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太阳系边疆的柯伊伯带与奥尔特云

时间:2018-04-13 12:18:59 浏览量:
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科学家在太阳系边疆发现了一个又一个令人吃惊的天体,当人们对它们是不是太阳系的行星喋喋不休地争论时,是否曾想过:那一个又一个的天体是怎么冒出来的呢?那晦暗阴冷的遥远地带又发生了什么呢?现在,科学家正在用他们的智慧在那遥远的边疆进行艰难的跋涉。

太阳系边疆的柯伊伯带与奥尔特云太阳系边疆的柯伊伯带与奥尔特云

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,那就是太阳和它九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

彗星谜案牵出隐藏角落

长久以来,来去匆匆、形态奇特的彗星一直是太阳系的一个谜案,著名的哈雷彗星以76年左右的周期绕日公转,它的直径最大处只有十多公里,每次接近太阳时都要被蒸发而损失大量质量。我们相信,数千年后哈雷彗星将在太阳附近消失。彗星是太阳系的早期产物,太阳诞生后几十亿年都已经过去了,那些几十甚至几百年公转一周的彗星应该早已被蒸发而消失殆尽,但是几千年来,人类依然在不停地发现彗星来访内层太阳系的芳踪。这些彗星从哪儿来呢?这真是一个谜。

1951年,美国天文学家柯伊伯提出了这样的解释:在距离太阳30天文单位(海王星离太阳30天文单位)到100天文单位之间,有许多围绕太阳运行的尘埃冰冻体,这些物体的轨道面与行星相似。但偶尔有些物体受到外行星或者恒星的引力扰动,脱离原来轨道而飞向太阳,并在越过内层海王星的轨道时,进一步受海王星重力的影响,成为进入到太阳系内层的彗星。30到100天文单位之间的地带就是这些公转周期较短的彗星的故乡,它源源不断地送出了它的游子。从此这一区域就被称为柯伊伯带,冥王星的扁而倾斜的轨道也插入了这一地带。

这是关于公转周期较短彗星的一个完美的解释,可惜除了冥王星,很久以来,人们在这个假想的柯伊伯带中再也没有观察到任何天体,冥王星似乎是太阳势力的尽头了。

直到1992年,两个不相信外层太阳系完全为空的美国天文学家犹维特和鲁乌,终于发现了第一个柯伊伯带天体(KBO)——1992 QB1。1992 QB1的直径只有200公里左右,距太阳的平均距离为43个天文单位,其公转周期为291年。

边疆地带热闹非凡

1992QBl的发现鼓舞了热衷于寻找太阳系新行星的天文学家们,柯伊伯带从假想地带成为现实,成为世界各地天文望远镜纷纷聚焦的地方。自1992年至2002年10月为止,陆续又发现了600多个柯伊伯带天体,它们的直径从50到1200公里不等,其中最大的是于2002年发现并被称为夸欧尔的柯伊伯带天体,但直径(1250公里)也只有冥王星(直径2400公里)的一半多一点。根据天文学家的统计,距离太阳30到50个天文单位的柯伊伯带中直径超过100公里的柯伊伯带天体可能会达到10万个。如果把它们的质量都加在—起,可以组成一个为地球质量十分之一的大行星,人们因此依然期待有一个更大的柯伊伯带天体能被他们的望远镜抓住。

期待没有落空。今年2月20日,美国加州MT学院和耶鲁大学的行星科学家们发现了一颗新的柯伊伯带天体,暂命名为2004 DW。经计算,它离地球约70亿公里(50天文单位),直径为1400到1600公里,比2002年末发现的夸欧尔还大数百公里,从而成为天文史册上新的柯伊伯带天体冠军。

这个刚刚产生的柯伊伯带天体冠军的记录在不到一个月后的3月15日被改写了。美国国家航空航天局宣布,他们发现了一个更大的柯伊伯带天体,它的外表看起来比火星还要红,这个新天体被命名为“塞德娜”。塞德娜直径约为2000公里,可能由冰和岩石组成,比冥王星略小。这是发现冥王星后的74年以来在太阳系发现的最大物体。

塞德娜具有非常扁而水平的椭圆形运行轨道,是迄今发现最典型的柯伊伯带天体,绕太阳一圈需10500年左右,上一次塞德娜回归时,地球上正经历着最后一次冰河时期,而待塞德娜下一次回归之际,地球面貌不知已作何种改变!由于距离太阳太过遥远(约130亿公里,90天文单位),塞德娜的温度终年不会高于零下200℃。发现者美国加州理工学院天文学家布朗指出,假若站在遥远的塞德娜的山头上眺望太阳,太阳再也不是像照耀地球的硕硕金轮,而是非常渺小,只需一枚大头针就能把它完全遮住。布朗的研究小组已掌握间接证据,显示塞德娜可能还有个小卫星在环绕着它。

柯伊伯带天体的成员

随着愈来愈多柯伊伯带天体被发现,天文学家开始着手分析这些天体的特性了。

柯伊伯带天体分为两类:经典的和散布性的。大多数柯伊伯带天体都属于经典的,其外部边界大约在距太阳50天文单位处。经典柯伊伯带天体没有受到其它星体的碰撞与扰动,完全是太阳系冷却气云盘自发冷凝的结果,所以其运行轨道偏心率较小而近圆形。另外它们的轨道倾斜度非常大,最大可以倾斜30度以上。倾斜17度的冥王星,实际上经常被看作经典柯伊伯带天体。现在主要有两个假说来解释它们倾斜的原因:一是所谓内部动摇假说,推测在太阳系早期,有一定数量的大块头小行星被海王星弹射进柯伊伯带,从而使经典柯伊伯带天体轨道发生倾斜;二是所谓外部动摇假说,推测在柯伊伯带外有一个“路过的”恒星产生了引力扰动,使经典柯伊伯带天体轨道发生了倾斜,这个假说很好地解释了为什么经典柯伊伯带天体的运行范围如刀切一般地整齐。

与经典柯伊伯带天体完全不同的是,另外一些柯伊伯带天体具有偏心率极大、而且轨道跨度范围极大的特征。它们在近日点可以来到离太阳35天文单位的地方,比冥王星还近,在远日点则可以远到数百天文单位以外,人类根本无法见到其踪迹,例如1999 CFll9,远日点在200天文单位处。它们被称为散布性柯伊伯带天体。我们熟知的哈雷彗星就是这种散布性柯伊伯带天体。

散布性柯伊伯带天体是怎么形成的呢?有科学家认为,它们实际上是一些在太阳系早期被弹射出去的小行星。当星体被附近前方一个大行星吸引而加速直线运动后,它会逃脱太阳的束缚而向外层太空跑去。靠近海王星的柯伊伯带天体就这样常常在数百万年的时间中被多次弹射而跑出太阳系。但是一般散布性柯伊伯带天体的远日轨道不会超出100天文单位的太空,因为它们还受到来自银河与恒星的潮汐力的束缚,最终在一个较为固定的狭小区域里运行着。散布性柯伊伯带天体的总质量在柯伊伯带中只占据4%左右,当然也有可能它们常常跑得很远而使科学家对其总量的估计偏少了。

柯伊伯带中的“二人转”

最近天文学家们发现,有1%以上的柯伊伯带天体都成双成对地相互围绕转动,形成所谓的双星二元体。地面观测者和哈勃望远镜已经观测到了七个这样的双星。我们最熟悉的冥王星和它的卫星卡戎星,就是这样的一对双星。一般卫星的直径只有行星的百分之几,质量不超过2%,月球与地球质量的比值只有0.012。而冥卫一——卡戎星和冥王星的质量比达到了10%左右,它们实际上是一对“姐妹”双星,二者构成的系统中心已经落在了冥王星之外。换句话说,卡戎星和冥王星是以二者之间的一点为中心彼此互绕!

质量只有冥王星双星体万分之二的柯伊伯带双星体1998WW31,更是清晰地在人们的视线中像跳华尔兹一样运动着。它们所行走的轨道是所有双星中最为古怪的,在这场“华尔兹舞蹈”中,它们相互靠近时距离只有4000千米,而远离时达到4万千米。这样的“旅行”方式让人无法推测它们的起温是天生就这样的,还是因为碰撞而走到一起,还是一个大天体一裂为二的结果?还是以上所有原因的综合?不管怎么样,它们是一种太阳系的谜。但是正是通过对它们的独特的“华尔兹舞步”的剖析,天文学家们才能够估计出这些遥远天体的质量,根据它们相互遮挡的作用,才能估计出它们的体积,进而得到物质的密度和可能的组成成分。

柯伊伯带双星系统的共同特点是:两个小天体大小相似,互相围绕着运动?但距离非常遥远,通常是较大天体半径的数十倍,甚至数千倍之多。它们与火星和木星之间的小行星带的“双星”系统不同,科学家认为小行星带的“双星”是由天体之间撞击、裂解、残骸重新积聚形成的,而柯伊伯带中的双星系统太多,两天体间距也普遍太远,很难用撞击作用来解释。近年美国加州理工学院的科学家提出,这些双星系统应当是引力将两个原本不相关的天体约束在一起而形成的。随着更多柯伊伯带天体被发现,这个假说可以得到更严格的检验。

柯伊伯带双星体的运动也许会透露太阳系与行星系统的起源与演化之谜最后的答案。现在我们依然观察到柯伊伯带天体通过碰撞而不停补给着太阳附近的尘埃带,更大的行星通过俘获这些尘埃而“成长”。在早期太阳系,大量的小行星可能就是以柯伊伯带双星体的运动方式靠近、拥挤、最终融合成一个大行星而开始稳定地围绕太阳公转。

那更遥远的世界—奥尔特云

今天,人类的视线一层层向外穿越太阳系,看见了太阳哺养的九大行星,看到了为九大行星添砖加瓦的“工厂”柯伊伯带,而保持原始太阳系神秘的奥尔特云也渐渐展现在人类的眼中。一个完整的太阳系神话,就静静地潜藏在那片因规则而显出美丽的太空中。

太阳系的家族史是离不开彗星的。彗星似乎都行踪不定,人在一生中很少能看到同一颗彗星两次接近太阳,它们有的一去数百年,有的甚至数万年。现在天文学上一般将彗星分成长周期彗星(回归周期大于200年)与短周期彗星(回归周期少于200年)。根据柯伊伯的理论,短周期彗星的故乡是柯伊伯带,那么,长周期彗星来自哪儿呢?1950年,荷兰天文学家简•奥尔特提出,在距离太阳1000到50000天文单位之间的球壳状地带(把柯伊伯带以内的太阳系比做蛋黄的话,那里好像是鸡蛋中的蛋清层),有数以万亿计的彗星存在,这些彗星是太阳系形成时的残留物,这一广袤的地区就叫奥尔特云。在引力的海洋里面,“路过”的星体产生引力扰动,使奥尔特云中的彗星受到影响,或彼此间碰撞,最终离开了原来的轨道进入内层太阳系。它们离太阳太远了,引力又小,蹒跚地绕太阳一周动辄数万年。这就是长周期彗星的来历。

奥尔特云是彗星更遥远的故乡,它可能含有多达近万亿颗彗星,这些彗星的运转轨道杂乱无章,并非都在行星轨道的平面里。这里更冷,温度从不超过零下240℃,更容易让冰晶天体融汇成长,当然有理由“培养”出更大的行星。塞德娜长达10500年的长周期,它满含尘埃与冰晶的容貌,使人们相信它的第一故乡更可能是奥尔特云。

虽然到目前为止,奥尔特云理论仅是假设,尚无直接的观测证据,但塞德娜的来访就如1992 QBl证实柯伊伯带一样,也将证实一个重大假设。寻找太阳系大行星成长的边疆将因此数亿倍地扩展。

编辑:时雨
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