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宇宙探奇-太阳系的外壳传奇:柯伊伯带和奥尔特云

在繁复的宇宙太空,有一处看起来因相当规则而显出的美丽,让人惊叹天公造物的精致,那就是太阳和它八个个性各异的行星组成的家园,它的里层装点着小行星带的丝边,在外层飘扬着柯伊伯带水晶般的蕾丝,还有更远的外层,那是一片广袤的原野,好像已经感受不到太阳那万能的引力了,只是云雾一样若即若离,那是太阳系真正的边疆:奥尔特云。

今天带大家走进太阳系的内边疆:小行星带及外边疆:柯伊伯带和奥尔特云。

一:小行星带

小行星带为什么称之为太阳系的内边疆呢?因为他的存在隔绝了两个天体类型:类地行星和气态巨行星。小行星带以内是水星、金星、火星、地球类地行星;小行星带以外是木星、土星、天王星、海王星等气态巨行星。那么为什么火星与木星之间会存在一个这么诡异的小行星带呢?

小行星带由原始太阳星云中的一群星子(比行星微小的行星前身)形成。但是,因为木星的重力影响,阻碍了这些星子形成行星,造成许多星子相互碰撞,并形成许多残骸和碎片。小行星带内最大的三颗小行星分别是智神星、婚神星和灶神星,平均直径都超过400 公里;在主带中仅有一颗矮行星—谷神星,直径约为950公里;其余的小行星都较小,有些甚至只有尘埃大小。小行星带的物质非常稀薄,已经有好几艘太空船安全通过而未曾发生意外。

1:发现历史

1766年德国天文学家提丢斯偶然发现一个数列:(n+4)/10,将n=0,3,6,12,……代入,可相当准确地给出各颗大行星与太阳的实际距离。这件事起初未引起人们的注意,后来柏林天文台的台长波德得知后将它发表,乃为天文界所知。在1781年发现天王星之后,进一步证实公式有效,波德于是提出在火星和木星轨道之间也许还有一颗行星。

德国天文学家提丢斯

1801年,西西里和皮亚齐在例行的天文观测中偶然发2.77 AU处有个小天体,即把它命名为谷神星

1802年,天文学家奥伯斯在同一区域内又发现另一小行星,随后命名为智神星

到了1807年,在相同的区域内又增加了第三颗婚神星和第四颗灶神星。由于这些天体的外观类似恒星,威廉·赫歇尔就采用希腊文中的语根aster- (似星的)命名为asteroid,中文则译为小行星。

一直到1845年才发现第五颗小行星义神星。紧接着,新小行星发现的速度急速增加,到了1868年中发现的小行星已经有100颗,而在1891年马克斯·沃夫引进了天文摄影,更加速了小行星的发现。

1923年,小行星的数量是1,000颗,1951年到达10,000颗,1982年更高达100,000颗。现代的小行星巡天系统使用自动化设备使小行星的数量持续增加。

2:形成原因

关于形成的原因,比较普遍的观点是在太阳系形成初期,由于某种原因,在火星与木星之间的这个空挡地带未能积聚形成一颗大行星,结果留下了大批的小行星。

在太阳系最初几百万年的历史中,因吸积过程的碰撞变得黏稠,造成小颗粒逐渐聚集形成更大的丛集,并且使颗粒的大小稳定的持续增加。一旦聚集到足够的质量,所谓的微星便能经由重力吸引邻近的物质。这些星子就能稳定的累积质量成为岩石的行星或巨大的气体行星。在平均速度太高的区域,碰撞会使星子碎裂而抑制质量的累积,阻止了行星大小的天体生成。

小行星带所拥有的质量应该仅是原始小行星带的一小部分,以电脑模拟的结果显示,小行星带原来的质量应该与地球相当。主要是由于重力的扰动,在百万年的形成周期过程中,大部分的物质都被抛出去,残留下来的质量大概只有原来的千分之一。

还有一种理论是爆炸说,是太阳系第十大行星亿万年前的大爆炸分解成了千万颗小行星。这种理论一下子就解决了两个难题:小行星带的产生和为什么没有第十行星。但这种设想最大的缺陷是行星爆炸的原因说不清楚。也有人认为,木星与火星之间的轨道上本来就存在着5-10颗同谷神星大小相似的体积相对较大的小行星。这些行星通过长时间的相互碰撞逐渐解体,越来越小,越分越多,形成了大量的碎片,也就是我们观测到的小行星带。这些解释各有道理,但都不能自圆其说,因而都未形成定论。

或许如果没有这么多意外的话,数亿年前,这里可能存在第二个地球呢?

二:柯伊伯带与奥尔特云

1:柯伊伯带

在距离太阳40~50个天文单位的位置,低倾角的轨道上,过去一直被认为是一片空虚,太阳系的尽头所在。但事实上这里满布着大大小小的冰封物体,热闹无比,就是柯伊伯带。柯伊伯带是太阳系在海王星轨道外黄道面附近、天体密集的中空圆盘状区域。柯伊伯带的假说最初是由爱尔兰裔天文学家艾吉沃斯提出,杰拉德·柯伊伯完善了该观点。

柯伊伯带有时被误认为是太阳系的边界,但太阳系还包括向外延伸两光年之远的奥尔特星云。早在上世纪50年代,柯伊伯和埃吉沃斯就预言:在海王星轨道以外的太阳系边缘地带,充满了微小冰封的物体,它们是原始太阳星云的残留物,也是短周期彗星的来源地。

1992年,人们找到了第一个柯伊伯带天体;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。柯伊伯带上的这些物体是怎么成形的呢?如果按照行星形成的吸积理论来解释,那就是他们在绕日运动的过程中发生碰撞,互相吸引,最后粘附成一个个大小不一的天体,形成的样子。

近代的计算机模拟显示柯伊伯带受到木星和海王星极大的影响,同时也认为即使是天王星或海王星都不是在土星之外的原处形成的,因为只有少许的物质存在于这些地区,因此如此大的天体不太可能在该处形成。换言之,这些行星应该是在离木星较近的地区形成的,但在太阳系早期演化的期间被抛到了外面。

蓝色为可观测到的柯伊伯带星体

20 年前,科学家就已经知道行星的轨道会飘移,特别是天王星与海王星,更是从成形之后就已经逐渐向外移动。天文学家认为,太阳系原始星云有一个过去并不晓得的边界,大概就是现在海王星的位置。在这个范围内,各个行星、卫星、小行星、彗星以及在柯伊伯带上的天体都有足够的质量得以碰撞吸积成形,而在这个范围以外,就是空无一物的太空。当这些大天体成形并逐渐向外移动的时候,柯伊伯带上的天体也被带着往外迁移,然后当海王星碰到太阳系原始星云的边界后,它不得不停下来,因此才会停留在的轨道上。至于这些柯伊伯带上的天体,就在海王星迁移的最后一个阶段,逐渐被甩出去而形成。

2:奥尔特云

彗星从哪里来,这是一个引人入胜的问题,也是一个令人困惑的问题。天文学家在研究彗星来源时,往往要对彗星轨道进行统计分析,看看它们在受大行星引力摄动前的轨道是什么样子,从中来寻找规律。1950年荷兰天文学家奥尔特对41颗长周期彗星的原始轨道进行统计后认为,在冥王星轨道外面存在着一个硕大无比的“冰库”,或者说是一个巨大的“云团”。这个云团一直延伸到离太阳约22亿千米远的地方。太阳系里所有的彗星都来自这个云团,因而人们把它称为彗星云或奥尔特云。

奥尔特认为:长周期彗星椭圆轨道的远日点很多都是在3万-10万天文单位之间,由此得出结论:在离太阳约15万天文单位的太阳系边缘地区,存在着一个被称为“原云”的物质集团,它像一个巨大的包层那样、 彗星就是由其中的物质形成的。原云往往被称为“彗星云”,又因为这个假说最早在20世纪50年代由荷兰天文学家奥尔特提出来的,又被称为“奥尔特云”。奥尔特云就像是彗星的主要“故乡”。

据奥尔特估计,彗星云这个包层中可能存在多达1000亿颗彗星。这真是一个庞大无比的彗星“仓库”啊!其中的每一颗彗星绕太阳一周都得上百万年。它们主要是在附近恒星引力一些彗星受到木星等大行星引力的影响而变为周期彗星。另外的一些彗星可能被抛出太阳系外。

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、距离最远的旅行者1号,也要在300年后才会到达奥尔特云,要穿越它更需要3万年的时间。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号及新视野号)到达奥尔特云的时候也将无法作业。


有可能我们的太阳系是一个类似于“鸡蛋”的结构,我们目光所及之处只是“蛋黄”的一部分,柯伊伯带到奥尔特云是“蛋清”的一部分,那么我们何时才能打破那个蛋壳呢?

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