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奥尔特云

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Oort cloud”的各地常用别名
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台湾 欧特云
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奥尔特云和太阳系各大行星及最接近的两颗恒星的相对距离示意图。图中横轴以地日距离(1 天文单位)为比较基准,依对数尺度绘制(非等比例的线性尺度(英语:linear scale))。
奥尔特云和太阳系各大行星及最接近的两颗恒星的相对距离示意图。图中横轴以地日距离(1 天文单位)为比较基准,依对数尺度绘制(非等比例的线性尺度英语linear scale)。

奥尔特云(Oort cloud),又称奥匹克-奥尔特云[1]在理论上是一个围绕太阳、主要由微行星组成的球体云团。[2]欧云位于星际空间之中,距离太阳最远至10万天文单位(约2光年)左右,也就是太阳和比邻星距离的一半。[3]同样由海王星外天体组成的柯伊伯带离散盘与太阳的距离不到奥尔特云的千分之一。奥尔特云的外边缘标志着太阳系结构上的边缘,也是太阳引力影响范围的边缘。[4]

奥尔特云由2个部分组成:一个球形外层和一个盘形内层,后者又称希尔斯云(Hills cloud)。奥尔特云天体的主要成分为水冰、甲烷等固体挥发物。

天文学家猜测,组成奥尔特云的物质最早位于距太阳更近的地方,在太阳系形成早期因木星土星引力作用而分散到今天较远的位置。[2]目前对奥尔特云没有直接的观测证据,但科学家仍然认为它是所有长周期彗星、进入内太阳系的哈雷类彗星半人马小行星木星族彗星的发源之地。[5]奥尔特云外层受太阳系的引力牵制较弱,因此很容易受到临近恒星和整个银河系的引力影响。这些扰动都会不时导致奥尔特云天体离开原有轨道,进入内太阳系,并成为彗星。[2]根据轨道推算,大部分短周期彗星都可能来自于离散盘,其余的仍有可能来自奥尔特云。[2][5]

假说

1932年,爱沙尼亚天文学家恩斯特·奥匹克猜想,长周期彗星都起源于太阳系最外端的一处云团。[6]荷兰天文学家扬·奥尔特在试图解开一个悖论时,也独立提出了这一假说。[7]在太阳系演化的过程中,彗星的轨道在动力学上并不稳定,最终必定会撞入太阳或行星,或者被行星的摄动甩出太阳系。另外,由于成分挥发性高,所以彗星每次接近太阳时,来自太阳的辐射都会使彗星物质渐渐挥发出去,直到彗星解体或形成保护性壳层。奥尔特因此推断,彗星不可能在现有的轨道上形成,而是曾很长时间位于太阳系的外端。[7][8][9]

依据彗星的运转周期可分为两类:短周期彗星(又称“黄道彗星”)与长周期彗星(“近各向同性彗星”)。黄道彗星的轨道较小,大小在10天文单位数量级以下,并和各大行星的轨道一样与黄道处于同一平面。所有长周期彗星的轨道都非常大,大小可超过数千天文单位的数量级,且来自于各个方向,不局限于黄道平面上。[9]奥尔特还注意到,多数长周期彗星的远日点都在约2万天文单位处,故推论在那个距离应有一个各向分布均匀的球形云团,作为这些彗星的发源地。[9]至于远日点为1万天文单位的彗星,数量已不多,且在太阳系内穿梭数次后,轨道可能被行星的引力效应拖拽至更近的位置了。[9]

结构和组成

理论上奥尔特云的距离与太阳系其他结构的大小对比
理论上奥尔特云的距离与太阳系其他结构的大小对比
奥尔特云及柯伊伯带示意图
奥尔特云及柯伊伯带示意图

奥尔特云所占空间极大,其距离太阳最近处在2,000~5,000天文单位(0.03~0.08光年)[9],最远处在50,000天文单位(0.79光年)[2]。最远处距离在某些文献中的估值为100,000~200,000天文单位(1.58~3.16光年)。[9]奥尔特云可分为:一个半径为20,000~50,000天文单位(0.32~0.79光年)的球形外层云团,和一个半径为2,000~20,000天文单位(0.03~0.32光年)的环形内层云团。外层受太阳系内部的牵制较弱,是长周期彗星(有可能也是哈雷类彗星)在进入海王星轨道以内之前的起源地。[2]内层又称希尔斯云,以1981年提出其存在的杰克·G·希尔斯(Jack G. Hills)命名。[10]理论模型预测,内层云团所含的彗星核数量比外层多几十甚至几百倍。[10][11][12]稀薄的外层会随时间渐渐消亡,一些学者认为,内层不断为外层补充新的彗星,是奥尔特云在形成后数十亿年仍然存在的原因。[13]

外层天体中,大于1公里的可能有上兆个(万亿个),[2]绝对星等[14]大于11(即直径约为20公里以上)的有几十亿个,各自之间相距数千万公里之遥。[5][15]奥尔特云的总质量目前尚不确定,但如果假设外层中的彗星核均与哈雷彗星质量相仿,估计其总质量为3×1025公斤,约等于地球质量的五倍。[2][16]早期估计奥尔特云的质量更高(最高有380个地球质量),[17]但在更准确地掌握长周期彗星的大小分布之后,估值就相应降低了。尚无对内层云团的类似质量估值。

根据对彗星的实质观察推测,绝大部分的奥尔特云天体都由诸如水冰、甲烷乙烷一氧化碳氰化氢的“冰”组成。[18]然而,1996 PW的外表符合D-型小行星的分类,[19][20]但轨道却属于长周期彗星。它的发现,使一些理论学家猜想,奥尔特云可能还含有1%到2%的小行星。[21]分析指出,长周期彗星和木星族彗星的同位素比率差异不大,尽管两者的起源地点截然不同。这意味着,两类彗星都源自于原太阳星云。[22]对奥尔特云彗星颗粒大小的研究,[23]以及对属于木星族的坦普尔1号彗星实施撞击后的研究,[24]都支持这一结论。

起源

奥尔特云是46亿年前太阳系形成早期的原行星盘残余物质。[2]最为广泛接受的假说是,奥尔特云天体最初在更接近太阳的地方凝聚形成,过程与行星和小行星相同,但当时形成不久的木星和土星经引力作用把这些天体甩出了太阳系内部,并使它们进入离心率极高的椭圆轨道或抛物线轨道。[2][25]另一项研究却认为,不少甚至是大部分的奥尔特云天体都是从太阳及其邻近恒星形成时交换的物质产生的,而不是在靠近太阳的地方形成。[26]对奥尔特云发展过程的模拟显示,其总质量在形成后8亿年前后达到最高值,之后吸积和碰撞的速度减慢,云团也逐渐消退。[2]

胡利奥·昂海尔·费尔南德斯(Julio Ángel Fernández)所建立的模型显示,周期彗星的主要来源离散盘,也有可能是不少奥尔特云天体的来源。根据此模型,离散的天体当中,有一半左右向外移至奥尔特云,四分之一向内移至木星轨道附近,另有四分之一被抛射进入抛物线轨道。离散盘有可能至今仍然为奥尔特云补充物质。[27]25亿年后,离散盘物质中估计有三分之一会成为奥尔特云的一部分。[28]

电脑模型指出,太阳系形成时彗星碎片之间的碰撞极为频繁,以至大部分彗星在抵达奥尔特云之前就被撞碎了。因此奥尔特云今天的总质量应比先前所估计的低很多,[29]在最初一共50至100个地球质量的被抛射物质中,只占很小一部分。[2]

来自临近恒星的引力作用加上星系潮汐作用,使彗星轨道渐趋圆形,也是外奥尔特云拥有近乎球形结构的原因;[2]然而受太阳引力影响更强的希尔斯云,却没有形成球形结构。一些研究指出,奥尔特云的形成过程符合太阳系在一个星团中与200至400颗恒星共同形成的假说。这些早期恒星很可能对奥尔特云的形成起到了重要的作用,因为当时恒星近距离略过太阳系的频率比今天高得多,对太阳系内部的摄动也更频繁。[30]

2010年,哈罗德·利维森(Harold F. Levison)等人根据更强的电脑模拟结果提出,太阳仍在初生星团中的时候从其他恒星捕获了众多彗星。这意味着,奥尔特云彗星中很大的一部分(甚至超过90%)都来自于其他恒星的原行星盘。[31][32]

彗星

海尔-波普彗星,一个典型的奥尔特云彗星
海尔-波普彗星,一个典型的奥尔特云彗星

太阳系中的彗星被认为有两个独立的起源地。短周期彗星(周期在200年以下)一般认为来自于柯伊伯带或离散盘,这两个相互连接的圆盘形区域位于海王星的轨道以外,距离太阳约30天文单位,由冰小天体组成。长周期彗星(周期可达数千年),如海尔-波普彗星,则可能源自奥尔特云。柯伊伯带天体的轨道相对稳定,因此来自柯伊伯带的彗星应该为数不多;另一方面,离散盘在天体动力学上较为活跃,作为彗星来源的可能性也大得多。[9]来自离散盘的彗星进入外行星的轨道之内,此时被称为半人马小行星[33]继续被移入内太阳系的半人马小行星,就成为了短周期彗星。[34]

短周期彗星有两大类:木星族彗星(半长轴小于5天文单位)及哈雷类彗星。哈雷类彗星,以哈雷彗星作为典型。虽然这些彗星周期短,但却可能源自奥尔特云。根据轨道属性推算,它们是被大行星的引力拖拽至内太阳系的。[8]不少的木星族彗星也有可能是这样形成的,但绝大部分相信源自于离散盘。[5]

奥尔特发现,回归彗星的数量远比他的模型所预测的少。这一矛盾称为“彗星衰退”,至今还没有得到解决,已知的动力学过程都无法解释彗星数目在观测上过低的现象。可能的原因包括:潮汐力使彗星变形、碰撞或加热而导致解体,挥发物的完全消失导致彗星不可被观测,或彗星表面形成挥发性低的壳层。[35]对奥尔特云彗星的动力学研究发现,外行星范围的彗星出现次数比内行星范围高出几倍。这可能是木星强大的引力影响所造成的:木星起到了屏障的作用,使外来的彗星堕入其中,就像1994年的苏梅克-列维9号彗星一样。[36]

潮汐力效应

大部分靠近太阳的彗星都可能是因为银河系潮汐力对奥尔特云的引力摄动而进入今天的轨道的。正如月球的潮汐力会使地球的海洋变形一样,银河系也会扰动外太阳系天体的轨道。在可观测的太阳系范围内,这一效应相比太阳的引力来说是微不足道的,但在太阳引力影响较弱的遥远地区,银河系的引力场就会有明显的作用。奥尔特云会沿着指向银河系中心的轴线被潮汐力拉伸,在另外两条垂直的轴线上则会被挤压。奥尔特云天体会因此被带到更接近太阳的位置。[37]银河系潮汐力的影响超越太阳引力之处,称为“潮汐截断半径”,大约位于100,000至200,000天文单位处。这也是奥尔特云外端界线的半径。[9]

一些学者猜想,银河潮汐有可能通过增加高远日点微行星近日点距离,促使奥尔特云的形成。[38]银河潮汐效应非常复杂,其影响取决于太阳系中各个天体的具体运动。然而它的累计效应却是举足轻重的:来自奥尔特云的彗星当中,因银河潮汐而被带入内太阳系的可能占高达90%的比例。[39]对长周期彗星轨道的统计模型也指出,银河潮汐是彗星轨道移入内太阳系的主要原因。[40]

恒星摄动及伴星假说

除了银河系潮汐力以外,导致彗星堕入内太阳系的另一大因素是邻近恒星或大型分子云的引力场。[2][36]在太阳围绕银心运转的时候,会不时靠近其他的恒星系统。例如,7万年前舒尔茨星(Scholz's star)曾在奥尔特云中穿过,但其质量低、相对速度高,所以影响并不大。[41]在未来的1千万年内最有可能靠近并扰动奥尔特云的恒星是格利泽710[42]这种效应也会把奥尔特云天体驱离黄道平面,有可能可以解释这些天体的球形分布结构。[42][43]

1984年,美国物理学家理查德·A·穆勒(Richard A. Muller)提出了太阳伴星的猜想,即一颗尚未被发现的褐矮星红矮星正在奥尔特云以内以椭圆轨道绕太阳公转。这颗被称为涅墨西斯星的伴星大约每2600万年进入奥尔特云范围,使大量彗星堕入内太阳系,从而解释地球上大型生物灭绝事件似乎周期性发生的现象。不过,至今没有证明涅墨西斯星存在的任何证据,而其他的证据(如撞击坑计数等)则反而降低了其存在的可能性。[44][45]更近期的分析指出,灭绝事件的发生不具有周期性,[46]因此也不再需要太阳伴星这一猜想了。[46]

拉法叶路易斯安那大学天文学家约翰·J·马蒂斯(John J. Matese)在2002年也提出了相似的假说。他认为,从奥尔特云某个特定区域进入内太阳系的彗星,其观测上的数目不能完全由银河潮汐和恒星摄动所解释,所以在遥远的轨道上很可能有一个与木星质量相当的天体。[47]该假想的气态巨行星名为堤喀。利用视差进行巡天调查广域红外线巡天探测卫星旨在准确测量邻近恒星的距离,并有能力证明堤喀存在与否。[46]2014年,美国宇航局宣布该卫星的调查结果足以淘汰大部分伴星或遥远大行星假说。[48]

修正牛顿动力学

根据修正牛顿动力学英语Modified Newtonian dynamics(MOND),[49][50]奥尔特云天体在距离太阳遥远的轨道上,运行加速度应在10−10 m/s2的数量级,与普通牛顿动力学所预测的有可观的差异。根据MOND猜想,在加速度很低的情况下,加速度不再和成正比关系。这可以解决一般由暗物质来解释的星系自转问题[49]一旦确实,这将会大大改变人们对奥尔特云形成和结构的认识。不过,绝大部分宇宙学家都认为MOND猜想是不成立的。[51]

未来的探索

目前尚未有人类制造的空间探测器抵达奥尔特云。在正在离开太阳系的探测器中,就算是行进速度最快、[52]距离最远[53][54]旅行者1号,也要在300年后才会到达奥尔特云,[3][55]要穿越它更需要3万年的时间。[56][57]另外,旅行者1号所携带的放射性同位素热电机在2025年前后就无法再为同行的科学仪器提供足够的电力,所以不能用来对奥尔特云做任何实质性的探索。其余四个正在离开太阳系的探测器(旅行者2号先驱者10号先驱者11号新视野号)到达奥尔特云的时候也将无法作业。

另一方面,如果使用太阳帆来推进探测器,则可以在大约30年内抵达奥尔特云。[58]

参见

参考资料

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外部链接

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