エッジワース・カイパーベルト
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。
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、Hills cloud (もしくは内オールトの雲) 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。
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。
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。
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。
これは、緩く結びついた連星は天体衝突の際に破壊される可能性があるためである。大きな天体は、より小さい微惑星の衝突合体からではなく、ペブルの雲の崩壊によって直接形成される可能性もある。
カイパーベルト天体のサイズ分布は、いくつかの冪乗則に従う。冪乗則は、直径が D よりも大きい天体の個数 (累積個数) である N(D) と D の関係を記述し、これは天体の明るさの傾きとみなされる。天体の累積個数は、天体の直径 D の何乗かに反比例する。
d N d D ∝ D − q . {\displaystyle {\frac {dN}{dD}}\propto D^{-q}.}
ここで q は 1 ではないと仮定すると、積分して N ∝ D 1 − q + const. {\displaystyle N\propto D^{1-q}+{\text{const.}}} が得られる。積分定数は、天体の直径が大きい時に冪乗則が適用できない場合にのみゼロでない数になる場合がある。
カイパーベルト天体の見かけの等級の分布の測定に基づいた初期の推定では、q = 4 ± 0.5 という値が得られていた。これは、直径が 200–300 km の範囲にある天体の個数と比べると、100–200 km の範囲にある天体の個数は8倍であることを意味する。
現在最もポピュラーな太陽系形成モデルであるニースモデルの原型では、「冷たい」グループや「熱い」グループ、共鳴天体、散乱円盤天体などのカイパーベルトの多くの特徴を再現することが出来たが、これらの分布の特徴の一部は依然として説明できていない。ニースモデルでは古典的カイパーベルト天体の平均離心率を 0.10–0.13 と予測しているのに対し、観測値は 0.07 と小さい値となっている。またモデルで予測される軌道傾斜角の分布は、観測と比べて傾斜角が大きい天体が非常に少ないという食い違いもある。また力学的に冷たいグループで多く見られる、距離が離れており重力的に緩く結びついている連星天体の存在頻度もモデルでは説明できていない。モデルではこれらの緩い連星は海王星との遭遇の際に分離してしまうと予測される。そのため、冷たいグループは現在の位置で形成されており、太陽系内の小天体のグループの中で本当の意味での唯一の局所的なグループ (軌道移動を経験していない天体群) であるとする意見もある。
ニースモデルの改良版 (Five-planet Nice model) では、太陽系は平均運動共鳴鎖で繋がった巨大氷惑星をもう一つ持つ、5つの巨大惑星を持つ系として誕生したという説が提唱されている。このモデルでは、太陽系形成から4億年後に軌道共鳴鎖が破壊される。氷惑星は外側の微惑星円盤へと散乱されるのではなく、まず外側へ数 au 移動する。この収束的な惑星移動によりその後共鳴交差が発生し、惑星の軌道は不安定化される。
散乱円盤は天体がまばらに分布する領域であり、カイパーベルトと重複があるが 100 au 以遠にまで広がっている。散乱円盤に属する天体は散乱円盤天体 (英: scattered disk object, SDO) と呼ばれる。散乱円盤天体は非常に細長い楕円軌道を持ち、その軌道はしばしば黄道から大きく傾いている。太陽系形成の多くの理論モデルでは、かつてはカイパーベルト天体も散乱円盤天体も一つの始原的な帯状の領域を形成しており、後の重力的な影響、特に海王星の重力の影響により外側へ移動させられ、あるものは安定な軌道に移行し (カイパーベルト天体)、あるものは不安定な軌道の散乱円盤へと移行したことが示されている。散乱円盤にある天体の軌道は不安定であるため、太陽系の短周期彗星の多くはこの領域に起源を持つのではないかと考えられている。散乱円盤天体の活動的な軌道はしばしば内部太陽系へ進入する軌道となり、まずはケンタウルス族天体へと変化し、その後短周期彗星の軌道へと移行する。
太陽系外縁天体を公式に分類している組織である小惑星センターによると、カイパーベルト天体は、厳密にはその起源や組成には関係なく定義されたカイパーベルトの領域内のみを公転するものを指す。
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。
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。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。
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。