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本文已收录于《十万个为什么》第六版《天文》分册 (少年儿童出版社, 2013 年 8 月出版)

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奥尔特云和太阳系的边界

- 《十万个为什么 • 天文卷》词条 -

- 卢昌海 -

为什么说奥尔特云是装满了彗星的 “大仓库”?

在茫茫的宇宙之中, 太阳系是我们的家园, 是我们探索宇宙奥秘的第一站, 也是整个宇宙中我们最熟悉的部分。 如果说在太阳系中还有一个隐秘的部分, 它包含了数以万亿计的天体, 其主体部分却不仅从未被观测到过, 甚至在可预见得到的将来都很难被直接观测到, 这似乎有些令人难以置信。

但这却很可能是事实, 那个隐秘的部分叫做奥尔特云。

有读者也许会问: 既然是隐秘的部分, 我们是怎么知道它存在的呢? 答案是: 依靠推测。 不过, 在推测的背后有一条观测上的线索, 那就是彗星。

科学人

奥尔特 (Jan Oort): 荷兰天文学家, 出生于 1900 年 4 月 28 日。 奥尔特一生最广为人知的工作是 1950 年提出的有关奥尔特云的猜测。 不过, 奥尔特云虽然以他的名字命了名, 类似的猜测其实早在 1932 年就由爱沙尼亚天文学家奥皮克 (Ernst Öpik) 提出过, 而且奥尔特的猜测在一些细节上也并不正确。 奥尔特倾注了更大心力的工作是在射电天文学领域。

奥尔特于 1992 年 11 月 5 日去世, 享年 92 岁。

天文学家们把彗星分为两类: 轨道周期在两百年以下的称为短周期彗星, 轨道周期在两百年以上的称为长周期彗星。 长周期彗星的轨道往往能延伸到离太阳几万甚至十几万天文单位处。 1950 年, 荷兰天文学家奥尔特在对几百颗长周期彗星的轨道进行分析之后, 提出了一个大胆的设想。 他认为在距太阳几万至十几万天文单位处存在大量的小天体, 它们是长周期彗星的源泉, 它们若碰巧进入内太阳系, 就会成为长周期彗星。

由那些小天体构成的就是奥尔特云。 由于那些小天体是长周期彗星的源泉, 因此奥尔特云就像是一个装满彗星的 “大仓库”。

那么, “大仓库” 里究竟有多少小天体呢? 据估计约有几万亿个。 不过, 这个巨大的数字与奥尔特云所占据的广袤空间相比, 仍少得可怜。 如果有航天器穿越它的话, 很可能不会有机会接近任何一个小天体。 远离太阳造成的寒冷和暗淡, 使得奥尔特云的主体部分极难被直接观测到。

但个别奥尔特云天体仍有可能运动到离我们较近的地方, 从而被观测到。 长周期彗星本身就是很好的例子。 已被观测到的某些其它天体也有可能是属于奥尔特云的。 比如 2003 年发现的, 远日点距离九百多天文单位 (比海王星距太阳还远三十多倍) 的赛德娜, 就被认为有可能是属于奥尔特云的。 甚至连很多人肉眼都看到过的天体——哈雷彗星——也被认为有可能曾经是一颗长周期彗星 (即来自奥尔特云), 后来因为巨行星的引力干扰才成为短周期彗星的。

太阳系的边界在哪里?

“太阳系的边界在哪里?” 是一个既值得探索, 也值得回味的问题。 它之成为问题, 本身就是天文学上一次重大观念变革——日心说取代地心说——的结果。 因为只有确立了日心说, 才有太阳系这一称谓, 也才谈得上 “太阳系的边界在哪里?” 这一问题。

如果简单地以 1543 年哥白尼发表《天体运行论》作为日心说被确立的年份, 那么 “太阳系的边界在哪里?” 这一问题最初 238 年的答案, 是在距太阳约 9.6 天文单位 (约 14 亿千米) 的土星。 这一答案在 1781 年被英国天文学家赫歇耳发现的太阳系第七颗行星——天王星——所改变。 那一年, 太阳系的边界被扩展到了距太阳约 19 天文单位 (约 29 亿千米) 处。

天王星被发现后, 天文学家们对它的轨道进行了计算。 出乎意料的是, 计算结果与观测并不吻合。 在排除了其它可能性之后, 天文学家们将这一恼人的现象归结为一颗新行星对天王星的引力干扰。 经过艰辛的计算, 英国天文学家亚当斯和法国天文学家勒维耶先后推算出了新行星的轨道。 1846 年, 柏林天文台的天文学家伽勒和达雷斯特依据勒维耶的推算结果, 成功地发现了太阳系的第八颗行星——海王星, 太阳系的边界由此扩展到了距太阳约 30 天文单位 (约 45 亿千米) 处。

微博士: 探索太阳系边界的观测技术

人类对太阳系边界的探索与观测技术的发展是分不开的。 最早的时候, 人们能借助的只有自己的肉眼。 水星、 金星、 火星、 木星和土星就是用肉眼发现的。 十七世纪初, 人们发明了望远镜, 从而开启了发现更遥远 (从而往往也更暗淡) 天体的大门。 天王星和海王星的发现就借助了望远镜的威力。 再往后, 人们又将照相技术与望远镜结合在一起, 并且发明了像闪视比较仪那样特别适用于搜索运动天体的仪器。 利用这些新兴的观测技术, 人们陆续发现了冥王星、 柯伊伯带天体, 以及某些最内侧的奥尔特云天体。

在那之后又隔了大半个世纪, 1930 年, 美国罗威尔天文台的天文学家汤博发现了一颗比海王星更遥远的太阳系天体——冥王星。 这颗一度被视为太阳系第九大行星, 2006 年才被 “降级” 为矮行星的天体, 将太阳系的边界扩展到了距太阳约 39 天文单位 (约 59 亿千米) 处。 对于如今比较年长的天文爱好者来说, 这很可能是自童年起就烂熟于心的太阳系的边界。

但冥王星的发现并未终结探索太阳系边界的努力。 二十世纪四十年代之后, 几位天文学家先后提出了一个想法, 那就是在象冥王星那样远离太阳的地方, 行星的形成过程会因物质分布过于稀疏而无法进行到底, 其结果是在距太阳约 30-55 天文单位 (约 45-83 亿千米) 处形成一个由 “半成品” 组成的小天体带。 这个小天体带被称为柯伊伯带。 自 1992 年起, 柯伊伯带中的天体开始被陆续发现, 它们的分布范围比原先估计的更广。 柯伊伯带的发现使太阳系的边界又向外扩展了好几倍。

但这仍然不是太阳系的边界。 因为天文学家们普遍猜测, 在距太阳更遥远的地方有可能存在一个长周期彗星的 “大仓库”——奥尔特云, 它的范围有可能延伸到距太阳约 50,000-150,000 天文单位 (75,000-225,000亿千米) 处。 这几乎已经到达了太阳引力控制范围的最边缘, 在那之外即便还有天体, 也不会象普通太阳系天体那样围绕太阳运动, 从而不能再被视为是太阳系的一部分了。 因此, 奥尔特云如果存在, 并具有猜测中的范围的话, 它的外边缘无疑就是太阳系的边界了。 那个边界离太阳是如此遥远, 哪怕一缕阳光要从太阳射到那里, 也得走上两年左右的时间。 如果乘坐时速 350 公里的高速火车的话, 则要花费约 700 万年的漫长时间!

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网友讨论选录

  • 网友: 卢昌海   (发表于 2012-05-19)

    自己坐沙发吧。 这是替新版 (即第六版)《十万个为什么》天文卷撰写的词条——也称为 “和合页”。 我撰写的和合页共有六个, 其中天文卷一个 (即本和合页), 数学卷五个 (原本也要替物理卷撰写的, 可惜当我收到题目列表时, 感兴趣的题目已被其他作者瓜分了), 将陆续在本站发布 (原以为要等图书出版后才能发布, 但有其他作者已在自己博客上发布了, 我也就第一时间 “学坏” 吧)。 六个和合页中, 有四个 (包括本和合页) 的内容已基本包含在我以前写过的文章中, 就不在首页的 “最近更新” 中列出了, 感兴趣的网友可在未来几星期中通过 rss, 或 “全部更新” 页面不定期地察看。

  • 网友: yx_wh   (发表于 2012-05-19)

    我第一次听到奥尔特云是在刘慈欣的《黑暗森林》里头, 章北海研究太空军在奥尔特云范围内的战略, 被别人戏称为 “科幻小说看多了”……

  • 网友: 来自 218.89 的游客   (发表于 2012-05-19)

    那么说太阳的奥尔特云和半人马座 α 的 “奥尔特云” 可能有交集?

  • 网友: 卢昌海   (发表于 2012-05-19)

    “奥尔特云” 的外边缘是一个极模糊的概念 (因为那里的天体密度极低), 其它恒星的 “奥尔特云” (如果有的话) 的范围更是连粗略的估计都还没有。 不过单纯从概念上讲, 两者是否能重叠, 倒是可以留给读者做思考。

  • 网友: 快刀浪子   (发表于 2012-05-20)

    什么是内太阳系?

  • 网友: 卢昌海   (发表于 2012-05-20)

    在这种粗略介绍中的 “内太阳系” 是只取其字面含义, 泛指太阳系中靠近太阳的部分, 不具体指明范围, 就好比描述一个天体 “靠近” 太阳时一般不具体指明靠近到多近。 “内太阳系” 一词也可以专指木星轨道以内的部分。

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