補地となる。
上記の様に、エウロパの生命は、氷地殻の下にある内部海のおそらくは地球の深海の熱水噴出孔に似た環境に存在する可能性があると考えられている。しかし2016年のNASAの研究では、エウロパに火山性の熱水活動が無かったとしても、火山活動を直接必要としない蛇紋岩の形成と氷に由来する酸化性物質に関連したプロセスによって、地球に似た水準の水素と酸素が生成されうることが分かっている。2015年には内部海に起源を持つ塩がエウロパのいくつかの地形を覆っていることが明らかになり、これは内部海の海底において海と海底が相互作用を起こしていることを示唆していると考えられた。これはエウロパにおける生命の居住可能性を考える上で重要な要素である可能性がある。エウロパの岩石マントルと液体の水が接触している場所がある可能性があるため、その箇所に探査機を送り込むことを求める研究者もいる。
アリゾナ大学のリチャード・グリーンバーグらは、エウロパ表面の氷への放射によって氷地殻は酸素と過酸化物で飽和し、それらの物質はテクトニクスによってエウロパの内部海へ輸送されうるという理論モデルを2010年に提案した。このモデルでは、この過程によってエウロパの内部海はわずか1,200万年程度の期間で地球の海と同じ水準まで酸化させられ、複雑で多細胞の生命の存在が可能になるとされている。
過酸化水素はエウロパの表面の広範囲に、豊富に存在している可能性があることが研究から示唆されている。過酸化水素は液体の水と反応することで酸素と水に分解されるため、この分解過程は単純な生命体にとって重要なエネルギー源になる可能性があると考える研究者もいる。
粘土鉱物、具体的にはフィロケイ酸塩は、地球ではしばしば有機物に伴って存在しているが、これはエウロパの氷地殻でも検出されている。この鉱物は、小惑星か彗星との衝突の結果として存在していると考えられている。
何人かの科学者たちは、地球上の生命が小惑星の衝突によって宇宙空間に吹き飛ばされ、それが木星の衛星に到達した可能性があるという主張をしている。隕石によって生命が他の天体に拡散されるとする説は、岩石パンスペルミアと呼ばれている。
オールトの雲
オールトの雲（オールトのくも、英: Oort cloud）あるいはオールト雲（オールトうん）とは、太陽系の外側を球殻状に取り巻いていると考えられている理論上の天体群である。
名称はオランダの天文学者ヤン・オールトが、1950年に長周期彗星や非周期彗星の起源として提唱したことに由来する。存在を仮定されている天体は、水・一酸化炭素・二酸化炭素・メタンなどの氷が主成分であると考えられている。
オールトの雲 概要
オールトの雲は、おおむね太陽から10,000天文単位（au）、もしくは太陽の重力が他の恒星や銀河系の重力と同程度になる100,000au（≓約1.58光年）の間に球殻状に広がっているとされる。その存在は彗星の軌道長半径と軌道傾斜角の分布の統計にもとづく状況証拠のみであり、想定される領域で天体が直接観測された訳ではないため、仮説の域を出ないが、存在を否定する証拠も特にない。
オールトの雲には1×1012（1兆個）単位の数の天体が含まれると推測されている。その起源は、太陽系の形成と進化の過程で、現在の木星軌道付近から海王星軌道付近までに存在していた小天体が、巨大惑星の重力や相互衝突により軌道要素が変わり、近日点距離が海王星軌道の半径よりも大きな長楕円軌道に移ったとする説が有力である。この説によると、もともと海王星軌道の外側にあった天体は、エッジワース・カイパーベルト天体として今も残っているということになる。
オールトの雲 概要
日本学術会議による2007年4月9日の対外報告（第一報告）では、「オールト雲はまだその存在が確認されていないため、現在のところ明確に太陽系外縁天体に含まれるものではないが、将来的には外縁天体の延長と見なされるようになるだろう」と述べられている。
エルンスト・エピックも彗星の起源としてよく似た仮説を発表しているため、時折「エピック・オールトの雲（Öpik–Oort cloud）」と言われることもある。
オールトの雲 オールトの雲に含まれる可能性のある天体
確認されている太陽系天体の中で、オールトの雲に属すると推測される天体は長周期彗星や非周期彗星（前者を後者に含めることもある）のみである。詳細は非周期彗星の一覧を参照。
2004年に小惑星として発見され、のちに長周期彗星であったことが判明したリニア彗星（C/2004 YJ35）の場合、遠日点は約24,300au、公転周期は約1134万年と推定されている。非周期彗星の軌道は放物線か双曲線であり、遠日点という言葉は意味をなさない。
パロマー天文台で2003年に発見されたセドナ（準惑星候補の天体の一つ）は、オールトの雲に属する天体であるとする説があったが、その後の観測で遠日点が最大でも924auであることがわかったため、オールトの雲は1万auよりずっと内側まで広がっている（内部オールト雲という）とする説と、セドナはオールトの雲の天体ではないとする説とが対立している。同様に遠日点が数百から数千auという小天体は他にも数個発見されているが、セドナほど大きいものはない。
オールトの雲 オールトの雲に含まれる可能性のある天体
テュケーは、ジョン・マティスが1999年の論文でオールトの雲付近に存在すると提唱した、仮説上の惑星質量天体である。太陽から15,000auほどのオールトの雲付近に、木星の4倍ほどの質量を有する天体が存在し、180万年ほどの周期で太陽を周回するとされた。2009年12月に打ち上げられた広域赤外線探査衛星の探査により、発見されることを期待する科学者もいたが、現在では存在を否定する説が多い。
オールトの雲 他の恒星の影響
現在太陽系から63光年の空間に存在する恒星グリーゼ710が、およそ150万年後に太陽から約1光年の位置まで接近するため、仮にオールトの雲が存在するならば、近接する空間のそれはかなりの影響が生じると予想される。
海王星より内側の惑星には直接的な影響こそ及ぼさないものの、過去においてはこうした恒星の接近によって軌道を乱された彗星が太陽系内部に飛来し、その一部が地球に衝突して、大量絶滅を引き起こしたとする説がある。
ショルツ星系は今から約7万年前に、太陽から52,000au（0.25パーセク、0.82光年）の距離を通過したと計算されている。仮にショルツ星系の影響でオールトの雲から彗星が散乱されたとしても、太陽系の内側に達するには200万年を要するとされる。
エッジワース・カイパーベルト
エッジワース・カイパーベルト (英: Edgeworth-Kuiper belt)、または単にカイパーベルト (英: Kuiper belt) は、太陽系の海王星軌道 (太陽から約30 au) より外側からおよそ 50 au までの黄道面付近にある、天体が密集した穴の空いた円盤状の領域であり、星周円盤の一種である。小惑星帯 (メインベルト) と似ているが、範囲は20倍、質量は20から200倍と小惑星帯よりもはるかに大規模である。小惑星帯と同様、カイパーベルトは主に太陽系小天体か、太陽系が形成される際の残余物からなる。多くの小惑星が岩石と金属を主成分とする一方で、カイパーベルトの天体はその組成の大部分をメタンやアンモニア、水などの揮発性物質の凝縮物 (これらを「氷」と総称する) が占めている。カイパーベルトには、天文学者が一般的に準惑星と認めているほとんどの天体のうち冥王星とハウメア、マケマケが存在する。太陽系内にある衛星のいくつか、例えば海王星の衛星トリトンや土星の衛星フェーベは、カイパーベルトが起源である可能性がある。
エッジワース・カイパーベルトという名称は、オランダおよびアメリカ合衆国の天文学者ジェラルド・カイパー、およびアイルランドの天文学者ケネス・エッジワースに由来する。しかしカイパー自身はこの領域の存在を厳密に予測していたわけではない。
エッジワース・カイパーベルト
1992年に冥王星(1930年発見)およびカロン(1978年発見)の発見以降初めてのカイパーベルト天体であるアルビオンが発見された。それ以降、カイパーベルト天体の発見個数は数千個にのぼり、直径が 100 km を超えるカイパーベルト天体は10万個以上存在すると予測されている。カイパーベルトは当初、軌道周期が200年未満の短周期彗星の主要な起源であると考えられた。1990年代中盤以降の研究では、カイパーベルトは力学的に安定であり、彗星の実際の起源は45億年前の海王星の外向き移動によって形成された、力学的に活発な (不安定な) 領域である散乱円盤であることが示されるようになった。エリスのような散乱円盤天体は非常に離心率が大きな軌道を持ち、太陽から 100 au ほど離れた遠方に到達する。
エッジワース・カイパーベルト
カイパーベルトは理論的に存在が予測されているオールトの雲とは異なる存在であり、オールトの雲はカイパーベルトの1000倍太陽から遠く、ほぼ球殻状に分布していると考えられている。カイパーベルト内の天体は、散乱円盤天体やオールトの雲、内部オールト雲の天体と合わせ、太陽系外縁天体 (英: trans-Neptunian objects, TNOs) と総称される。冥王星はカイパーベルトの中で最も大きく重い天体であり、太陽系外縁天体の中でこれより重いのは散乱円盤天体であるエリスのみである。冥王星は元々は惑星とみなされていたが、2006年に国際天文学連合による惑星の定義が行われた結果準惑星へと再分類され、カイパーベルトの一員とみなされるようになった。冥王星はカイパーベルト内の他の天体と組成的に類似しており、周辺の多数の天体と共にその軌道周期が海王星との2:3の軌道共鳴を起こしているという特徴を持つ。これらの天体は冥王星族と呼ばれる。
カイパーベルトおよび海王星は、ヘリオポーズおよび太陽の重力的影響がその他の恒星からの影響と同程度になる50000 auから125000 au程度の範囲と共に、太陽系の範囲を規定する際の基準のひとつとして扱われる場合がある。
エッジワース・カイパーベルト 歴史
1930年に冥王星が発見されて以降、多くの人が冥王星は孤独な存在ではないだろうと予測した。現在ではエッジワース・カイパーベルトと呼ばれているこの領域の存在については、数十年にわたって様々な形の仮説が提唱されてきた。その存在の初めての直接的な証拠が発見されたのは1992年になってからであった。カイパーベルトの性質についてそれまで提唱されてきた仮説は数多く多様なものであったため、誰が最初の提唱者であるかについて不確実な状態が続くこととなった(p106)。
太陽系外縁天体の存在を初めて示唆した天文学者は Frederick C. Leonardであった。1930年にクライド・トンボーによって冥王星が発見された後、Leonard は冥王星は海王星を超えた距離にある一連の天体のうち最初に存在が明るみに出たものであり、その他の天体はまだ発見されていないがいずれ検出される運命にあるのではないか、という問題提起を行った。天文学者のアーミン・ロイシュナーは同年、冥王星は「まだ発見されていない多数の長周期の惑星天体の一つである可能性がある」と示唆した。
エッジワース・カイパーベルト 歴史
1943年、ケネス・エッジワースは学術誌の『Journal of the British Astronomical Association』において、海王星よりも遠方では原始太陽系星雲にあった物質は間隔が広すぎるため惑星へと集積することができず、むしろ無数の小天体として存在しているという仮説を提唱した。エッジワースはこの仮説を元に、太陽系の惑星の軌道より遠方にある外縁領域は、非常に多数の同程度のサイズを持つ小さな天体で占められていると結論付け(pxii)、時々それらの天体の一つが自身のいる領域から離れて太陽系の内部へと一時的に訪れるようになり、それが彗星になると考えた(p2)。
1951年、ジェラルド・カイパーは論文誌の『Astrophysics: A Topical Symposium』において、太陽系の進化の初期段階において同様の小天体による円盤が形成されたと推測した。しかしカイパーはそのような帯状の天体の集まりが現在も太陽系に存在しているとは考えなかった。カイパーは、その当時は一般的な認識であった「冥王星は地球サイズである」という仮定に基づき、これらの天体は冥王星によりオールトの雲や太陽系の外に散乱されてしまったと考えた。もしカイパーの仮説が正しかった場合、現在ではカイパーベルトは存在していないことになる。
エッジワース・カイパーベルト 歴史
この仮説はその後の数十年で様々な形をとった。1962年、物理学者のアルステア・キャメロンは太陽系のはずれには大量の小さい物質が存在するとの仮説を提唱した(p14)。1964年には彗星の構造について有名な「汚れた雪玉」仮説を広めたフレッド・ホイップルが、「彗星ベルト」は惑星Xの探査を引き起こす原因となった天王星の軌道のずれを説明できるほどに重いか、あるいは少なくとも既知の彗星の軌道に影響を及ぼす程度には重い可能性があると考えた。この仮説は観測により否定された(p14)。
1977年にチャールズ・トーマス・コワルが土星と天王星の軌道の間の軌道を持つ氷小惑星であるキロンを発見した。彼はクライド・トンボーがおよそ50年前に冥王星を発見するのに用いたものと同じ機器である、ブリンクコンパレータを用いた。1992年には似た軌道にある天体であるフォルスが発見された。現在では、ケンタウルス族と呼ばれる彗星に似た天体の集団が、木星と海王星の軌道の間の領域に存在することが知られている。ケンタウルス族の軌道は不安定であり、力学的な寿命は数百万年である。そのため1977年にキロンが発見された時から、天文学者は何らかの外側の領域から頻繁に天体が供給されているはずだと推測していた(p38)。
エッジワース・カイパーベルト 歴史
カイパーベルトの存在に関するさらなる証拠は、彗星の研究から明らかになった。彗星の寿命は有限であることが以前から知られていた。彗星が太陽に接近するにつれ、太陽の熱により表面の揮発性物質が宇宙空間へと昇華していき、徐々に消散していく。したがって彗星が太陽系の年齢の間にわたって見え続けるためには、どこかから頻繁に供給されていなければならない。そのような供給源の一つとして提唱されたのがおそらく太陽から 50000au 以遠に広がる球状の彗星の集まりであるオールトの雲であり、これは1950年にヤン・オールトによって初めて提唱されたものである。オールトの雲は、例えばヘール・ボップ彗星のような軌道周期が数千年に及ぶような長周期彗星の起源となる領域であると考えられている(p105)。
エッジワース・カイパーベルト 歴史
彗星には長周期彗星の他に、短周期彗星もしくは周期彗星として知られる、軌道周期が200年未満のグループも存在する。ハレー彗星などがその一例である。1970年代までに、短周期彗星が発見される頻度はこれらがオールトの雲のみに起源を持つと考えた場合とはますます矛盾するようになっていった(p39)。オールトの雲の天体が短周期彗星になるためには、まず最初に巨大惑星に捕獲される必要があると考えられる。1980年に『王立天文学会月報』に発表された論文において、ウルグアイの天文学者 Julio Ángel Fernández は、1つの短周期彗星がオールトの雲から太陽系の内部領域にまで送り込まれるためには、600個の天体が星間空間に放出される必要があると述べた。彼は観測された彗星の個数を説明するためには、太陽から 35 から 50 au の範囲に彗星ベルトが存在している必要があると推測した。Fernández による研究を元にして、1988年に Martin Duncan、Tom Quinn と Scott Tremaine によるカナダの研究チームは、観測された全ての彗星がオールトの雲に起源を持つかどうかを調べるための多数のコンピュータシミュレーションを行った。その結果、オールトの雲は全ての短周期彗星の供給源にはなり得ないことを発見した。特に、短周期彗星の軌道は太陽系の惑星が存在する平面に集中しているのに対し、オールトの雲に起源を持つ彗星は空のあらゆる方向から飛来する傾向がある。Fernández が述べたように彗星の「ベルト」の存在を仮定した場合、シミュレーションの結果は短周期彗星の観測と一致した。Fernández の論文の冒頭部分には "Kuiper" と "comet belt" という単語が登場したため、Tremaine はこの仮説上の領域を "Kuiper belt" (カイパーベルト) と名付けたとされている(p191)。
エッジワース・カイパーベルト 歴史
1987年、当時マサチューセッツ工科大学にいた天文学者のデビッド・C・ジューイットは、外部太陽系が一見何もないように見えることにますます困惑していた。ジューイットは当時大学院生であったジェーン・ルーに、冥王星軌道以遠にある天体を探す努力をするように勧めた。これは、ジューイットがルーに述べたように、「我々がやらなければ、誰もやらないだろう」と考えたからであった(p50)。アリゾナ州のキットピーク国立天文台とチリのセロ・トロロ汎米天文台にある望遠鏡を用いて、ジューイットとルーはクライド・トンボーとチャールズ・コワルが行っていたのとほぼ同じ方法で、ブリンクコンパレーターを用いて天体の探索を行った(p50)。探索を始めた初期は1組の写真乾板の調査を行うのにおよそ8時間を要していたが(p51)、CCDイメージセンサが用いられるようになってからはこの作業は高速化された。彼らの観測していた範囲は狭いものであったにもかかわらず、CCD を用いた場合は光を集める効率が良いだけではなく (写真の場合は到達した光の 10% しか捉えられないが、CCD の場合は 90% にもなる)、2枚の写真を比較するプロセスをコンピュータの画面で行うことが可能となった。現在では、CCD は天文学で用いられる大部分の検出器において基礎的なものである(p52,54,56)。1988年にジューイットはハワイ大学に異動した。ルーは後にハワイ大学のジューイットの元に合流し、マウナ・ケア山にあるハワイ大学の 2.24 メートル望遠鏡を用いた研究を行った(p57,62)。CCD の視野は最終的には 1024×1024 ピクセルに増え、探査をより速く行えるようになった(p65)。5年間の探査の末、ついにジューイットとルーは1992年8月30日にカイパーベルトの候補天体である 1992 QB1 の発見を公表した。6ヶ月後には、彼らは同じ領域にある2番目の天体 (181708) 1993 FW を発見した。2018年までに、2000個を超えるカイパーベルト天体が発見されている。
エッジワース・カイパーベルト 歴史
1992 QB1 (アルビオン) が発見されて以降、1992年から2012年の20年間で1000個を超える天体が帯状の領域に発見された。このことは、冥王星とアルビオンだけではない多数の天体の大きな帯状の分布が存在することを示している。2010年代まではカイパーベルトの全ての広がりと性質はほとんど分かっていなかった。2010年代後半になってようやく無人探査機ニュー・ホライズンズによる2つの太陽系外縁天体への接近観測が行われ、冥王星系やその他の外縁天体の非常に近距離での観測結果が得られた。
エッジワース・カイパーベルト 歴史
海王星以遠の領域における天体の存在が初めて判明した時点よりあとに行われた研究では、現在ではカイパーベルトと呼ばれている領域は短周期彗星の起源ではなく、代わりにカイパーベルトに関連した散乱円盤という天体の集団が起源であることが示されている。散乱円盤は海王星が外側に移動して、現在よりも太陽に近い距離にあった原始カイパーベルトに進入した際に形成されたと考えられる。この時に、軌道が影響を受けず力学的に安定な天体のグループ (厳密な意味でのカイパーベルト)、および近日点が依然として海王星に近く、海王星によって軌道が乱されうる天体のグループ (散乱円盤) が形成された。散乱円盤にある天体は力学的に活発で、カイパーベルトにある天体は力学的に比較的安定であるため、現在では散乱円盤が周期彗星の起源として最も可能性が高いと考えられている。
エッジワース・カイパーベルト 歴史
英語では単にカイパーベルトとだけ呼ばれる場合が多く、その場合は属する天体はカイパーベルト天体(英: Kuiper belt object)と呼ばれ、KBO と略される。しかし時折、エッジワースの功績を評価してエッジワース・カイパーベルトと呼ばれる場合もあり、この場合は属する天体はエッジワース・カイパーベルト天体(英: Edgeworth-Kuiper belt object)と呼ばれ、EKO もしくは EKBO と略される。天文学者のブライアン・マースデンは「エッジワースもカイパーも今我々が見ているような遠方について記述したことは無いが、フレッド・ホイップルは行った」と述べ、エッジワースとカイパーのどちらも真の功績にはふさわしくないと主張した(p199)。またデビッド・C・ジューイットは、「どちらかと言えば…カイパーベルトを予測した功績に最も近いのは Fernández である」と述べている。
先述の通り、カイパーは太陽系の形成初期段階には遠方に帯状の小天体の分布が存在したという予測は行ったが、現在の太陽系におけるカイパーベルトの存在を予測したわけではない。現在では、カイパー以外の様々な天文学者によってこの小天体グループの存在が予測されていたことが認識されている。またエッジワースもこの領域の存在を初めて予言したわけではなく、最も早い言及は Leonard によるものとされる。
カイパーベルト天体は、クライド・トンボーが提案した名称である "kuiperoids" と呼ばれる場合もある。また、いくつかの科学者グループではこの領域にある天体に対する呼称として、カイパーの名を含まない "trans-Neptunian object (TNO)" (日本語では太陽系外縁天体が相当する) を推奨している。これは、TNO という呼称の方が他の全ての用語よりも論争が少ないためである。しかし TNO は海王星の軌道より遠方を公転する全ての天体を含む呼称であるが、カイパーベルトはそうではないため、厳密な類義語ではない。
日本語ではエッジワースの名も含めた「エッジワース・カイパーベルト」と呼ばれる場合が多いが、単に「カイパーベルト」とだけ呼ばれる場合もある。
エッジワース・カイパーベルト 構造
エッジワース・カイパーベルトは、周辺の領域を含んだ場合 (ただし散乱円盤は除く)、太陽からおおむね 30 au から 55 au の範囲にまで広がっている。ベルトの主要領域は、39.5 au の海王星との 2:3 平均運動共鳴の位置から、およそ 48 au の 1:2 共鳴の範囲であると広く受け入れられている。カイパーベルトは非常に分厚い分布を持っており、主要な天体は黄道面から10度程度の広がりを持ち、さらに数倍の広がりを持つまばらな分布も見られる。全体的な構造としては、帯状というよりもトーラスやドーナツ形状により似ている。平均的な軌道は黄道から1.86度傾いている。
海王星の存在は、軌道共鳴を介してカイパーベルトの構造に大規模な影響を及ぼす。太陽系の年齢に匹敵する時間スケールで、海王星の重力はある特定の領域にある天体の軌道を不安定化し、それらを太陽系の内側領域へ送り込むか、あるいは散乱円盤や太陽系の外側の星間空間に追いやったりする。そのためカイパーベルトには、小惑星帯のカークウッドの空隙に似た明確な空隙が生じる。例えば 40 - 42 au の領域では太陽系の年齢にわたって安定な軌道を取り続けられる天体は存在せず、その範囲内に観測されるあらゆる天体は比較的最近になってその領域に移動してきた天体である。
エッジワース・カイパーベルト 構造
およそ 42-48 au の海王星との 2:3 共鳴と 1:2 共鳴の間の領域では、海王星との重力相互作用を起こす時間スケールは非常に長く、この領域内の天体の軌道は本質的には変化させられずに存在し続けることができる。この領域は「古典的カイパーベルト」として知られており、観測されているカイパーベルト天体のうちおよそ3分の2を占める。ここに属する天体で最初に発見されたものはアルビオンであるが、長い間にわたって仮符号 の 1992 QB1 と呼ばれていた。そのため、古典的カイパーベルト天体はしばしば "QB1" から取られた「キュビワノ族」と呼ばれることがある。国際天文学連合 (IAU) によって確立されたガイドラインでは、古典的カイパーベルトに属する天体に対する命名は、創造に関連した神話上の存在から与えることとしている。
エッジワース・カイパーベルト 構造
古典的カイパーベルトは2つの異なるグループから構成されていると考えられる。1つ目は「力学的に冷たい」(dynamically cold) グループとして知られており、それらの軌道はより惑星のものと似ている。つまりほぼ円軌道で軌道離心率は0.1よりも小さく、最大でも10度と小さい軌道傾斜角を持つ。冷たいグループは「カーネル」(kernel) と呼ばれる天体の密集領域を含み、この領域は軌道長半径が 44–44.5 au の範囲に存在している。2つ目は「力学的に熱い」(dynamically hot) グループであり、軌道は黄道面から最大で30度と大きく傾いている。これら2つの「力学的に冷たい/熱い」という用語は温度の違いを表しているわけではなく、高温になると相対速度が上昇する気体中の粒子に対する比喩として名付けられたものである。
エッジワース・カイパーベルト 構造
2つのグループは軌道の分布が異なるだけではなく、冷たい集団はより赤く明るい傾向にあるなど色とアルベドに違いが見られ、また連星になっている天体が多い、サイズ分布が異なる、非常に大きい天体が欠乏しているなどの違いも見られる。力学的に冷たいグループの天体の総質量は、熱い天体の質量のおよそ30分の1である。色の違いは組成の違いを反映していると考えられ、2つのグループは異なる領域で形成されたことを示唆する。力学的に熱いグループは海王星のかつての軌道の近くで形成され、巨大惑星の軌道移動の最中に散乱された天体群であるという説が提唱されている。一方で力学的に冷たいグループは、多かれ少なかれ現在の位置で形成されたと考えられている。これは、冷たいグループに見られる重力的に緩く結びついた連星は、海王星と遭遇した際に連星が破壊され生き延びることが出来ないだろうと考えられるからである。太陽系形成の有力な仮説であるニースモデルはグループ間の組成の違いを少なくとも部分的には説明できるように思われるが、色の違いは天体表面の進化の違いを反映している可能性があるとも示唆されている。
エッジワース・カイパーベルト 構造
天体の軌道周期が海王星の軌道周期と正確な整数比になっている場合 (平均運動共鳴と呼ばれる状態)、天体は海王星と同期した運動に固定され、海王星との相対的な位置が適切である場合は軌道が乱されない状態となる。例えば、海王星が太陽を3周する間に太陽を2周するある天体があり、その天体が近日点に近づいたとき海王星がその天体から軌道の4分の1離れた位置にあった場合、その天体が近日点に戻ってきた時には海王星は必ず天体から軌道の4分の1離れた位置にいることになる。これは 2:3 共鳴として知られており、海王星との共鳴の場合はこれが起きる天体の軌道長半径はおよそ 39.4 au である。この共鳴に入っている天体は冥王星やその衛星を含め200個程度が知られている。このグループに属している天体は冥王星族と呼ばれる。冥王星を含む冥王星族の天体の多くは海王星と交差する軌道を持つが、この軌道共鳴のため決して海王星と近接することはない。冥王星族の天体は軌道離心率が大きく、このことは冥王星族の天体は元から現在の軌道に存在していたのではなく、軌道移動を起こす海王星によって偶然に現在の軌道まで運ばれたものであることを示唆している。IAU のガイドラインでは、冥王星と同様に全ての冥王星族の天体は冥界の神から命名されることとしている。
エッジワース・カイパーベルト 構造
海王星との 1:2 共鳴、すなわち海王星が一周する間に太陽の周りを半周する天体は、軌道長半径がおよそ 47.7 au にあり、2:3 共鳴にある天体と比較すると分布はまばらである。この共鳴に入っている天体はトゥーティノ族と呼ばれる場合がある。その他の共鳴天体としては、3:4、3:5、4:7、2:5 共鳴に入っているものがある(p104)。海王星はそのラグランジュ点のうち軌道に先行した位置と後行する位置の重力的に安定な領域に、多くのトロヤ群天体を持つ。これらの天体は海王星と 1:1 の平均運動共鳴を起こしており、しばしば非常に安定な軌道を持つ。
また、軌道長半径が 39 au 未満の天体は数が比較的少ないが、これは現在の共鳴では明らかに説明ができない。この原因として現在受け入れられている仮説は、海王星が外側へ移動するにつれて不安定な軌道共鳴がこの領域を徐々に通過したため、この領域にある天体は共鳴によって掃き出されたか、もしくは重力的に弾き出されたかしたというものである(p107)。
海王星との 1:2 共鳴の位置 (トゥーティノ族が分布する軌道長半径) である 47.8 au 以遠では天体がほとんど分布しておらず、カイパーベルトの分布の縁になっているように見える。これがカイパーベルトの実際の外縁に相当するのか、あるいは広い空隙の始まりであるのかははっきりとは分かっていない。およそ 55 au の、古典的なカイパーベルトよりずっと外側の 2:5 共鳴の位置に天体が発見されている。これらの共鳴の間の古典的な軌道に多数の天体が存在するという予測は、観測では検証されていない。
天王星と海王星を形成するのに必要な初期質量の推定、および冥王星と同程度の天体を形成するのに必要な初期質量の推定に基づき、カイパーベルトの初期のモデルでは 50 au 以遠では大きな天体の数は2倍程度に増えることが示唆されていた。そのため、50au問題（英語圏ではKuiper cliffとも）として知られる天体個数の急激な減少は予想されていなかったものであり、この原因は今のところ不明である。2003年に Bernstein らによって、50 au 以遠での直径 100 km 以上の天体の急激な減少は観測バイアスではなく実際の分布であるという証拠が発見された。考えられる可能性としては、その距離にある物質は非常に少ないか、あるいは散乱されすぎたせいで大きな天体として集積していない、またはその後の進化過程でこの領域から取り除かれたか破壊されたというシナリオがある。神戸大学のパトリック・リカフィカは、未発見の大きな惑星、おそらくは地球か火星サイズの天体が、その原因となっている可能性があると主張した。
エッジワース・カイパーベルト 起源
エッジワース・カイパーベルトとその複雑な構造の詳細な起源は未だに分かっておらず、天文学者はパンスターズや将来的な大型シノプティック・サーベイ望遠鏡などによる広視野のサーベイ望遠鏡での観測によって、現在は未発見のカイパーベルト天体の存在が明らかにされることを望んでいる。これらのサーベイによって、カイパーベルトの起源などの疑問の解決を助けるデータが提供されることが期待される。
カイパーベルトは、太陽の周囲に存在した原始惑星系円盤の中で完全に惑星へと集積することが出来ず、代わりに小天体を形成することになった破片である微惑星からなると考えられており、最も大きい天体は直径が 3000 km 未満である。冥王星とカロンのクレーター個数の研究からは小さいクレーターが欠乏していることが明らかになっており、カイパーベルトの天体はずっと小さい 1 km サイズの天体が集積して形成されたのではなく、直径が数十 km の範囲の大きな天体として直接形成されたことが示唆されている。このような大きな天体を形成するメカニズムとして、乱流がある原始惑星系円盤内に形成された渦の間に濃集した小石サイズの粒子 (ペブル) の雲の重力収縮や、ストリーミング不安定性などが提唱されている。これらの収縮する雲は途中で分裂する場合があり、この場合連星を形成する。
エッジワース・カイパーベルト 起源
ニースモデルなどの近年のコンピュータシミュレーションでは、カイパーベルトは木星と海王星の強い影響を受けたことが示されており、また天王星と海王星はどちらも現在の軌道で形成されていないことも示唆されている。これは現在の両惑星の軌道では大きな天体を形成できるような大量の物質は存在しなかったと考えられるためである。その代わりに、これらの惑星は木星に近い位置で形成されたと推定されている。太陽系の初期に巨大惑星が微惑星を散乱することにより、巨大惑星の移動が引き起こされた。土星、天王星、海王星は外側へ移動する一方で、木星は内側へ移動した。その後、木星と土星が 1:2 の軌道共鳴を起こす位置に達し、土星が太陽の周りを一周する間に木星が二周する状態となる。このような共鳴の重力的な影響は最終的に天王星と海王星の軌道を不安定化し、これらの軌道を原始微惑星円盤と交差する離心率の大きな軌道へと散乱した。散乱された直後の海王星の軌道は非常に離心率が大きいものであり、海王星との平均運動共鳴を起こす領域は複数の共鳴が重なり、結果として微惑星の軌道はカオス的に進化した。微惑星が海王星との 1:2 共鳴の位置まで外側へと移動することにより、軌道傾斜角の小さい、力学的に冷たい天体のグループが形成されたと考えられる。海王星の軌道離心率が減衰した後、海王星の軌道は現在の位置へと向かって外側へ拡大した。この惑星移動の過程で多くの微惑星が共鳴に捕獲されて現在まで共鳴天体として残り、その他の天体は傾斜角が大きく離心率が小さい軌道へ進化し、共鳴を逃れて安定な軌道となった。大量の微惑星が内側の軌道へと散乱され、それらの一部は木星のトロヤ群天体となり、巨大惑星を公転する不規則衛星となり、外部の小惑星となった。残ったものは再び木星によって散乱され、大部分は太陽系から弾き出され、カイパーベルトの天体は初期の個数から 99% 以上が失われたと考えられる。