|
上圖展示了藝術(shù)家眼中的塞德娜。它是一個(gè)典型的柯伊伯帶天體。2003年，人們?cè)谮ね跣擒壍劳饷姘l(fā)現(xiàn)了它。外太陽(yáng)系是否還有像塞德娜這樣的大個(gè)頭天體存在呢？天文學(xué)家正在積極搜尋著。（圖片來(lái)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(xué)家發(fā)現(xiàn)天王星的軌道很怪異，好像更遠(yuǎn)處還有一顆行星在拉扯它。尋找這顆看不見(jiàn)的行星導(dǎo)致了1846年海王星的發(fā)現(xiàn)。海王星的軌道運(yùn)動(dòng)同樣透著古怪，結(jié)果導(dǎo)致了1930年冥王星的發(fā)現(xiàn)。 不過(guò)，天文學(xué)家現(xiàn)在認(rèn)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(lái)的觀測(cè)表明，海王星的軌道完全符合預(yù)期，無(wú)需大質(zhì)量擾動(dòng)者的存在。 盡管如此，我們對(duì)外太陽(yáng)系的探索才剛剛開(kāi)始，而且一直持續(xù)至今，新發(fā)現(xiàn)和新謎團(tuán)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(cè)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(gè)天體在冥王星附近運(yùn)動(dòng)。那片區(qū)域叫做柯伊伯帶。它的邊界大致位于48個(gè)天文單位（1天文單位等于日地間距離）處，因?yàn)閺哪抢镩_(kāi)始，天體的數(shù)量便迅速減少了?？乱敛畮窃跆?yáng)星云（孕育太陽(yáng)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(yáng)又十分遙遠(yuǎn)，物質(zhì)無(wú)法坍縮形成行星。事實(shí)上，外太陽(yáng)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(shí)被踢到今天所在的位置上去的。 短周期彗星（軌道半長(zhǎng)軸僅為幾十個(gè)天文單位且軌道傾角很?。┛赡芫褪莿偺映鰜?lái)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(gè)天文單位處截止，但在太陽(yáng)系邊緣還存在著另一個(gè)天體聚集區(qū)，長(zhǎng)周期彗星就來(lái)自于那里。長(zhǎng)周期彗星的軌道半長(zhǎng)軸長(zhǎng)度通?？梢赃_(dá)到幾萬(wàn)個(gè)天文單位。太陽(yáng)系的行星軌道近乎處于同一平面（太陽(yáng)系行星實(shí)際上全部位于黃道面內(nèi)）。與之相反，長(zhǎng)周期彗星的軌道傾角則彼此差異極大。 1950年，荷蘭天文學(xué)家楊·奧爾特第一個(gè)提出外太陽(yáng)系存在一個(gè)長(zhǎng)周期彗星聚集地的說(shuō)法。那個(gè)區(qū)域因此而被命名為奧爾特云。它覆蓋了從太陽(yáng)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(wàn)個(gè)天文單位），可能有大約1萬(wàn)億顆直徑超過(guò)1公里、軌道周期為幾百萬(wàn)年的天體生活在那里。奧爾特云已經(jīng)遠(yuǎn)在日球?qū)又饬?。在日球?qū)痈浇?，太?yáng)風(fēng)的影響力已經(jīng)不敵星際介質(zhì)了。“旅行者”探測(cè)器目前則剛飛到大約120個(gè)天文單位遠(yuǎn)處。
奧爾特云可能與太陽(yáng)系行星同時(shí)形成。在太陽(yáng)系形成過(guò)程中，巨行星所在的區(qū)域里也有不少個(gè)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(guò)，正在長(zhǎng)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(yáng)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(méi)能擺脫太陽(yáng)系的束縛，最終只能在遙遠(yuǎn)的外太陽(yáng)系徘徊。 被拋出去卻又沒(méi)能逃脫太陽(yáng)引力的天體都在橢圓軌道上運(yùn)動(dòng)，或許可以運(yùn)動(dòng)到幾千、甚至幾萬(wàn)個(gè)天文單位遠(yuǎn)處。但是，它們?nèi)匀豢梢赃\(yùn)動(dòng)到距離太陽(yáng)比較近的地方（在其軌道近日點(diǎn)），經(jīng)過(guò)它們?cè)仍惶叱鋈サ哪莻€(gè)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(gè)天文單位），并且還有機(jī)會(huì)與大質(zhì)量行星再次發(fā)生強(qiáng)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(yáng)系。 在幾千至幾萬(wàn)個(gè)天文單位處，在橢圓軌道上運(yùn)動(dòng)的天體松散地聚集在一起，形成奧爾特云。在那里，太陽(yáng)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(pán)面的作用力開(kāi)始占主導(dǎo)地位。這些力類似于潮汐力，能夠把天體的軌道近日點(diǎn)向外拉，使其不致再與木星之類的巨行星碰撞。隨著時(shí)間推移，這些作用力隨機(jī)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(yáng)系，進(jìn)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(zhǎng)周期彗星。 實(shí)際上，由于其它恒星的偶然路過(guò)，內(nèi)太陽(yáng)系可能經(jīng)歷過(guò)彗星雨。不過(guò)，其它恒星跑到距離太陽(yáng)10萬(wàn)個(gè)天文單位以內(nèi)的地方是很罕見(jiàn)的。這類事件大概幾千萬(wàn)年才發(fā)生一次，而且可能僅把彗星的流量提高不過(guò)幾十個(gè)百分點(diǎn)。下一個(gè)從太陽(yáng)附近掠過(guò)的恒星是格利澤710。再過(guò)150萬(wàn)年，它將從距太陽(yáng)7萬(wàn)個(gè)天文單位處路過(guò)?？茖W(xué)家認(rèn)為，恒星交會(huì)促使彗星頻繁撞擊地球，可能導(dǎo)致地球生物滅絕。不過(guò)，恒星交會(huì)引發(fā)的后果是非常難預(yù)測(cè)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(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為，不存在一個(gè)天體，其整個(gè)軌道都在那個(gè)區(qū)域里，因?yàn)槟抢锏你y河系潮汐力還不足以把天體的軌道近日點(diǎn)完全移出太陽(yáng)系的行星區(qū)。 2003年，天文學(xué)家使用美國(guó)帕洛瑪天文臺(tái)1.2米口徑塞繆爾·奧欣望遠(yuǎn)鏡對(duì)北半球幾乎所有的可觀測(cè)天區(qū)進(jìn)行了一次淺度巡天觀測(cè)。在此期間，他們發(fā)現(xiàn)了塞德娜。它的個(gè)頭在1000公里左右，軌道近日點(diǎn)位于76個(gè)天文單位處，軌道半長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為532個(gè)天文單位。它是人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)軌道全部位于那個(gè)區(qū)域的天體。塞德娜是如此的出人意料、不同尋常，天文學(xué)家不得不重新思考太陽(yáng)系的形成了。10年后，雙子星天文臺(tái)的Chad Trujillo和我又發(fā)現(xiàn)了2012 VP113。它的軌道近日點(diǎn)位于80個(gè)天文單位處，比塞德娜的軌道近日點(diǎn)還遠(yuǎn)。令人驚訝的是，它的軌道半長(zhǎng)軸卻比塞德娜的小，只有265個(gè)天文單位。這兩個(gè)天體的軌道都很穩(wěn)定。目前，它們沒(méi)與任何太陽(yáng)系已知天體（包括海王星）有強(qiáng)烈的相互作用。盡管如此，它們擁有極橢圓的軌道這一點(diǎn)說(shuō)明，它們必定曾在某一時(shí)期與某些天體發(fā)生過(guò)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(guò)，它們那極橢圓的軌道說(shuō)明，它們過(guò)去曾經(jīng)與某些天體發(fā)生過(guò)相互作用。（圖片來(lái)源：S&T GREGG DINDERMAN） 一些天文學(xué)家稱它們?yōu)閮?nèi)奧爾特云（簡(jiǎn)稱IOC）天體，因?yàn)樗鼈儾凰聘b遠(yuǎn)的外奧爾特云天體（位于幾千個(gè)天文單位處）那樣容易被銀河系潮汐力擺布。也就是說(shuō)，IOC天體的軌道自古以來(lái)一直保持著穩(wěn)定，因此，它們實(shí)質(zhì)上是保存太陽(yáng)系形成信息的“化石”。 理論學(xué)家提出了好幾種IOC天體形成機(jī)制，但它們無(wú)一例外都要求一個(gè)與今天的太陽(yáng)系完全不同的環(huán)境。其中一個(gè)理論認(rèn)為，一個(gè)被踢出巨行星區(qū)、不得不到處流浪的小行星在向外運(yùn)動(dòng)時(shí)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(jìn)了IOC。這個(gè)小行星可能被完全踢出了太陽(yáng)系大家庭，或是至今仍在外太陽(yáng)系躲藏著。 另一個(gè)理論則認(rèn)為，IOC天體不是在太陽(yáng)系內(nèi)形成的，而是被捕獲來(lái)的。在形成太陽(yáng)的原初星團(tuán)中，如果有其它恒星系統(tǒng)正好位于太陽(yáng)附近，它們踢出來(lái)的天體就有可能被太陽(yáng)俘獲，繼而又被太陽(yáng)拋棄。還有一種與此相關(guān)的理論認(rèn)為，鄰近恒星在飛掠太陽(yáng)時(shí)，可能會(huì)向外拉扯太陽(yáng)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(guò)，這個(gè)理論要求恒星必須從距離太陽(yáng)僅幾百個(gè)天文單位處飛過(guò)。這幾乎是不可能發(fā)生的，而且這勢(shì)必會(huì)破壞外奧爾特云。 當(dāng)前最受歡迎的理論是，IOC天體原本是在太陽(yáng)系內(nèi)形成的，只是因?yàn)槭艿皆醋杂谙低獾囊叮ū冉裉斓南低庾饔昧?qiáng)大多了）才跑到今天的位置上去的。這個(gè)較強(qiáng)的潮汐力擾動(dòng)了太陽(yáng)附近的天體，把它們的軌道近日點(diǎn)移動(dòng)到外太陽(yáng)系。太陽(yáng)脫胎于星團(tuán)之中，附近有不少恒星系統(tǒng)為伴，出現(xiàn)這樣的系外強(qiáng)潮汐力也不足為奇。理論學(xué)家對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)如果太陽(yáng)出生在中等致密程度的星團(tuán)（其核心每立方光年里包含300倍甚至更多太陽(yáng)質(zhì)量），太陽(yáng)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(yáng)曾與許多“兄弟姐妹”一同長(zhǎng)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(yàn)的，因?yàn)樗鼈兘o出的IOC天體軌道分布各不相同。例如，2012 VP113受到的太陽(yáng)束縛力就比塞德娜更強(qiáng)。這意味著，前者需要更大的外部擾動(dòng)才能讓其軌道近日點(diǎn)向外移動(dòng)。如果IOC天體是被俘獲的系外天體，它們的軌道傾角應(yīng)該是各式各樣的，因?yàn)樘祗w的俘獲過(guò)程與天體飛來(lái)的方向并無(wú)緊密關(guān)聯(lián)。如果IOC天體是從內(nèi)太陽(yáng)系被踢出來(lái)的，它們的軌道傾角彼此差異應(yīng)該比較小，反映了它們出生在太陽(yáng)系行星盤(pán)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(shuō)明它們是在太陽(yáng)系內(nèi)形成的。塞德娜顯現(xiàn)出極紅的顏色，這一點(diǎn)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(shuō)明它是在巨行星附近形成的。我們需要更多樣本來(lái)增進(jìn)我們對(duì)IOC天體的理解。
如圖所示，塞德娜和2012 VP113位于廣袤的外太陽(yáng)系。一些天文學(xué)家把那片區(qū)域稱為內(nèi)奧爾特云（簡(jiǎn)稱IOC）?？茖W(xué)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(lái)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(jī)發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)天文學(xué)家把此類相機(jī)安裝到更大口徑的望遠(yuǎn)鏡上時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)了2012 VP113。在智利托洛洛山美洲天文臺(tái)，4米口徑布蘭科望遠(yuǎn)鏡上的暗能量相機(jī)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(dāng)于11個(gè)滿月面積的總和，比之前所有4米甚至更大口徑望遠(yuǎn)鏡上的相機(jī)拍攝的天區(qū)面積大好幾倍。我們繼續(xù)搜尋著遠(yuǎn)方，期望在未來(lái)幾年找到更多IOC天體。但我們僅能觀測(cè)一部分天區(qū)。由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)出資在智利建造的大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡不僅將觀測(cè)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(guò)，我們還要為此等上十年時(shí)間。
上圖展示了智利托洛洛山美洲天文臺(tái)的4米口徑布蘭科望遠(yuǎn)鏡。本文作者和Chad Trujillo使用這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的暗能量相機(jī)拍攝了一組照片，并在照片中發(fā)現(xiàn)了2012 VP113。（圖片來(lái)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(guò)的天區(qū)面積，我們相信IOC內(nèi)存在著大約1千個(gè)直徑超過(guò)1000公里的天體，還有許多個(gè)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(gè)頭可能超過(guò)火星，甚至地球。天體距離我們?cè)竭h(yuǎn)，看上去越暗。因此，外太陽(yáng)系很可能隱藏著不少大個(gè)頭天體。我們看到的是它們表面反射的太陽(yáng)光。太陽(yáng)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(huì)降低16倍。正因如此，只有當(dāng)塞德娜和2012 VP113位于軌道近日點(diǎn)附近時(shí)，我們才能看到它們。除此之外，在大多數(shù)時(shí)候，我們都無(wú)法看到它們。同理，我們也無(wú)法看到那些與火星個(gè)頭差不多、并且在類似軌道上運(yùn)動(dòng)的天體，因?yàn)樗鼈冸x我們太過(guò)遙遠(yuǎn)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(jī)間隔兩小時(shí)拍攝的。他們就是在這些照片里發(fā)現(xiàn)了2012 VP113。（圖片來(lái)源：SCOTT SHEPPARD / CARNEGIE INST. FOR SCIENCE） 太陽(yáng)系內(nèi)可能不會(huì)再有更多的巨行星存在了，否則美國(guó)宇航局的大視場(chǎng)紅外巡天探索者就會(huì)在紅外波段探測(cè)到它們溫暖的大氣。巨行星散發(fā)的熱量要比它從太陽(yáng)那里吸到的熱量多，這是因?yàn)樗鼈冊(cè)谛行切纬蛇^(guò)程中累積下來(lái)的能量還沒(méi)有散盡。個(gè)頭小的行星大氣也少，因此會(huì)非常冰冷，不會(huì)發(fā)出能被探測(cè)到的熱信號(hào)。 我們還找到了外太陽(yáng)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(gè)柯伊伯帶邊緣的天體時(shí)候，我們注意到它們之間的相似點(diǎn)：這12個(gè)天體有相似的近日點(diǎn)幅角。近日點(diǎn)幅角是軌道近日點(diǎn)與黃道面內(nèi)的軌道升交點(diǎn)之間的夾角。近日點(diǎn)幅角為0，意味著天體的軌道近日點(diǎn)在黃道面內(nèi)，90度則說(shuō)明天體在運(yùn)動(dòng)到近日點(diǎn)時(shí)偏離黃道面最遠(yuǎn)。這些遙遠(yuǎn)天體的近日點(diǎn)幅角都不超過(guò)幾十度。這完全出乎我們的意料。我們?cè)詾樗鼈兊慕拯c(diǎn)幅角應(yīng)該是隨機(jī)分布的。一種可能的解釋是，一個(gè)未知的大質(zhì)量天體在操控著它們，使其在有相似近日點(diǎn)幅角的軌道上運(yùn)動(dòng)。那10個(gè)柯伊伯帶邊緣天體的形成過(guò)程可能與塞德娜、2012 VP113相似。不過(guò)，還有一種可能的解釋是，它們?cè)?jīng)與海王星發(fā)生相互作用，因?yàn)樗鼈兊能壍澜拯c(diǎn)比較靠近海王星的勢(shì)力范圍。 我們還不十分清楚這些天體的化學(xué)成分。不過(guò)，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(jī)物。確定它們的化學(xué)成分，探究它們從哪里來(lái)，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(yáng)出生環(huán)境及太陽(yáng)系形成過(guò)程的細(xì)節(jié)信息。為了回答這些問(wèn)題，我們需要找到更多的IOC天體，以便了解它們的物理學(xué)和動(dòng)力學(xué)規(guī)律。搜尋工作至今還在進(jìn)行著。
這張合成照片模擬了大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡工作時(shí)的情景。它將對(duì)暗弱天體，例如內(nèi)奧爾特云天體，進(jìn)行延時(shí)拍攝。（圖片來(lái)源：LSST） |
|
|
