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柯伊伯帶外的世界

 米老鼠64 2015-03-24

上圖展示了藝術(shù)家眼中的塞德娜。它是一個典型的柯伊伯帶天體。2003年,人們在冥王星軌道外面發(fā)現(xiàn)了它。外太陽系是否還有像塞德娜這樣的大個頭天體存在呢?天文學家正在積極搜尋著。(圖片來源:NASA / JPL-CALTECH / ROBERT HURT (SSC))

1781年,威廉·赫歇爾發(fā)現(xiàn)天王星。它是第一顆不易被肉眼看到的行星。天文學家發(fā)現(xiàn)天王星的軌道很怪異,好像更遠處還有一顆行星在拉扯它。尋找這顆看不見的行星導致了1846年海王星的發(fā)現(xiàn)。海王星的軌道運動同樣透著古怪,結(jié)果導致了1930年冥王星的發(fā)現(xiàn)。

不過,天文學家現(xiàn)在認為冥王星的直徑只有2322公里,比月球還小,其質(zhì)量也不足以影響海王星的軌道。后來的觀測表明,海王星的軌道完全符合預期,無需大質(zhì)量擾動者的存在。

盡管如此,我們對外太陽系的探索才剛剛開始,而且一直持續(xù)至今,新發(fā)現(xiàn)和新謎團也層出不窮。在海王星軌道的外面還存在著眾多冰狀天體,我們只探測到了其中一小部分而已。我們?nèi)栽谠噲D弄清楚,這些迷你世界是如何跑到它們今天所在的位置上去的。

柯伊伯帶和奧爾特云

大約有2千個天體在冥王星附近運動。那片區(qū)域叫做柯伊伯帶。它的邊界大致位于48個天文單位(1天文單位等于日地間距離)處,因為從那里開始,天體的數(shù)量便迅速減少了。柯伊伯帶是原初太陽星云(孕育太陽系的星云)的遺存物。那一帶幅員遼闊,物質(zhì)密度很低,距離太陽又十分遙遠,物質(zhì)無法坍縮形成行星。事實上,外太陽系很難形成任何天體,就連天王星和海王星都極有可能不是在原地形成,而是在與木星和土星發(fā)生相互作用時被踢到今天所在的位置上去的。

短周期彗星(軌道半長軸僅為幾十個天文單位且軌道傾角很小)可能就是剛逃出來不久的柯伊伯帶天體。雖然柯伊伯帶的主要部分大約在48個天文單位處截止,但在太陽系邊緣還存在著另一個天體聚集區(qū),長周期彗星就來自于那里。長周期彗星的軌道半長軸長度通??梢赃_到幾萬個天文單位。太陽系的行星軌道近乎處于同一平面(太陽系行星實際上全部位于黃道面內(nèi))。與之相反,長周期彗星的軌道傾角則彼此差異極大。

1950年,荷蘭天文學家楊·奧爾特第一個提出外太陽系存在一個長周期彗星聚集地的說法。那個區(qū)域因此而被命名為奧爾特云。它覆蓋了從太陽系到最近的恒星系統(tǒng)——半人馬座阿爾法星的距離的三分之一(大約10萬個天文單位),可能有大約1萬億顆直徑超過1公里、軌道周期為幾百萬年的天體生活在那里。奧爾特云已經(jīng)遠在日球?qū)又饬?。在日球?qū)痈浇?,太陽風的影響力已經(jīng)不敵星際介質(zhì)了?!奥眯姓摺碧綔y器目前則剛飛到大約120個天文單位遠處。


若在此標出奧爾特云相對于塞德娜和2012 VP113軌道的位置,它將延伸到距離圖中圓點(表示太陽)506英寸(12.85米)遠的地方。(圖片來源:S&T GREGG DINDERMAN)

奧爾特云可能與太陽系行星同時形成。在太陽系形成過程中,巨行星所在的區(qū)域里也有不少個頭不算小的天體。它們中的絕大多數(shù)都被巨行星吞并了。不過,正在長大的行星也把其中一些天體甩了出去。其中大部分都被拋到太陽系以外,飛入星際空間了。但仍有1%-10%的天體由于能量不足,沒能擺脫太陽系的束縛,最終只能在遙遠的外太陽系徘徊。

被拋出去卻又沒能逃脫太陽引力的天體都在橢圓軌道上運動,或許可以運動到幾千、甚至幾萬個天文單位遠處。但是,它們?nèi)匀豢梢赃\動到距離太陽比較近的地方(在其軌道近日點),經(jīng)過它們原先曾被踢出去的那個地方。因此,這些天體的軌道仍有一部分位于巨行星區(qū)(5-30個天文單位),并且還有機會與大質(zhì)量行星再次發(fā)生強烈的相互作用。作用的結(jié)果要么是最終發(fā)生撞擊,要么是它們被徹底踢出了太陽系。

在幾千至幾萬個天文單位處,在橢圓軌道上運動的天體松散地聚集在一起,形成奧爾特云。在那里,太陽的引力已經(jīng)衰弱不堪,反倒是鄰近恒星、銀河系中心還有銀河系盤面的作用力開始占主導地位。這些力類似于潮汐力,能夠把天體的軌道近日點向外拉,使其不致再與木星之類的巨行星碰撞。隨著時間推移,這些作用力隨機改變著奧爾特云天體的軌道及其傾角,致使其中一些天體逃出太陽系,進入星際空間;另一些天體則又被拋回到行星附近,成為我們看到的長周期彗星。

實際上,由于其它恒星的偶然路過,內(nèi)太陽系可能經(jīng)歷過彗星雨。不過,其它恒星跑到距離太陽10萬個天文單位以內(nèi)的地方是很罕見的。這類事件大概幾千萬年才發(fā)生一次,而且可能僅把彗星的流量提高不過幾十個百分點。下一個從太陽附近掠過的恒星是格利澤710。再過150萬年,它將從距太陽7萬個天文單位處路過??茖W家認為,恒星交會促使彗星頻繁撞擊地球,可能導致地球生物滅絕。不過,恒星交會引發(fā)的后果是非常難預測的。

內(nèi)奧爾特云

那么,在奧爾特云與柯伊伯帶之間的那片區(qū)域又有什么天體呢?天文學家曾經(jīng)認為,不存在一個天體,其整個軌道都在那個區(qū)域里,因為那里的銀河系潮汐力還不足以把天體的軌道近日點完全移出太陽系的行星區(qū)。

2003年,天文學家使用美國帕洛瑪天文臺1.2米口徑塞繆爾·奧欣望遠鏡對北半球幾乎所有的可觀測天區(qū)進行了一次淺度巡天觀測。在此期間,他們發(fā)現(xiàn)了塞德娜。它的個頭在1000公里左右,軌道近日點位于76個天文單位處,軌道半長軸長度為532個天文單位。它是人類發(fā)現(xiàn)的第一個軌道全部位于那個區(qū)域的天體。塞德娜是如此的出人意料、不同尋常,天文學家不得不重新思考太陽系的形成了。10年后,雙子星天文臺的Chad Trujillo和我又發(fā)現(xiàn)了2012 VP113。它的軌道近日點位于80個天文單位處,比塞德娜的軌道近日點還遠。令人驚訝的是,它的軌道半長軸卻比塞德娜的小,只有265個天文單位。這兩個天體的軌道都很穩(wěn)定。目前,它們沒與任何太陽系已知天體(包括海王星)有強烈的相互作用。盡管如此,它們擁有極橢圓的軌道這一點說明,它們必定曾在某一時期與某些天體發(fā)生過碰撞。

塞德娜和2012 VP113的軌道完全位于海王星軌道的外面。不過,它們那極橢圓的軌道說明,它們過去曾經(jīng)與某些天體發(fā)生過相互作用。(圖片來源:S&T GREGG DINDERMAN)

一些天文學家稱它們?yōu)閮?nèi)奧爾特云(簡稱IOC)天體,因為它們不似更遙遠的外奧爾特云天體(位于幾千個天文單位處)那樣容易被銀河系潮汐力擺布。也就是說,IOC天體的軌道自古以來一直保持著穩(wěn)定,因此,它們實質(zhì)上是保存太陽系形成信息的“化石”。

理論學家提出了好幾種IOC天體形成機制,但它們無一例外都要求一個與今天的太陽系完全不同的環(huán)境。其中一個理論認為,一個被踢出巨行星區(qū)、不得不到處流浪的小行星在向外運動時可能也拽走一些更小的天體,或是把柯伊伯帶內(nèi)天體拉進了IOC。這個小行星可能被完全踢出了太陽系大家庭,或是至今仍在外太陽系躲藏著。

另一個理論則認為,IOC天體不是在太陽系內(nèi)形成的,而是被捕獲來的。在形成太陽的原初星團中,如果有其它恒星系統(tǒng)正好位于太陽附近,它們踢出來的天體就有可能被太陽俘獲,繼而又被太陽拋棄。還有一種與此相關(guān)的理論認為,鄰近恒星在飛掠太陽時,可能會向外拉扯太陽系內(nèi)天體,或者拉散它們(也許兩種情況皆有可能發(fā)生),從而產(chǎn)生我們今天看到的IOC天體。不過,這個理論要求恒星必須從距離太陽僅幾百個天文單位處飛過。這幾乎是不可能發(fā)生的,而且這勢必會破壞外奧爾特云。

當前最受歡迎的理論是,IOC天體原本是在太陽系內(nèi)形成的,只是因為受到源自于系外的引力拉扯(比今天的系外作用力強大多了)才跑到今天的位置上去的。這個較強的潮汐力擾動了太陽附近的天體,把它們的軌道近日點移動到外太陽系。太陽脫胎于星團之中,附近有不少恒星系統(tǒng)為伴,出現(xiàn)這樣的系外強潮汐力也不足為奇。理論學家對這一過程進行模擬,發(fā)現(xiàn)如果太陽出生在中等致密程度的星團(其核心每立方光年里包含300倍甚至更多太陽質(zhì)量),太陽系與其它恒星的相互作用將產(chǎn)生類似塞德娜和2012 VP13這樣的IOC天體。因此,IOC天體的存在暗示了太陽曾與許多“兄弟姐妹”一同長大,只是現(xiàn)如今它們都已分散到銀河系各處去了。

上述這些理論都是可以被檢驗的,因為它們給出的IOC天體軌道分布各不相同。例如,2012 VP113受到的太陽束縛力就比塞德娜更強。這意味著,前者需要更大的外部擾動才能讓其軌道近日點向外移動。如果IOC天體是被俘獲的系外天體,它們的軌道傾角應該是各式各樣的,因為天體的俘獲過程與天體飛來的方向并無緊密關(guān)聯(lián)。如果IOC天體是從內(nèi)太陽系被踢出來的,它們的軌道傾角彼此差異應該比較小,反映了它們出生在太陽系行星盤附近。

塞德娜和2012 VP113的軌道傾角偏小,分別為12度和24度,這說明它們是在太陽系內(nèi)形成的。塞德娜顯現(xiàn)出極紅的顏色,這一點也與已知的典型柯伊伯帶天體類似。2012 VP113則表現(xiàn)出中等的紅色,說明它是在巨行星附近形成的。我們需要更多樣本來增進我們對IOC天體的理解。

如圖所示,塞德娜和2012 VP113位于廣袤的外太陽系。一些天文學家把那片區(qū)域稱為內(nèi)奧爾特云(簡稱IOC)??茖W家懷疑,IOC內(nèi)的天體數(shù)目或許比柯伊伯帶還要多。(圖片來源:S&T GREGG DINDERMAN)

外面還有什么?

塞德娜是在高效巡天中用最大像素的相機發(fā)現(xiàn)的。當天文學家把此類相機安裝到更大口徑的望遠鏡上時,他們發(fā)現(xiàn)了2012 VP113。在智利托洛洛山美洲天文臺,4米口徑布蘭科望遠鏡上的暗能量相機能夠拍攝約2.7平方度的天區(qū)。Chad與我就是用它發(fā)現(xiàn)了2012 VP113。如此大的圖像相當于11個滿月面積的總和,比之前所有4米甚至更大口徑望遠鏡上的相機拍攝的天區(qū)面積大好幾倍。我們繼續(xù)搜尋著遠方,期望在未來幾年找到更多IOC天體。但我們僅能觀測一部分天區(qū)。由美國國家科學基金會出資在智利建造的大型綜合巡天望遠鏡不僅將觀測更大面積的天區(qū),還能看到批量發(fā)現(xiàn)IOC天體所必需的暗弱星等。不過,我們還要為此等上十年時間。

上圖展示了智利托洛洛山美洲天文臺的4米口徑布蘭科望遠鏡。本文作者和Chad Trujillo使用這臺望遠鏡的暗能量相機拍攝了一組照片,并在照片中發(fā)現(xiàn)了2012 VP113。(圖片來源:T. ABBOTT AND NOAO / AURA / NSF)

根據(jù)塞德娜和2012 VP113的發(fā)現(xiàn)情況及至今為止搜索過的天區(qū)面積,我們相信IOC內(nèi)存在著大約1千個直徑超過1000公里的天體,還有許多個頭更小的天體。IOC內(nèi)的天體數(shù)目可能比小行星帶或者柯伊伯帶還要多。有些IOC天體可能比冥王星還大,還有一些個頭可能超過火星,甚至地球。天體距離我們越遠,看上去越暗。因此,外太陽系很可能隱藏著不少大個頭天體。我們看到的是它們表面反射的太陽光。太陽光首先傳到天體面前,經(jīng)天體表面反射,再傳到地球。天體與我們之間的距離增加2倍,它的亮度便會降低16倍。正因如此,只有當塞德娜和2012 VP113位于軌道近日點附近時,我們才能看到它們。除此之外,在大多數(shù)時候,我們都無法看到它們。同理,我們也無法看到那些與火星個頭差不多、并且在類似軌道上運動的天體,因為它們離我們太過遙遠而十分暗弱。

2012年11月5日,本文作者與Chad Trujillo一起發(fā)現(xiàn)了內(nèi)奧爾特云天體2012 VP113。上面這組照片由智利托洛洛山上的暗能量相機間隔兩小時拍攝的。他們就是在這些照片里發(fā)現(xiàn)了2012 VP113。(圖片來源:SCOTT SHEPPARD / CARNEGIE INST. FOR SCIENCE)

太陽系內(nèi)可能不會再有更多的巨行星存在了,否則美國宇航局的大視場紅外巡天探索者就會在紅外波段探測到它們溫暖的大氣。巨行星散發(fā)的熱量要比它從太陽那里吸到的熱量多,這是因為它們在行星形成過程中累積下來的能量還沒有散盡。個頭小的行星大氣也少,因此會非常冰冷,不會發(fā)出能被探測到的熱信號。

我們還找到了外太陽系存在大天體的間接證據(jù)。Trujillo和我在研究塞德娜、2012 VP113、以及另外10個柯伊伯帶邊緣的天體時候,我們注意到它們之間的相似點:這12個天體有相似的近日點幅角。近日點幅角是軌道近日點與黃道面內(nèi)的軌道升交點之間的夾角。近日點幅角為0,意味著天體的軌道近日點在黃道面內(nèi),90度則說明天體在運動到近日點時偏離黃道面最遠。這些遙遠天體的近日點幅角都不超過幾十度。這完全出乎我們的意料。我們原以為它們的近日點幅角應該是隨機分布的。一種可能的解釋是,一個未知的大質(zhì)量天體在操控著它們,使其在有相似近日點幅角的軌道上運動。那10個柯伊伯帶邊緣天體的形成過程可能與塞德娜、2012 VP113相似。不過,還有一種可能的解釋是,它們曾經(jīng)與海王星發(fā)生相互作用,因為它們的軌道近日點比較靠近海王星的勢力范圍。

我們還不十分清楚這些天體的化學成分。不過,塞德娜的表面似乎有甲烷冰存在。IOC天體可能是冰球體——形成行星的原料之一,為地球及其它地方的生命提供所需的揮發(fā)物質(zhì)和有機物。確定它們的化學成分,探究它們從哪里來,又是怎樣跑到現(xiàn)在的位置上去的,將告訴我們有關(guān)太陽出生環(huán)境及太陽系形成過程的細節(jié)信息。為了回答這些問題,我們需要找到更多的IOC天體,以便了解它們的物理學和動力學規(guī)律。搜尋工作至今還在進行著。

這張合成照片模擬了大型綜合巡天望遠鏡工作時的情景。它將對暗弱天體,例如內(nèi)奧爾特云天體,進行延時拍攝。(圖片來源:LSST)

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