2014年1月20日，对于罗塞塔号太空探测器的工作人员来说，要么是非常好的一天，要么是非常糟糕的一天。这艘3000公斤重的机器人航天器是欧洲航天局在近10年前发射的，正前往在8月与一颗名为67P/丘留莫夫-格拉西缅科（简称67P）的默默无闻的彗星相遇。如果一切按计划进行，罗塞塔号将完成一项前所未有的壮举：它将进入彗星周围的紧密轨道，部署一个名为菲莱的着陆器在其表面着陆，并在这颗冰冻天体在太阳热量的作用下开始活跃时对其进行跟踪。
但要实现这一切，罗塞塔号首先必须醒来。它在两年多前被置于节能的休眠状态。在1月20日中部欧洲时间上午11点，它的内部闹钟被设定为响起。在德国达姆施塔特的欧洲空间行动中心控制室等待的科学家和工程师们确信，探测器会按计划报告。但他们也想到了1993年与无线电失去联系，踪迹全无的火星观察者号探测器。有几分钟，似乎又要重蹈覆辙了。
“我看到房间里很多人脸色苍白，”德国哥廷根马克斯·普朗克太阳系研究所的霍尔格·西尔克斯回忆道，他负责航天器的光学和红外相机。感觉就像过了一个世纪，尽管实际上更像是15分钟——但最终，一个电子信号从木星之外传到了达姆施塔特。“它说，‘我又回来了，’”西尔克斯说，“这真是如释重负。”
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在随后的几周里，情况变得明朗起来，罗塞塔号不仅醒来了，而且功能齐全，准备回答关于彗星的结构、组成、行为和起源的关键问题——彗星是自太阳系在大约46亿年前形成以来基本保持不变的冰冷天体。本月晚些时候，罗塞塔号将释放其着陆器，着陆器将钻入彗星表面以下，挖掘太阳系的历史。
罗塞塔号并非孤身在外。在2015年7月，经过九年的旅程后，美国宇航局的新视野号探测器将完成另一项壮举：近距离飞掠冥王星及其五颗已知的卫星。“航天器状态非常好，”科罗拉多州博尔德市西南研究所办公室的首席研究员艾伦·斯特恩报告说。尽管这两个任务是独立的，但它们并非无关。天文学家现在了解到，冥王星和67P是柯伊伯带的成员，柯伊伯带是海王星之外数十亿个天体组成的广阔、基本上未知的星群，大小从几米到2000多公里不等。
这些相遇将为过去二十年的一系列发现画上句号，正如斯特恩所说，“彻底颠覆并完全改写了我们对太阳系结构的认知。”事实上，就在20多年前，没有人知道柯伊伯带的存在。从那时起，行星科学家们发现了一些接近甚至媲美冥王星大小的冰冻世界。他们看到了证据，指向很久以前木星、土星、天王星和海王星的轨道发生了剧烈的重新排列——甚至可能存在一颗失踪的第五颗巨行星。他们分析了大约1500个已知的柯伊伯带天体（KBO）的大小和轨道，以了解柯伊伯带本身是如何形成的——想知道来自新生柯伊伯带的撞击冰是否曾经给年轻干燥的地球带来了海洋。
每一项观测都为我们提供了了解柯伊伯带起源和演化的狭窄窗口。然而，就像盲人摸象的寓言故事一样，它们开始描绘出更全面的柯伊伯带结构、组成和演化图景。随着两艘航天器即将首次近距离接触两个截然不同的KBO，这幅图景即将变得更加清晰。
再次发现
当一位名叫克莱德·汤博的年轻天文学家在1930年发现海王星以外的一个新天体时，他和天文学界其他人士都毫不怀疑他已经找到了“X行星”，即长期以来被怀疑存在的太阳系第九大行星。最初，这个新天体——在一位名叫威妮夏·伯尼的11岁英国女学生的建议下被命名为冥王星——被计算出质量与地球相似。然而，到了20世纪70年代，人们清楚地认识到，冥王星比地球的卫星月球更小，质量也小得多。汤博实际上发现的是柯伊伯带中最亮的天体。
然而，直到20世纪80年代，才有人意识到柯伊伯带的存在。这其中也包括荷兰裔美国天文学家杰拉德·柯伊伯，柯伊伯带的名字就是以他命名的。在20世纪50年代，柯伊伯提出，海王星以外的区域可能曾经充满了冰冷的天体。但他认为，“巨大的”冥王星的引力会把它们驱散到深空中。他写道，太阳系的那个部分应该是基本空旷的。“这实际上是一个反预测，”加州大学洛杉矶分校的天文学家戴维·C·朱伊特说，他是外太阳系观测的先驱。
大约在同一时间，柯伊伯的同胞扬·奥尔特假设，那些广泛分散的天体本应形成一个球状的原彗星云，围绕太阳运行，最远可达一光年。他认为，偶尔其中一颗会被撞松，落入内太阳系，在那里它会像彗星一样爆发活力。这种情况巧妙地解释了长周期彗星的存在，这些彗星从四面八方涌入，其轨道路径至少需要200年才能完成。
但这并没有解释短周期彗星，短周期彗星倾向于沿着行星所在的相对平坦的平面飞入。奥尔特认为，这些只是长周期彗星，由于与巨行星的近距离接触而被转移到较短的轨道上，没有人有更好的想法。（或者几乎没有人：早在20世纪40年代，爱尔兰天文学家肯尼斯·埃奇沃思就提出，短周期彗星来自一群小天体，它们的家离太阳更近。但他只是以一种笼统的方式，并且只是顺便提了一下。“如果你认为这算作预测，那好吧，”加州理工学院的天文学家迈克尔·E·布朗说，他在2005年发现了冥王星大小的KBO阋神星，最终在第二年将冥王星降级为“矮行星”。布朗显然不认为这算数，而且无论如何，当时没有人注意到埃奇沃思的想法。）
大多数行星科学家现在都认为，对柯伊伯带存在性的第一个合理预测来自乌拉圭天文学家胡里奥·费尔南德斯。他在1980年发表的论文《关于海王星之外彗星带的存在》中提出了与埃奇沃思相同的论点，但细节更加严谨。1988年，当时在多伦多大学的斯科特·特雷梅因与他的同事马丁·邓肯和托马斯·奎因一起证明，费尔南德斯预测的天体群实际上可以解释短周期彗星的频率和轨迹。他们是第一个使用“柯伊伯带”这个术语的人，尽管特雷梅因现在在新泽西州普林斯顿高级研究所说，“这可能是一个错误的术语。费尔南德斯才是我们真正应该用他的名字命名它的人。”
当特雷梅因、邓肯和奎因在为柯伊伯带奠定理论基础时，朱伊特和当时他在麻省理工学院的学生简·X·卢开始寻找确凿的证据。他们的搜索并非受到预测的驱动：朱伊特和卢不知道费尔南德斯的论文，他们于1986年开始搜索，比特雷梅因和他的同事发表研究结果早了两年。“鼓励我们并激励我们的，”朱伊特说，“是这个简单的想法，外太阳系如此空旷真是太奇怪了。”
当然，它并不空旷。1992年8月，朱伊特和卢使用夏威夷莫纳克亚死火山顶峰的2.2米望远镜，发现了第一个KBO，即1992 QB1，这是他们所谓的慢速移动天体调查的一部分。大约六个月后，他们发现了第二个KBO，尽管朱伊特和卢几乎是当时唯一进行搜索的人，“天文学界很快就意识到这一点，”朱伊特说。天文学家现在已经识别出大约1500个KBO；根据这些数字，他们估计柯伊伯带是10万个直径超过100公里的天体和多达100亿个直径超过2公里的天体的家园。“对于主小行星带中的每一个小行星，”朱伊特说，“柯伊伯带中就有1000个天体。这对我来说太惊人了。”
然而，许多天文学家更震惊于柯伊伯带中不存在的东西。根据他们关于行星形成的最好模型，柯伊伯带应该拥有像地球甚至更大的天体。然而，尽管冥王星身边已经聚集了一些大小与之匹敌的天体——如鸟神星、妊神星、创神星和阋神星等世界——但至今还没有发现任何接近行星大小的天体。“那里有大量的天体，”朱伊特说，“但总的来说，它们的总质量只有地球质量的十分之一。这真的有点微不足道。”
在太阳系早期历史上，一定发生了某种事情，扼杀了柯伊伯带中最大的成员。多年来，行星天文学家一直在争论这可能是什么。有了罗塞塔号和新视野号，他们最终应该开始得到一些答案。
喷射模型
在柯伊伯带被发现时，物理学家已经确定了太阳系是如何形成的。它始于一个巨大的星际气体和尘埃云，这个云坍缩形成一个旋转的圆盘。在其核心，引力将圆盘拉成一个物质结，这个结非常稠密和炽热，以至于爆发了热核火焰，从而形成了太阳。
太阳的热量和辐射将大部分气体和一些尘埃向外驱散；在更近的地方，尘埃凝结成鹅卵石，然后是巨石，然后是小行星大小的天体，称为星子。最后，在行星形成的最后阶段，数以百计的火星大小的天体会在周围飞行，撞碎，再次撞到一起，最终形成我们今天看到的八大行星——不仅是岩石质的内行星，还有木星、土星、天王星和海王星，它们基本上是岩石块，具有足够的引力来吸走大量周围的气体。
在海王星之外，“尘埃”主要应该是冰粒子，这些粒子应该通过类似的过程形成行星大小的天体。这个情景有两个问题。一是天文学家根本没有看到这些行星大小的天体（尽管布朗说，据我们所知，遥远的奥尔特云中可能有一些像火星一样大的天体，用当前的技术无法探测到它们）。
另一个问题是，柯伊伯带中没有足够的物质来解释任何尺寸的天体的存在。如果所有现有KBO中的所有物质都以原始冰尘云的形式开始存在，那么这个云就会过于分散，永远无法形成任何东西。
因此，柯伊伯带的存在似乎与理论家认为它必须形成的方式不一致。“普遍的解决方案，”朱伊特说，“是最初柯伊伯带中有更多的物质——相当于地球质量的30、40甚至50倍。”这些物质确实形成了一个巨大的天体群，但这个集合不知何故被削减了。
亚利桑那大学的物理学家雷努·马尔霍特拉首次提出的最合理的“不知何故”的机制是，太阳系的四颗巨行星——木星、土星、天王星和海王星——曾经比现在拥挤得多。
马尔霍特拉和她的几位同事认为，这些紧密聚集的行星与原始的KBO群体之间的引力相互作用将土星、天王星和海王星向外推。与此同时，木星与KBO和小行星相互作用，向内移动。
这些引力碰撞不仅会打乱行星的轨道，还会将许多KBO抛向太阳引力影响的边缘，形成遥远的奥尔特云，并将许多小行星抛向内太阳系。此外，在它们的迁移过程中，木星和土星会在一段时间内发现它们自己彼此共振，这种情况是土星每绕太阳系运行一周，木星就正好绕太阳系运行两周。
由于两颗行星如此精确地排列在一起而产生的额外引力冲击，KBO会被如此剧烈地散射，以至于超过99%的KBO会被扫除。一些会最终进入奥尔特云。另一些会撞击内行星，引发一场被称为后期重轰炸的灾难。“太阳系将遭受野蛮的打击，”朱伊特说。
至少有一位物理学家，西南研究所的戴维·内斯沃尼，将这个想法更进一步。他认为，太阳系可能曾经拥有一颗第五颗气态巨行星，这颗行星会在这次剧烈的重新排列中被喷射到星际空间。
如果巨行星的重新排列真的发生了，它就可以解释为什么柯伊伯带没有真正的大型天体：本来可以建造它们的天体物质被过早地扫走了。此外，形成的天体看起来很像星子——后来结合形成行星的小型原行星。从这个角度来看，柯伊伯带就像一张快照，冻结在时间里，记录了岩石质的内太阳系在行星形成过程开始后仅几百万年的样子。
“现有行星如何形成的最大不确定性，”麻省理工学院的行星科学家希尔克·施利廷说，“是星子的形成——它们是如何存在的，以及它们有多大。”这些信息早已从内太阳系中消失，但通过结合观测和模型，她和她的同事们已经证明，如果柯伊伯带天体来自的冰质星子通常直径约为一公里，那么就可以解释柯伊伯带天体的大小分布——这一见解也可能适用于内行星。“我们正在开始了解，”她说，“在数十年的推测之后，关于行星形成的初始条件。”
冥王星的特写
模型和遥感观测已经告诉行星科学家关于柯伊伯带的结构和可能历史的大量信息。然而，正如对所有行星和数十颗卫星和小行星的太空探测器所显示的那样，这不能取代近距离观测。“哈勃望远镜拍摄的冥王星照片很酷，”斯特恩说，“但它只有几个像素宽。”到明年6月，“冥王星将像一个真实的世界一样向我们冲来，”他补充道。
当新视野号在2006年1月发射时，冥王星仍然是一颗行星；它的降级为矮行星直到第二年夏天才到来。但无论你怎么称呼它，斯特恩和他的共同研究人员都将尽最大努力了解尽可能多的信息，因为探测器以接近每小时4万公里的速度冲向并飞掠冥王星及其卫星卡戎，距离其冰冻表面仅1万公里。
一个目标是计算几乎肯定会布满冥王星冰冷表面的陨石坑，不仅要记录它们的总数，还要记录给定大小的陨石坑的数量。这些信息将为天文学家提供一个独立衡量KBO本身大小的方法，KBO的大小与其在柯伊伯带中的丰度成正比，会撞击冥王星。
“但这甚至更好，”斯特恩说。随着时间的推移，冥王星的陨石坑会被创造其稀薄大气层的相同过程冲刷掉：矮行星在其细长轨道上运行时，表面会反复加热和冷却。然而，卡戎没有大气层，这意味着它的所有撞击都被保存下来了。“你可以比较这两者，”斯特恩说，“并找出撞击历史是如何变化的，今天的射弹的大小范围与古代柯伊伯带中的射弹的大小范围相比如何。”
新视野号还将寻找地下海洋的迹象。行星科学家已经发现了一些木星和土星卫星（木卫二、木卫三、土卫二和土卫六）厚厚的冰壳下隐藏着海洋。如果冥王星有冰间歇泉或火山，这是一个线索，表明其内部是温暖和潮湿的——可能是由于岩石核心的放射性衰变造成的。即使没有向外的热量迹象，探测器的红外相机也可以探测到表面上的热点。生命可能存在于冥王星内部的想法完全是推测性的——但由于液态水被认为是我们所知的生物学的必要成分，因此它的发现至少会使这种推测变得合理。
航天器将在短短五个月内完成所有这些以及更多的工作，最密集的考察将在飞掠矮行星所需的一天左右的时间内进行。但数据需要大约16个月才能一点一点地通过近50亿公里的距离传回地球。
与彗星共舞
罗塞塔号将花费几乎相同长的时间在67P表面上方轨道上运行。与高速掠过冥王星的新视野号相比，罗塞塔号将与其目标一起编队飞行15个月，使其能够回答关于67P精确化学成分和内部结构的所有类型的问题——这对于理解最初构成柯伊伯带的气体和尘埃的性质以及KBO是如何组装的非常有价值的线索。科学家们目前的理解在这个时候是非常初步的，以至于没有“确凿的证据”可以合理地证明一种理论并摧毁竞争对手。然而，罗塞塔号的发现可能有助于研究人员首次提出一个令人信服的理论。
这次旅程还将让罗塞塔号及其着陆器菲莱号在彗星随着越来越靠近太阳而苏醒时，获得第一排座位。“我们将与彗星并肩同行，直到2015年夏季，届时活动将达到顶峰，彗核每分钟将喷射出1000公斤的物质，”欧洲航天局的马特·泰勒说，他是整个任务的首席研究员。研究人员仍然不知道这些物质是来自彗星的整个表面，还是会从小热点喷射出来。一年后，这个问题将得到解答，帮助行星科学家了解彗星最终如何失去冰并燃尽。
罗塞塔号也应该能够解决关于我们自身的问题。特别是，地球上的水是从哪里来的？许多行星科学家认为，太阳系早期历史中的彗星风暴首先将水输送到地球。罗塞塔号将通过测量锁定在67P冰中的H2O是否与地球上的H2O化学性质相同来检验这一假设。已经有来自赫歇尔空间天文台的证据表明，至少有一些彗星携带的水与地球海洋中的水具有相同的氢与其较重同位素氘的比例。但罗塞塔号的仪器将对彗星的水和其他成分进行更近距离、更悠闲的观察，包括可能在生命起源中发挥作用的富碳有机化合物。
菲莱号和罗塞塔号还将协同工作，以解决彗星是仅仅是大型的脏冰块，还是一组较小的冰块在自身引力作用下相对松散地粘合在一起的问题。当罗塞塔号轨道飞行器在彗星的另一侧，远离菲莱号时，它将通过彗星的主体向下向菲莱号发射无线电信号，菲莱号将把信号反射回来。这类似于CT扫描，它将首次向科学家展示彗星的内部结构。
不幸的是，对于我们大多数人来说，67P永远不会肉眼可见。就像冥王星和绝大多数KBO一样，即使只是为了知道彗星的存在，你也需要人造放大。因此，毫不奇怪，天文学家直到最近才开始了解柯伊伯带的存在，并认识到它在太阳系的历史和结构中可能起到的关键作用。
到明年年底，由于两艘在近十年前开始它们的旅程的探测器，我们将获得无可比拟的更多了解。