包围着太阳系的奥尔特云是什么?

尽管人类观测星空的历史有上千年之久,可是人类至今却并不了解太阳系,迄今为止,人类还并没有完全了解整个太阳系的结构,因为太阳系太大了,太阳系的半径大约是100000 AU(天文单位,1A.U.=1.496×108千米)。所以太阳系的边缘究竟是怎么样的,人类至今还没有搞清楚。

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除此之外,人类也并没有搞清楚彗星究竟是从哪里来的,彗星(Comet)是进入太阳系内亮度和形状会随日距变化而变化的绕日运动的天体,呈云雾状的独特外貌。彗星的轨道有椭圆、抛物线、双曲线三种。椭圆轨道的彗星又叫周期彗星,另两种轨道的又叫非周期彗星。周期彗星又分为短周期彗星和长周期彗星。

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彗星分为彗核、彗发、彗尾三部分。彗星没有固定的体积,它在远离太阳时,体积很小;接近太阳时,彗发变得越来越大,彗尾变长,体积变得十分巨大。彗尾最长竟可达2亿多千米。

而在探索彗星来源的时候,人类将彗星的起源锁定在了神秘的太阳系边缘地带。

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奥尔特云的提出

1932年,爱沙尼亚天文学家恩斯特·朱利叶斯·欧匹克提出彗星是来自太阳系外层边缘的云团。

但在1950年,荷兰天文学家简·亨德里克·奥尔特作了彗星轨道的统计研究,发现轨道半径为3万至10万天文单位的彗星数目很多,他推算那里有个大致球层状的彗星储库,但一个彗星不停来回太阳系内部与外部,终会被多种因素所摧毁,其生命周期决不会如太阳系的年龄长。

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所以奥特尔进一步完善了这个观点,提出该云团所受的太阳辐射较弱,非常稳定,存在数百万颗以上的彗星核,可以不停产生新彗星,去取代被摧毁的。这个云团在5000到100000个天文单位之间。所以这个云团后来便以奥尔特云的名字命名,叫“奥尔特云”或者叫或“奥尔特一欧匹克云”。

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就像旅行者1号宇宙飞船,它是人类发射的最远和最快的航天器,但它还需要大约300年才能到达奥尔特云的边缘,要穿越它更需要3万年的时间。

在目前天文学家的共识中,太阳系是以太阳为中心,和所有受到太阳的引力约束天体的集合体。太阳系的外围分布着柯伊伯带,而边界则笼罩着奥尔特云。黄道离散盘则分布在两者之间。

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其中短周期的彗星的起源于柯伊伯带,这是由杰拉德·柯伊伯在1951年提出的,当时他推测在太阳系原始星云很冷的外部区里的挥发物凝聚为冰体一彗星,当外行星在冰体群中长大时,外行星的引力弥散作用使一些彗星驱入奥尔特云,但是冥王星之外没有行星形成,他提出冥王星之外有个彗星带一即柯伊伯带,那里有很多彗星,它们的轨道近于圆形,轨道面对黄道面倾角不大。

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这条“柯伊伯带”包含了数百万的天体,它们围绕太阳运行,在彗星的引力作用下力相互碰撞。这些相互作用将柯伊伯带彗星撞向轨道,使它们靠近太阳,在那里开始出现特有的尾巴。

1992年,人们找到了第一个柯伊伯带天体(KBO);如今已有约1000个柯伊伯带天体被发现,直径从数千米到上千公里不等。从而证实了柯伊伯的假设。

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这些短周期的彗星因为它们相对经常绕太阳运行。天文学家可以计算出彗星何时会接近太阳和再次出现在地球的天空。

而长周期的彗星则起源于奥尔特云,那里的彗星绕太阳公转的周期长达几百万年。奥尔特云中有1000亿至十万亿颗彗星。

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由于这里远离太阳,处在太阳和其他恒星之间,所以有些时候,来自附近的恒星引力或银河系内引力的波动会打扰奥尔特云小天体的平静生活,将它们“驱赶”到太阳系内层,当它沿扁长轨道进入内太阳系时,才成为“新”彗星被观测发现。

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奥尔特云位于太阳系的边缘,最远处大体上是冥王星距离的4000倍。速度最快的光从那里来到我们太阳系也要走上两年多,因此这里的彗星绕太阳一周要花很长的时间,只有当它们跑到离太阳几亿千米远时,才能被人们看到。它们在轨道上的绝大部分时间都消磨在远离太阳的地方。以池谷-关彗星为例,它在近日点附近速度为每秒500千米,仅用两个小时就跑完了靠近太阳的半边,但要跑完远离太阳的那一边,却要花上1000多年。池谷-关彗星的周期还不算长,有些长周期彗星旅行一周要经过几百万年的漫长岁月。所以,尽管天文学家估算奥尔特彗星云里可能有1000亿颗彗星,而全世界每年发现的彗星平均只有五六颗。

奥尔特云真实存在吗

因为我们几乎无法探测到土星轨道外的彗星,何况是更远的奥尔特云,所以奥尔特云的说一直以来都还只是一个假说,直到2003年。

2003年11月14日,帕洛马山天文台正在搜寻黄道离散天体。天文学家布朗、特鲁希略(双子星天文台)及拉比诺维茨在在当天共同观测到一个天体在超过3.1小时之内移动了4.6角分,显示它的距离约为100天文单位。在经过多次确认之后,他们发现这是一颗以前从未发现过的新天地,后来,这个新天体被取名为塞德娜。迈克尔·E·布朗在他的网站解释了名称的由来:

我们发现的新天体是太阳系最遥远也是最寒冷的一个,所以我们认为它适合用因努伊特神话中的海洋女神塞德娜来命名,传说他居住在北极海的深处”

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天文学家后来使用斯皮策空间望远镜来观测塞德娜,并计算出它的直径上限大约是冥王星的四分之三(小于1,600千米),塞德娜的公转轨道与太阳系其他天体的比较,塞德娜拥有非常接近椭圆的公转轨道,它的近日点及远日点估计分别约为76天文单位及937天文单位,是天文学家观测到的天体中近日点距离太阳最遥远的一个。

塞德娜的公转周期约为11,400年,文学家刚发现塞德娜时,认为它的自转周期相当长,介于20到50天之间。天文学家推论这样长的自转周期是大型卫星引力拉扯所造成的,例如像卡戎一类的卫星,因此天文学家尝试寻找它的卫星。

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但是根据哈勃空间望远镜于2004年3月作出的观测结果,天文学家并未发现有卫星绕其公转。而多镜面望远镜后续的观测则显示塞德娜的自转周期约为10小时。

“塞德娜”的主要成分是冰和岩石,其体积大小约为冥王星的四分之三。“塞德娜”也创造了整个太阳系的最冷纪录:估计其温度为零下240℃

科学家推测塞德娜分布在奥尔特云附近,不过因为它比其他假设的奥尔特云天体还要接近太阳,轨道倾角与行星及柯伊伯带约成一直线,所以科学家最终将塞德娜视为“内奥尔特云天体”,位于柯伊伯带及奥尔特云之间的区域。

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甚至科学家推测塞德娜的轨道受到一颗位于内奥尔特云的未知行星所扰动。最近的电脑模拟显示赛德娜可能受到一颗位于2,000天文单位(或更近)的天体(质量与海王星相当)扰动,或一颗木星质量的天体(距离5,000天文单位),甚至是一颗位于1,000天文单位,质量类似地球的天体。

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科学家怀疑有一颗第九行星的存在扰动塞德娜

2006年,海王星的轨道中发现一颗巨大的彗星,直径估计为50-100公里,绕太阳运转一周需要2.25万年。此彗星编号为“2006 SQ372”,目前距离地球32亿公里,但它扩大其行程时与地球之间的距离加大到了2410亿公里,相当于地球到太阳距离的1600倍。此天体是惟一一颗运行轨道堪比2003年发现的像冥王星似的矮行星“塞德娜”(Sedna)的运行轨道。

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天文学家认为这颗彗星来自于奥尔特内部。塞德娜的发现和长周期彗星的出现,都从侧面证明了奥尔特云的存在。,这也让天文学家越发想一探奥尔特云究竟。

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红色轨道为塞德娜

总结

目前,科学家还并没有直接观测到奥尔特云,但是目前的总总迹象都表明了奥尔特云存在的可能性非常大,奥尔特云的存在也可以解释太阳系的许多现象,比如长周期彗星的起源,以及解释太阳系的诞生,因为天文学家普遍认为奥尔特云是50亿年前形成太阳及其行星的星云之残余物质,并包围着太阳系。

几年前有人提议建立一个太空观测站,以观察与奥尔特云一样遥远的物体。被称为Whipple任务,它将在太阳地球L2点轨道运行,并以广阔的视野观察天空。

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它将尝试在距离更远的恒星前方一公里处的物体小到一公里的情况下探测过渡事件。从理论上讲该任务将能够发现这些过渡到22000个天文单位或近半光年。

但不管怎么样,随着人类科技的不断提高,奥尔特云的神秘面纱终有一天会被揭开!

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