太阳系的边界：奥尔特云

从远古时期就已知道的金、木、 水、 火、 土五大行星， 以及脚下的地球，到近代的天王星、海王星，再到现代的柯伊伯带及离散盘。人类认识的太阳系疆界在过去两百多年的时间里在线度上扩大了十倍左右。


那么，离散盘是否就是太阳系的疆界呢？答案是否定的。
    太阳系里的彗星按轨道周期的长短可以分为两类， 其中短周期彗星大都来自柯伊伯带。 那么， 长周期彗星又来自何方呢？



    1950年，荷兰天文学家奥尔特 (Jan Oort) 对长周期彗星进行了研究。 他发现， 很多长周期彗星的远日点位于距太阳 50,000-150,000 天文单位 (约合 0.8-2.4 光年) 的区域内，由此他提出了一个假设，即在那里存在一个长周期彗星的大本营。这一假设与将柯伊伯带视为短周期彗星补充基地的假设有着异曲同工之妙 (但时间上更早)。那个遥远的长周期彗星大本营后来被人们用奥尔特的名字命名为奥尔特云 (Oort Cloud)[注六]。由于长周期彗星几乎来自各个方向，因此奥尔特云被认为大体上是球对称的。后来的研究者进一步将奥尔特云分为两部分： 距太阳 20,000 天文单位以内的部分被称为内奥尔特云， 它呈圆环形分布； 距太阳 20,000 天文单位以外的部分被称为外奥尔特云，它才是球对称的。距估计， 奥尔特云中约有几万亿颗直径在一公里以上的彗星，其总质量约为地球质量的几倍到几十倍。由于数量众多，在一些科普示意图中奥尔特云被画得象一个真正的云团一样，但事实上，奥尔特云中两个相邻小天体之间的平均距离约有几千万公里，是太阳系中天体分布最为稀疏的区域之一。




    在距太阳如此遥远的地方为何会有这样一个奥尔特云呢？ 一些天文学家认为，与离散盘类似，奥尔特云最初是不存在的，如今构成奥尔特云的那些小天体最初与行星一样， 形成于距太阳近得多的地方，后来是被外行星的引力作用甩了出去，才形成了奥尔特云。奥尔特云中的小天体由于距太阳极其遥远，很容易受银河系引力场的潮汐作用及附近恒星引力场的干扰，那些干扰会使得其中一部分小天体进入内太阳系，从而成为长周期彗星。
  










                                    奥尔特云及太阳系结构示意图   








            荷兰天文学家奥尔特(1900 – 1992)



    奥尔特云距我们如此遥远，而且包含的又大都是小天体，读者们也许会以为除直接来自那里的长周期彗星外，我们不太可能观测到任何属于奥尔特云的天体。其实却不然。这倒不是因为我们有能力观测到几千乃至几万天文单位之外的小天体，而是因为奥尔特云并不是一个界限分明的区域。少数奥尔特云天体的轨道离我们相当近，甚至能近到可被直接观测到的程度。 2003 年，美国帕洛马天文台 (Palomar Observatory) 的天文学家布朗 (Michael Brown - 他也是创神星的发现者之一) 发现了一个临时编号为 2003VB12 (正式编号为 90377) 的海外天体，它的轨道远日点距离约为 976 天文单位，近日点距离也有 76 天文单位。 这个天体的块头很大 (否则就不会被发现了)， 直径约有 1500 公里，曾一度被当成第十大行星的候选者 (当时阋神星尚未被发现)。天文学家们给它取了一个专门的名称： 塞德娜 (Sedna - 因纽特神话中的海洋生物之神)。 一般认为，赛德娜是属于内奥尔特云的天体[注七]。除赛德娜外，还有一个我们非常熟悉， 有些读者甚至用肉眼都曾看到过的天体 - 哈雷彗星 - 也被认为是有可能来自奥尔特云的。哈雷彗星虽然是一颗短周期彗星，但很多天文学家认为，它是从奥尔特云进入巨行星的引力范围后受后者的干扰才成为短周期彗星的。


    奥尔特云究竟有多大呢？今天的很多天文学家认为它的范围延伸到距太阳约 50,000 天文单位的地方， 但也有人象奥尔特当年一样， 认为它延伸得更远，直到太阳引力控制范围的最边缘。 这一边缘大约在距太阳 100,000-200,000 天文单位处， 在那之外，银河系引力场的潮汐作用及附近恒星的引力作用将超过太阳的引力 (请读者想一想，我们为什么在提到银河系引力场时强调 “潮汐作用”，而在提到附近恒星的引力场时不强调这一点？)。如果那样的话，奥尔特云的外边缘应该就是太阳系的疆界了。




    不过，奥尔特云未必是太阳系疆界附近的唯一秘密。 1984 年， 美国芝加哥大学的古生物学家劳普 (David Raup) 和塞普考斯基 (Jack Sepkoski) 在对过去两亿五千万年间地球上的大规模生物灭绝状况进行研究后提出， 那种灭绝似乎平均每隔 2,600 万年发生一次，而且有迹象表明其中至少有两次似乎与大陨星撞击地球的时间相吻合 (其中最著名的一次被认为是发生在距今约 6,500 万年的白垩纪末期，导致包括恐龙在内的大量生物灭绝)。 同年，美国加州大学的物理学家马勒 (Richard Muller) 等人提出了一个大胆的猜测，认为太阳有可能有一颗游弋在太阳系边缘的伴星，这颗伴星是一颗褐矮星或红矮星 (褐矮星的质量约在木星质量的 13-75 倍之间，红矮星的质量约在木星质量的 75-500 倍之间)，它距太阳最远时约有1.4- 2.4 光年(感兴趣的读者请根据上下文提供的信息，计算一下它离太阳最近时的距离)。这颗伴星每隔 2,600万年经过奥尔特云的一部分，在它的引力干扰下，大量的奥尔特云天体会脱离原先的轨道而进入内太阳系，其中个别天体会与地球相撞，从而造成大规模的生物灭绝。由于这颗伴星所起的可怕作用，它被称为内梅西斯 (Nemesis)，这是希腊神话中的复仇女神。如果太阳真的有这样一颗伴星，并且它真的有人们所猜测的那种作用，那它无疑是太阳系疆界附近最可怕的天体。但即便如此，我们也不必害怕，因为按照那些科学家的说法，地球上最近一次大规模生物灭绝大约发生在距今五百万年以前，那么下一次同类事件 - 如果有的话 - 就该是两千多万年之后的事了。那时假如人类还存在，想必该有足够的智慧来避免灾难。
    人类探索太阳系疆界的事业却远未结束， 这样的事业有一个美丽的名字叫科学， 她值得人们去做永生的探索。


    人们认为太阳外其他恒星也会有自己的奥尔特星云存在，又如果两颗距离近的恒星，其奥尔特云会出现重叠，导致彗星走进另一恒星的太阳系内部。预计在1000万年以内，最有可能摄动奥尔特云的恒星是Gliese 710。


    该恒星距离地球63光年，它引人注意的地方，是因为透过固有运动，朝着地球方向逐渐移近。根据Hipparcos卫星最新传回的数据，它可能会于140万年内进入与地球1.1光年（70,000天文单位）的范围内。在最近距离时，现在裸视不可见的这颗暗星，将会成为可以和心宿二争辉的0.6星等亮星。
　　Gliese 710 不会和太阳相撞，但它的强大引力将摄动奥特云，使大量的彗星进入内太阳系，增加与地球发生撞击的机会。
　　有趣的是，在过去或未来的1000万之间，对太阳系的摄动影响力排第二的恒星是大陵5，它是一个三连星系统，拥有太阳5.8倍的质量，在730万年前，它距离太阳系不到9.8光年。



太阳系的边界：


太阳系既没有法定的边界，也没有一致公认的范围。如果以离太阳最远的冥王星轨道作为太阳系边界，那么，边界线离太阳约３９.４天文单位，约合５９亿千米。格里格·梅利什彗星曾于１９０７年回归，它的周期是１６４.３年。如果以它的轨道的远日点作为太阳系的边界，则半径是５８天文单位。奥尔特云的距离为３万～１０万天文单位，也有定为１５万天文单位的。如果以奥尔特云为太阳系的终端，太阳系边界也就可以定在这里。利用牛顿万有引力定律，可以算得太阳系的稳定边界在８万～１０万天文单位处，超出这个范围的天体和物质，太阳引力对它将不起作用。








     美“旅行者”1号飞船揭示太阳系边界新特征
   


即将飞出太阳系的美国“旅行者”１号飞船，已经发回了有关太阳系边界的大量数据。科学家２２日报告说，这些数据既证实“旅行者”１号已进入太阳系最边远的地带，也揭示了太阳系边界一些新特点。
１９７７年９月５日发射的“旅行者”１号飞船，现在已距地球１４０亿公里，是飞得最远的人造航天器。它在２００４年１２月１６日左右探测到的一些迹象，使科学家们判断它已首次穿越太阳系最外层的标志——激波边界。
   根据“旅行者”１号这次穿越激波边界时搜集的数据，科学家们在将于２３日出版的新一期《科学》杂志上发表４篇文章，从不同角度分析了它在太阳系“远郊”的所见所得。
   “旅行者”项目科学家、加州理工学院的爱德华·斯通等人指出，“旅行者”１号穿越激波边界的最大收获是更清楚地描述了激波边界。激波边界是太阳风在恒星间气体压力下减速的地带，在这里本来以超音速运动的太阳风粒子骤然减速到亚音速，产生了激波。
    早先科学家曾推测激波边界可能距太阳几十个天文单位（１天文单位是太阳到地球的距离，约１．５亿公里），甚至比一些外围行星离太阳的距离还近，现在则认为它的位置会随太阳风的强弱而不断变化，可能距太阳９０至１００个天文单位。而“旅行者”穿越激波边界时距太阳９４个天文单位，证实了科学家们的后一推测。
    早先科学家还预测，在激波边界处因为太阳风和恒星间气体的相互作用，低能量粒子的比例会大幅度增加，而高能量粒子会加速运动。“旅行者”１号发回的数据则表明，激波边界的低能量粒子确实大量增加了，但高能量粒子却没有加速，这被科学家称为“最让人惊讶的发现”。
    科学家们还在论文中指出，“旅行者”１号在２００４年１２月中旬左右探测到等离子体的振荡，但是此后这一现象却没有再出现；在同一时间，这艘飞船还探测到其周围的磁场突然增强，并一直延续到现在。这两项证据都表明“旅行者”１号确实穿越了激波边界。
   “旅行者”的使命是探测太阳系外围和更远的恒星系，并寻找可能的外星智慧生命线索。著名科学家卡尔·萨根等人让它携带了“地球名片”，这是一个刻着各种几何图案的镀金铜片，飞船上还有地球上各种声音的记录，让可能存在的外星智慧生命知道地球生命。
    在穿越激波边界后，“旅行者”１号现在已进入太阳系最遥远的外围——太阳风鞘，然后就要飞入太阳系外的宇宙。密歇根大学空间科学教授伦纳德·菲斯克将“旅行者”１号比作１９世纪寻找尼罗河源头的探险家，“当我们来到一个未知之地，就有意料之外的新发现，这就是‘旅行者’最让人激动的地方”
    目前在太空中走得最远的人类文明“使者”——美国“旅行者１号”探测器，正在向太阳系边界逼近。甚至有科学家认为，它一度可能已突破了太阳系与外部星际空间的第一道交界线。

　　两个美国研究小组５日在华盛顿美国宇航局总部举行新闻发布会，就“旅行者１号”是否曾首次实现从太阳系突围发表了不同看法。两个小组的相关论文同时发表在６日正式出版的英国《自然》杂志上。

　　太阳与其它恒星间并非虚空一片，而是充斥着气体和尘埃组成的稀薄等离子体，天文学上称作星际介质。由带电粒子等组成的太阳风在向宇宙扩张的过程中会形成日光层。日光层犹如宇宙中的一个巨大气泡，太阳和太阳系９大行星处于“气泡”内，而“气泡”又包含在星际介质中。这个“气泡”与星际介质的交界区域被视为太阳系的边界。

　　早先研究认为，太阳系边界实际上是多层次的。最里面的是所谓“终止激波”层，太阳风与星际介质会在该区域撞击产生冲击波，太阳风在撞击后速度将由超音速急剧下降至亚音速。“终止激波”与太阳的距离据估计为８５至１２０个天文单位，一个天文单位相当于地球到太阳的距离（约１．５亿公里）。

　　“终止激波”层是太阳系边界开始的标志。美国约翰斯·霍普金斯大学的克里米吉斯说，他和同事们对“旅行者１号”上的低能带电粒子探测器的数据进行分析发现，２００２年８月该探测器与太阳距离达到８５天文单位，在随后６个多月内，其周围的太阳风速度急剧下降，带电粒子数量则大幅度上升，意味着“旅行者１号”在这段时间内可能穿过了“终止激波”层。分析还显示，２００３年初，“终止激波”层似乎又从太阳系向外运动，超到了“旅行者１号”前面，该探测器再次落入超音速太阳风中。克里米吉斯等推测，其中原因可能在于日光层会随太阳活动周期的变化而相应地向外膨胀或向内收缩。

　　但美国马里兰大学的麦克唐纳博士领导的另一个小组得出了与克里米吉斯等人不同的结论。他们称，对“旅行者１号”磁场观测数据的分析显示，该探测器没有抵达过“终止激波”层。

　　美国密歇根大学的菲斯克在同期《自然》上撰文评论说，上述两项研究结论都不能说是确定的，“旅行者１号”未来发回的数据，将有助于回答它是否真的穿过了“终止激波”层。

　　“旅行者１号”于１９７７年９月升空，多年来，与比它早些时候发射的“旅行者２号”联合对太阳系外围行星及其卫星展开了大量有价值的观测。两个探测器上都带有镀金唱盘，记载着地球人用５５种语言对可能遭遇的外星文明发出的问候。１９９８年，“旅行者１号”超越“先驱者１０号”，成为在宇宙中飞行得最远的人类探测器。今年１１月５日，“旅行者１号”与太阳之间的距离达到了９０天文单位，或者说１３５亿公里。