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上图展示了艺术家眼中的塞德娜。它是一个典型的柯伊伯带天体。2003年，人们在冥王星轨道外面发现了它。外太阳系是否还有像塞德娜这样的大个头天体存在呢？天文学家正在积极搜寻着。（图片来源：NASA / JPL-CALTECH / ROBERT HURT (SSC)） 1781年，威廉·赫歇尔发现天王星。它是第一颗不易被肉眼看到的行星。天文学家发现天王星的轨道很怪异，好像更远处还有一颗行星在拉扯它。寻找这颗看不见的行星导致了1846年海王星的发现。海王星的轨道运动同样透着古怪，结果导致了1930年冥王星的发现。 不过，天文学家现在认为冥王星的直径只有2322公里，比月球还小，其质量也不足以影响海王星的轨道。后来的观测表明，海王星的轨道完全符合预期，无需大质量扰动者的存在。 尽管如此，我们对外太阳系的探索才刚刚开始，而且一直持续至今，新发现和新谜团也层出不穷。在海王星轨道的外面还存在着众多冰状天体，我们只探测到了其中一小部分而已。我们仍在试图弄清楚，这些迷你世界是如何跑到它们今天所在的位置上去的。 柯伊伯带和奥尔特云 大约有2千个天体在冥王星附近运动。那片区域叫做柯伊伯带。它的边界大致位于48个天文单位（1天文单位等于日地间距离）处，因为从那里开始，天体的数量便迅速减少了。柯伊伯带是原初太阳星云（孕育太阳系的星云）的遗存物。那一带幅员辽阔，物质密度很低，距离太阳又十分遥远，物质无法坍缩形成行星。事实上，外太阳系很难形成任何天体，就连天王星和海王星都极有可能不是在原地形成，而是在与木星和土星发生相互作用时被踢到今天所在的位置上去的。 短周期彗星（轨道半长轴仅为几十个天文单位且轨道倾角很小）可能就是刚逃出来不久的柯伊伯带天体。虽然柯伊伯带的主要部分大约在48个天文单位处截止，但在太阳系边缘还存在着另一个天体聚集区，长周期彗星就来自于那里。长周期彗星的轨道半长轴长度通常可以达到几万个天文单位。太阳系的行星轨道近乎处于同一平面（太阳系行星实际上全部位于黄道面内）。与之相反，长周期彗星的轨道倾角则彼此差异极大。 1950年，荷兰天文学家杨·奥尔特第一个提出外太阳系存在一个长周期彗星聚集地的说法。那个区域因此而被命名为奥尔特云。它覆盖了从太阳系到最近的恒星系统——半人马座阿尔法星的距离的三分之一（大约10万个天文单位），可能有大约1万亿颗直径超过1公里、轨道周期为几百万年的天体生活在那里。奥尔特云已经远在日球层之外了。在日球层附近，太阳风的影响力已经不敌星际介质了。“旅行者”探测器目前则刚飞到大约120个天文单位远处。
奥尔特云可能与太阳系行星同时形成。在太阳系形成过程中，巨行星所在的区域里也有不少个头不算小的天体。它们中的绝大多数都被巨行星吞并了。不过，正在长大的行星也把其中一些天体甩了出去。其中大部分都被抛到太阳系以外，飞入星际空间了。但仍有1%-10%的天体由于能量不足，没能摆脱太阳系的束缚，最终只能在遥远的外太阳系徘徊。 被抛出去却又没能逃脱太阳引力的天体都在椭圆轨道上运动，或许可以运动到几千、甚至几万个天文单位远处。但是，它们仍然可以运动到距离太阳比较近的地方（在其轨道近日点），经过它们原先曾被踢出去的那个地方。因此，这些天体的轨道仍有一部分位于巨行星区（5-30个天文单位），并且还有机会与大质量行星再次发生强烈的相互作用。作用的结果要么是最终发生撞击，要么是它们被彻底踢出了太阳系。 在几千至几万个天文单位处，在椭圆轨道上运动的天体松散地聚集在一起，形成奥尔特云。在那里，太阳的引力已经衰弱不堪，反倒是邻近恒星、银河系中心还有银河系盘面的作用力开始占主导地位。这些力类似于潮汐力，能够把天体的轨道近日点向外拉，使其不致再与木星之类的巨行星碰撞。随着时间推移，这些作用力随机改变着奥尔特云天体的轨道及其倾角，致使其中一些天体逃出太阳系，进入星际空间；另一些天体则又被抛回到行星附近，成为我们看到的长周期彗星。 实际上，由于其它恒星的偶然路过，内太阳系可能经历过彗星雨。不过，其它恒星跑到距离太阳10万个天文单位以内的地方是很罕见的。这类事件大概几千万年才发生一次，而且可能仅把彗星的流量提高不过几十个百分点。下一个从太阳附近掠过的恒星是格利泽710。再过150万年，它将从距太阳7万个天文单位处路过。科学家认为，恒星交会促使彗星频繁撞击地球，可能导致地球生物灭绝。不过，恒星交会引发的后果是非常难预测的。 内奥尔特云 那么，在奥尔特云与柯伊伯带之间的那片区域又有什么天体呢？天文学家曾经认为，不存在一个天体，其整个轨道都在那个区域里，因为那里的银河系潮汐力还不足以把天体的轨道近日点完全移出太阳系的行星区。 2003年，天文学家使用美国帕洛玛天文台1.2米口径塞缪尔·奥欣望远镜对北半球几乎所有的可观测天区进行了一次浅度巡天观测。在此期间，他们发现了塞德娜。它的个头在1000公里左右，轨道近日点位于76个天文单位处，轨道半长轴长度为532个天文单位。它是人类发现的第一个轨道全部位于那个区域的天体。塞德娜是如此的出人意料、不同寻常，天文学家不得不重新思考太阳系的形成了。10年后，双子星天文台的Chad Trujillo和我又发现了2012 VP113。它的轨道近日点位于80个天文单位处，比塞德娜的轨道近日点还远。令人惊讶的是，它的轨道半长轴却比塞德娜的小，只有265个天文单位。这两个天体的轨道都很稳定。目前，它们没与任何太阳系已知天体（包括海王星）有强烈的相互作用。尽管如此，它们拥有极椭圆的轨道这一点说明，它们必定曾在某一时期与某些天体发生过碰撞。
塞德娜和2012 VP113的轨道完全位于海王星轨道的外面。不过，它们那极椭圆的轨道说明，它们过去曾经与某些天体发生过相互作用。（图片来源：S&T GREGG DINDERMAN） 一些天文学家称它们为内奥尔特云（简称IOC）天体，因为它们不似更遥远的外奥尔特云天体（位于几千个天文单位处）那样容易被银河系潮汐力摆布。也就是说，IOC天体的轨道自古以来一直保持着稳定，因此，它们实质上是保存太阳系形成信息的“化石”。 理论学家提出了好几种IOC天体形成机制，但它们无一例外都要求一个与今天的太阳系完全不同的环境。其中一个理论认为，一个被踢出巨行星区、不得不到处流浪的小行星在向外运动时可能也拽走一些更小的天体，或是把柯伊伯带内天体拉进了IOC。这个小行星可能被完全踢出了太阳系大家庭，或是至今仍在外太阳系躲藏着。 另一个理论则认为，IOC天体不是在太阳系内形成的，而是被捕获来的。在形成太阳的原初星团中，如果有其它恒星系统正好位于太阳附近，它们踢出来的天体就有可能被太阳俘获，继而又被太阳抛弃。还有一种与此相关的理论认为，邻近恒星在飞掠太阳时，可能会向外拉扯太阳系内天体，或者拉散它们（也许两种情况皆有可能发生），从而产生我们今天看到的IOC天体。不过，这个理论要求恒星必须从距离太阳仅几百个天文单位处飞过。这几乎是不可能发生的，而且这势必会破坏外奥尔特云。 当前最受欢迎的理论是，IOC天体原本是在太阳系内形成的，只是因为受到源自于系外的引力拉扯（比今天的系外作用力强大多了）才跑到今天的位置上去的。这个较强的潮汐力扰动了太阳附近的天体，把它们的轨道近日点移动到外太阳系。太阳脱胎于星团之中，附近有不少恒星系统为伴，出现这样的系外强潮汐力也不足为奇。理论学家对这一过程进行模拟，发现如果太阳出生在中等致密程度的星团（其核心每立方光年里包含300倍甚至更多太阳质量），太阳系与其它恒星的相互作用将产生类似塞德娜和2012 VP13这样的IOC天体。因此，IOC天体的存在暗示了太阳曾与许多“兄弟姐妹”一同长大，只是现如今它们都已分散到银河系各处去了。 上述这些理论都是可以被检验的，因为它们给出的IOC天体轨道分布各不相同。例如，2012 VP113受到的太阳束缚力就比塞德娜更强。这意味着，前者需要更大的外部扰动才能让其轨道近日点向外移动。如果IOC天体是被俘获的系外天体，它们的轨道倾角应该是各式各样的，因为天体的俘获过程与天体飞来的方向并无紧密关联。如果IOC天体是从内太阳系被踢出来的，它们的轨道倾角彼此差异应该比较小，反映了它们出生在太阳系行星盘附近。 塞德娜和2012 VP113的轨道倾角偏小，分别为12度和24度，这说明它们是在太阳系内形成的。塞德娜显现出极红的颜色，这一点也与已知的典型柯伊伯带天体类似。2012 VP113则表现出中等的红色，说明它是在巨行星附近形成的。我们需要更多样本来增进我们对IOC天体的理解。
如图所示，塞德娜和2012 VP113位于广袤的外太阳系。一些天文学家把那片区域称为内奥尔特云（简称IOC）。科学家怀疑，IOC内的天体数目或许比柯伊伯带还要多。（图片来源：S&T GREGG DINDERMAN） 外面还有什么？ 塞德娜是在高效巡天中用最大像素的相机发现的。当天文学家把此类相机安装到更大口径的望远镜上时，他们发现了2012 VP113。在智利托洛洛山美洲天文台，4米口径布兰科望远镜上的暗能量相机能够拍摄约2.7平方度的天区。Chad与我就是用它发现了2012 VP113。如此大的图像相当于11个满月面积的总和，比之前所有4米甚至更大口径望远镜上的相机拍摄的天区面积大好几倍。我们继续搜寻着远方，期望在未来几年找到更多IOC天体。但我们仅能观测一部分天区。由美国国家科学基金会出资在智利建造的大型综合巡天望远镜不仅将观测更大面积的天区，还能看到批量发现IOC天体所必需的暗弱星等。不过，我们还要为此等上十年时间。
上图展示了智利托洛洛山美洲天文台的4米口径布兰科望远镜。本文作者和Chad Trujillo使用这台望远镜的暗能量相机拍摄了一组照片，并在照片中发现了2012 VP113。（图片来源：T. ABBOTT AND NOAO / AURA / NSF） 根据塞德娜和2012 VP113的发现情况及至今为止搜索过的天区面积，我们相信IOC内存在着大约1千个直径超过1000公里的天体，还有许多个头更小的天体。IOC内的天体数目可能比小行星带或者柯伊伯带还要多。有些IOC天体可能比冥王星还大，还有一些个头可能超过火星，甚至地球。天体距离我们越远，看上去越暗。因此，外太阳系很可能隐藏着不少大个头天体。我们看到的是它们表面反射的太阳光。太阳光首先传到天体面前，经天体表面反射，再传到地球。天体与我们之间的距离增加2倍，它的亮度便会降低16倍。正因如此，只有当塞德娜和2012 VP113位于轨道近日点附近时，我们才能看到它们。除此之外，在大多数时候，我们都无法看到它们。同理，我们也无法看到那些与火星个头差不多、并且在类似轨道上运动的天体，因为它们离我们太过遥远而十分暗弱。
2012年11月5日，本文作者与Chad Trujillo一起发现了内奥尔特云天体2012 VP113。上面这组照片由智利托洛洛山上的暗能量相机间隔两小时拍摄的。他们就是在这些照片里发现了2012 VP113。（图片来源：SCOTT SHEPPARD / CARNEGIE INST. FOR SCIENCE） 太阳系内可能不会再有更多的巨行星存在了，否则美国宇航局的大视场红外巡天探索者就会在红外波段探测到它们温暖的大气。巨行星散发的热量要比它从太阳那里吸到的热量多，这是因为它们在行星形成过程中累积下来的能量还没有散尽。个头小的行星大气也少，因此会非常冰冷，不会发出能被探测到的热信号。 我们还找到了外太阳系存在大天体的间接证据。Trujillo和我在研究塞德娜、2012 VP113、以及另外10个柯伊伯带边缘的天体时候，我们注意到它们之间的相似点：这12个天体有相似的近日点幅角。近日点幅角是轨道近日点与黄道面内的轨道升交点之间的夹角。近日点幅角为0，意味着天体的轨道近日点在黄道面内，90度则说明天体在运动到近日点时偏离黄道面最远。这些遥远天体的近日点幅角都不超过几十度。这完全出乎我们的意料。我们原以为它们的近日点幅角应该是随机分布的。一种可能的解释是，一个未知的大质量天体在操控着它们，使其在有相似近日点幅角的轨道上运动。那10个柯伊伯带边缘天体的形成过程可能与塞德娜、2012 VP113相似。不过，还有一种可能的解释是，它们曾经与海王星发生相互作用，因为它们的轨道近日点比较靠近海王星的势力范围。 我们还不十分清楚这些天体的化学成分。不过，塞德娜的表面似乎有甲烷冰存在。IOC天体可能是冰球体——形成行星的原料之一，为地球及其它地方的生命提供所需的挥发物质和有机物。确定它们的化学成分，探究它们从哪里来，又是怎样跑到现在的位置上去的，将告诉我们有关太阳出生环境及太阳系形成过程的细节信息。为了回答这些问题，我们需要找到更多的IOC天体，以便了解它们的物理学和动力学规律。搜寻工作至今还在进行着。
这张合成照片模拟了大型综合巡天望远镜工作时的情景。它将对暗弱天体，例如内奥尔特云天体，进行延时拍摄。（图片来源：LSST） |
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