奥尔特云(Oort Cloud)是一个包围着
太阳系的假想球形云状天体群。1950年,由荷兰天文学家奥尔特(JanHendrick Oort)提出,并以其名字命名。奥尔特云是由大多数彗星成群集中而成,其距离
太阳最近处在2000至5000天文单位(0.03-0.08光年),最远处在50000天文单位(0.79光年)。
20世纪初,人类已经意识到彗星有两种主要分类,这些彗星的起源尚不清楚,其中长周期彗星最初被认为沿着假定的抛物线轨道运行。1932年,
爱沙尼亚天文学家恩斯特·奥皮克(Ernst Öpik)提出长周期彗星是来自
太阳系的外层边缘的云团。1950年,
荷兰天文学家奥尔特通过对19颗长周期彗星半长径的统计分析,提出了“奥尔特云”假说。20世纪80年代初,研究者开始修正奥尔特的理论。直到1991年,科学家们在奥尔特理论上补充了另外一种观点,根据这种观点,奥尔特星云内层外有一个更大的天体,内环犹如一个水库,源源不断地为外环提供新的彗星。现代的成像技术无法直接观察奥尔特云,但奥尔特云已被认为是补充大多数长周期彗星和哈雷型彗星的来源。
学界认为奥尔特云大约是46亿年前太阳系形成早期的原行星盘残余物质,而胡利奥·昂海尔·费尔南德斯(Julio Ángel Fernández)认为离散盘也有可能是奥尔特云天体的来源。关于奥尔特云的成因主要有潮汐效应、恒星摄动、伴星假说这3种说法。奥尔特云可以分为一个圆盘状的内奥尔特云以及一个球状的外奥尔特云,其中绝大多数天体都是由冰组成,如水、甲烷、乙烷、一氧化碳等。
奥尔特云的外部界限定义了太阳系的宇宙边界,但当今的太空探测器尚未到达奥尔特云区域,有人认为开普勒天文台未来有可能探测奥尔特云中的天体。
定义
奥尔特云是一个包围着
太阳系的假想球形云状天体群。大多数彗星成群集中在离太阳2万至15万天文单位地区形成一个彗星云,叫做“奥尔特云”。
研究历程
研究背景
到了20世纪初,人们已经意识到
彗星有两类主要的分类:短周期彗星(也称为
黄道彗星)和长周期彗星(也称为近似等向性彗星)。黄道彗星的轨道相对较小,与黄道平面接近,并且在距离太阳不远的地方很少被发现,大约在太阳50天文单位(海王星的轨道平均约为30天文单位,177P/巴纳德的近日点约为48天文单位)附近形成柯伊伯悬崖。另一方面,长周期彗星在非常大的轨道上运行,距离太阳数千天文单位,并且是等向分布的。这意味着长周期彗星从天空的每个方向出现,无论是在黄道平面上方还是下方。这些
彗星的起源尚不清楚,许多长周期彗星最初被认为沿着假定的抛物线轨道运行,使它们成为来自星际空间的一次性访客。
早期研究
1907年,阿明·奥托·洛伊施纳(Armin Otto Leuschner)提出,那些被认为具有抛物线轨道的彗星实际上沿着极大的
椭圆轨道运动。经过很长一段时间后,这些彗星将重新进入内
太阳系,而在此期间地球天文学家无法观测到它们。1932年,
爱沙尼亚天文学家恩斯特·奥皮克(Ernst Öpik)提出长周期彗星是来自太阳系的外层边缘的云团。1950年,
荷兰天文学家奥尔特(JanHendrick Oort)指出恩斯特推论有矛盾的地方,即一个
彗星不停地来回太阳系内部与外部,终会被多种因素所摧毁,其生命周期绝不会如太阳系的年龄长。该云团所受的
太阳辐射较弱,非常稳定,存在数百万颗以上的彗星核,可以不停地产生新彗星,去取代被摧毁的彗星。
奥尔特于1950年发表了题为《环绕太阳系的彗星云结构和关于其起源的假说》的长篇论文。他通过对19颗长周期彗星半长径的统计分析,认为它们来自于距
太阳2万天文单位~15万天文单位的空间区域,这一区域称原彗星云区。奥尔特认为,该
彗星云区内约有1900亿颗彗星,但总质量小于地球质量。由于该彗星云区已处于太阳和最近的
恒星之间,恒星的
摄动可以使少量彗星的轨道改变,进入
太阳系内部。当这些彗星与
木星等
大行星相遇时,有一些被摄动而变为较短周期的彗星,而另有一些则可能进入
抛物线或
双曲线轨道而永远离开太阳系。此外,奥尔特还认为彗星云离太阳的距离已与近距恒星相近,但这并不表明彗星来自恒星际空间,因为太阳在恒星际空间运动时该彗星云始终跟随着太阳,它是太阳系的一部分。
奥尔特的
彗星云假说从根本上改变了人们对太阳系尺度的估计,该假说后来广为研究者们所接受,已成为太阳系结构和彗星起源问题的一个重要假说,而彗星云也被人们称为“奥尔特云”。
快速发展
奥尔特的研究建立在对彗星的多年观察之上。彗星出现的时间间隔意味着大多数彗星都有很长的
环形运动轨迹。奥尔特认为彗星源于带
外行星1X1012mi(1mi≈1.609 km)以外的云状区域。该区域非常遥远,
太阳无法将其纳入
太阳系中。
20世纪80年代初,研究者开始修正奥尔特的理论。他们认为奥尔特云漂浮在太阳系边缘,容易受到附近
恒星引力的影响。根据研究者的计算,有时这些力量会将
彗星从奥尔特星云拖至星际空间,使它们更接近太阳。接着,
木星的引力要么将它们推向更小的轨道,要么将它们逐出太阳系。只有5%的彗星曾返回过它们的家园,奥尔特星云中的彗星数量逐渐减少。但这一理论似乎与每年在地球上空观察到的稳定的一系列彗星不一致。为解决这一矛盾,科学家们在1991年提出了另一种观点,即奥尔特云的外围有一个更大的
天体,内环就像一个水库,不断向外环提供新的彗星。
现代研究
在望远镜发明后的4个世纪里,奥尔特星云中只有很小一部分
彗星进入过
太阳系。彗星受到寒冷的高层
宇宙空间的保护,被认为是太阳系形成时早期
星云的残骸。90377号
小行星塞德娜被认为可能是奥尔特星云的天体,其轨道介于76~850个天文单位之间,比预计的轨道接近太阳,有可能来自奥尔特星云内层。如果该推测正确,那么奥尔特云的距离一定比估计的接近太阳,密度也会较高。也有说法指出
太阳形成时原是
星团的一员。此外,
海尔-博普彗星也可能源自奥尔特云。
2010年6月,哈罗德·F·莱维森(Harold F. Levison)等人基于增强的
计算机模拟提出,太阳在形成的星团中“捕获了来自其他
恒星的
彗星”。他们的研究结果表明,奥尔特云的相当大一部分彗星,或许超过90%,来自其他恒星的原行星盘。2020年7月,阿米尔·西拉吉(Amir Siraj)和阿维·洛布(Avi Loeb)发现,太阳在形成的星团中捕获彗星的假设可以解释外奥尔特云与散乱盘
天体观察比率的理论矛盾,并且还可以增加捕获第九行星的可能性。
现代的成像技术无法直接观测奥尔特云,但云层被认为是补充大多数长周期彗星和哈雷型彗星的来源,这些彗星在进入内
太阳系后最终因靠近太阳而被消耗。对于许多半人马和
木星家族
彗星来说,奥尔特云也可能具有相同的功能。
结构与组成
结构
奥尔特云占据了较大空间,其距离
太阳最近处在2000至5000天文单位(0.03—0.08光年),最远处在50000天文单位(0.79光年)。奥尔特云分为两个区域:一个圆盘状的内奥尔特云(2000~20000天文单位)和一个球状的外奥尔特云(20000~200000天文单位),这两个区域都在日球层之外的星际空间中。从
地球到奥尔特云,一束光需要经历一年半时间。
外奥尔特云受
太阳系内部的牵制较弱,是长周期彗星(有可能也是哈雷类彗星)在进入
海王星轨道以内之前的起源地。其可能有数万亿个大于1公里的
天体,以及数十亿个直径为20公里的天体。外层云的总质量未知,但假设哈雷彗星与构成外层奥尔特云的原子核质量相仿,则估计其总质量为3×1025公斤,约等于地球质量的5倍。
内奥尔特云又称希尔斯云,理论模型预测,内奥尔特云所含的彗星核数量比外层多几十甚至几百倍。稀薄的外层会随时间渐渐消失,一些学者认为,内层会不断为外层补充新的
彗星,是奥尔特云在形成后数十亿年仍然存在的原因。截止2023年,尚未公布对内奥尔特云质量的估计。
组成
天文学家们根据对彗星的实质观察推测,奥尔特云中的绝大多数
天体都是由冰组成的,如水、
甲烷、
乙烷、
一氧化碳和
氢氰酸。但1996PW的外观与长周期彗星典型轨道上的
D型小行星一致。它的发现,使一些理论学家猜想,奥尔特云可能还含有1%到2%的
小行星。分析指出,长周期彗星和
木星族彗星的碳和氮
同位素比差异不大,这也表明两类彗星都源自于原
太阳星云。对
奥尔特云彗星颗粒大小的研究以及对属于木星族的
坦普尔1号彗星实施撞击后的研究结果,都支持这一结论。
起源
奥尔特云大约是46亿年前
太阳系形成早期的原行星盘残余物质。学界较为接受的说法是,奥尔特云的物体最初与
太阳距离更近,与形成
行星和小行星的过程相同。形成后,与年轻的
气态巨行星(如木星)之间的强大
引力相互作用将这些物体散射到极为宽阔的椭圆或
抛物线轨道上,随后又被经过的
恒星和巨大
分子云的
摄动调整成长期脱离气态巨行星区域的轨道。
美国航空航天局认为不少甚至是大部分的奥尔特云天体都是从太阳及其邻近
恒星形成时交换的物质产生的,而不是在靠近太阳的地方形成。奥尔特云从
太阳系诞生到现在的演变的模拟表明,奥尔特云的质量在形成后约8亿年达到峰值,因为
吸积和碰撞的速度减慢,消耗开始超过供应。
胡利奥·昂海尔·费尔南德斯(Julio Ángel Fernández)所建立的模型显示,周期彗星的主要来源离散盘,也有可能是不少奥尔特云天体的来源。根据此模型,离散的
天体当中,有一半左右向外移至奥尔特云,而四分之一向内移动到
木星轨道,四分之一被喷射到双曲轨道上。离散盘可能仍在为奥尔特云提供物质。而计算机模型表明,
彗星碎片在形成期间的碰撞所起的作用比之前想象的要大得多。根据此模型,
太阳系形成时彗星碎片之间的碰撞极为频繁,以至大部分彗星在抵达奥尔特云之前就被撞碎了。因此奥尔特云目前的累积质量要小于曾经的估计。云团的估计质量只是喷射物质的50-100个地球质量的一小部分。
与附近
恒星和银河
潮汐的
引力相互作用改变了彗星的轨道,使它们更加圆形化,这解释了外奥尔特云近乎球形的形状。另一方面,内奥尔特云与
太阳的结合更加牢固,因此没有获得球形形状。有研究表明,奥尔特云的形成过程符合太阳系在一个
星团中与200至400颗恒星共同形成的假说。这些早期恒星很可能在奥尔特云的形成过程中发挥了作用,因为星团内部接近的恒星经过数量远高于现在,导致
摄动更为频繁。
成因
潮汐效应
大多数靠近太阳的
彗星似乎是通过银河系的潮汐力对奥尔特云的
引力摄动而达到其当前轨道。正如月球的
潮汐力使
地球的海洋变形,引起潮汐的涨落一样,银河系的潮汐也扭曲了外太阳系
天体的轨道。在
太阳系已探测到的区域,这些效应与太阳的引力相比微不足道,但在太阳引力影响较弱的遥远地区,银河系的
引力场就会有明显的作用。银河系的潮汐力沿着指向银河中心的轴拉伸云,沿着另外两个轴压缩云;这些小的
摄动可以改变奥尔特云中物体的轨道,使它们靠近太阳。银河系潮汐力的影响超越太阳引力之处,称为“潮汐截断半径”。它位于10万至20万天文单位的半径处,这也是奥尔特云外边界线的半径。
有学者猜想,银河潮汐有可能通过增加高远日点微行星的近日点距离,促使奥尔特云的形成。银河系潮汐力的效应较为复杂,且在较大程度上取决于行星系统内各个物体的行为。但它的累积效应影响显著:源自奥尔特云的所有
彗星中,高达90%可能是银河潮汐的结果。对长周期彗星轨道的
统计模型也指出,银河潮汐是彗星轨道移入内
太阳系的主要原因。
恒星摄动
将彗星送入内太阳系的主要触发因素被认为是奥尔特云与附近恒星或巨型
分子云的
引力场之间的相互作用。在
太阳围绕
银心运转的时候,会与其他
恒星系统的距离相对较近。例如,7万年前舒尔茨星(Scholz's star)曾在奥尔特云中穿过,因其低质量和高相对速度,所以影响不大。在未来的1千万年内最有可能靠近并扰动奥尔特云的恒星是格利泽710。此过程有可能将奥尔特云物体散射出
黄道面,这也有可能解释这些
天体的球形分布结构。
伴星假说
1984年,物理学家理查德·A·穆勒 (Richard A. Muller)提出了
涅墨西斯星的假说,即在奥尔特云内的
椭圆轨道上有一颗尚未被发现的
褐矮星或
红矮星正在绕太阳
公转,但并未有证据证明该伴星的存在。而撞击坑
计数等证据则反而降低了其存在的可能性。2002年,天文学家约翰·J·马蒂斯(John J. Matese)也提出了相似的假说,他认为,从奥尔特云某个特定区域进入内
太阳系的
彗星,其观测上的数目不能完全由银河
潮汐和
恒星摄动所解释,更多的彗星从假设的奥尔特云特定区域进入内太阳系,最可能的原因是一个质量相当于
木星的
天体存在于遥远的轨道上。这个假设中的气体巨行星被昵称为“堤喀”。广域红外
中国空间站工程巡天望远镜探测卫星(WISE)任务利用
视差测量全天的恒星距离,有能力证实堤喀的存在。2014年,
美国航空航天局宣布,WISE巡天排除了任何符合其定义的物体。
研究意义
奥尔特云的外部界限定义了太阳系的
宇宙边界。因得益于
天体力学的帮助,自然界在奥尔特云这一彗星库中保存了一批
太阳系形成时的物质样品。通过研究这个彗星库以及冻结在它的冰质成员中的
宇宙化学资料,研究人员们正逐渐获知关于太阳系起源的线索。当前奥尔特云尚无直接的观测证据,其理论仅是假设。但
塞德娜的发现,可能会证实奥尔特云理论。若该理论被证实,那太阳系大行星成长的边疆将因此扩展数亿倍。
未来展望
当今的太空探测器尚未到达奥尔特云区域。在正在离开太阳系的探测器中,速度最快以及距离最远的
旅行者1号探测器,也需要在300年后才会到达奥尔特云。在2014年的发现计划机会公告中,提出了一个探测奥尔特云(和
柯伊伯带)中
天体的天文台,称为“惠普尔任务”。其将使用光度计监测遥远的
恒星,寻找高达10000天文单位之外的凌星现象。这个观测站计划围绕L2
拉格朗日点轨道飞行,拟定为5年任务。还有人认为开普勒天文台有可能探测奥尔特云中的天体。