太陽(yáng)系的邊界在哪里?

2012-07-13 09:03□李鑒

太空探索 2012年2期

□ 李鑒

2011年將近尾聲的時(shí)候，迄今為止人類(lèi)飛得最遠(yuǎn)的空間探測(cè)器——美國(guó)航宇局的“旅行者”1號(hào)探測(cè)器再次帶來(lái)有關(guān)太陽(yáng)系邊疆的最新消息。傳回的信號(hào)表明，它已經(jīng)進(jìn)入了太陽(yáng)系和星際空間的交會(huì)區(qū)——太陽(yáng)風(fēng)層頂（heliopause），在那里，從太陽(yáng)向外流動(dòng)的帶電粒子風(fēng)變得平靜，太陽(yáng)系的磁場(chǎng)發(fā)生堆積，來(lái)自太陽(yáng)系內(nèi)的高能粒子流開(kāi)始向星際空間逃逸?？茖W(xué)家預(yù)計(jì)它將在幾個(gè)月到幾年之內(nèi)穿過(guò)太陽(yáng)系的邊界。

“旅行者”1號(hào)發(fā)射于1977年9月5日，只需要短短的34年時(shí)間，它就能飛出太陽(yáng)系嗎？可能許多人都像我一樣有這個(gè)疑問(wèn)。資料顯示，它目前距離太陽(yáng)大約180億千米，即120天文單位（是冥王星距離的3倍），確實(shí)夠遠(yuǎn)，但這里是否就是太陽(yáng)系的邊界呢？

“旅行者”1號(hào)探測(cè)器

行星之外——不斷擴(kuò)展的邊疆

太陽(yáng)系的邊界位于何方？這在天文學(xué)上算得上是個(gè)冷門(mén)的話(huà)題。對(duì)古人而言答案是顯而易見(jiàn)的，因?yàn)槿庋勰芸吹降淖钸h(yuǎn)的行星是土星，它的位置也就自然而然地被認(rèn)為是邊界之所在。直到1781年3月13日英國(guó)天文學(xué)家威廉·赫歇爾在望遠(yuǎn)鏡的助力下發(fā)現(xiàn)了天王星（把太陽(yáng)系的疆域向外擴(kuò)展了整整一倍），并因此而一舉成名，太陽(yáng)系的邊界問(wèn)題才開(kāi)始變得令人感興趣起來(lái)。眾多天文學(xué)家和愛(ài)好者投身這一領(lǐng)域中，展開(kāi)了大海撈針般的星空大搜捕，希望能找到新的、更遠(yuǎn)的行星，可惜事與愿違，行星沒(méi)有找到，倒是發(fā)現(xiàn)了不少“副產(chǎn)品”：小行星和小行星帶（位于火星和木星軌道之間）。很快這股熱潮就平息了下來(lái)。

太陽(yáng)系示意。按照定義，冥王星已經(jīng)不再是行星，而是被歸類(lèi)為“矮行星”。在它之外尚有大量和它性質(zhì)相近的星體

幾乎同時(shí)，隨著牛頓力學(xué)和數(shù)學(xué)的發(fā)展，天文學(xué)進(jìn)入定量化時(shí)代，天體力學(xué)理論的重要性越來(lái)越凸顯，成為與觀測(cè)幾乎同等重要的研究手段，并于1846年達(dá)到巔峰：英國(guó)天文學(xué)家亞當(dāng)斯和法國(guó)天文學(xué)家勒維耶幾乎同時(shí)在理論上預(yù)言了一顆新行星的存在，并且很快就被觀測(cè)所證實(shí)。這就是距離太陽(yáng)約30天文單位的海王星。這一發(fā)現(xiàn)再次極大地刺激了天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家的興趣。但令人沮喪的是，隨之而來(lái)的眾多計(jì)算、觀測(cè)均以失敗而告終，研究者的熱情再次擱淺。直到近100年后的1930年，美國(guó)洛威爾天文臺(tái)的湯博發(fā)現(xiàn)冥王星，太陽(yáng)系的邊界才被再次擴(kuò)展，直達(dá)40天文單位處。這項(xiàng)工作的任務(wù)是如此艱巨，除了湯博，已經(jīng)很少有天文學(xué)家在觀測(cè)上進(jìn)行搜尋了。湯博又投入了13年的漫長(zhǎng)時(shí)光，搜索范圍超過(guò)了整個(gè)夜空的三分之二，發(fā)現(xiàn)了6個(gè)星團(tuán)、14顆小行星及一顆彗星，但卻沒(méi)能發(fā)現(xiàn)任何冥王星以外的新行星。

冥王星所在之處是否就是太陽(yáng)系的疆界呢？

眾望所歸——柯伊伯帶

既然觀測(cè)上已經(jīng)遭遇瓶頸，天文學(xué)家們只得拿起理論工具對(duì)此進(jìn)行探討。當(dāng)然由于冥王星的發(fā)現(xiàn)已屬巧合，加上觀測(cè)數(shù)據(jù)的缺乏，理論研究已經(jīng)不太可能重演象亞當(dāng)斯與勒維耶那樣的精密計(jì)算了，更多的還是帶一些猜測(cè)性質(zhì)。

當(dāng)時(shí)關(guān)于太陽(yáng)系起源的主流觀點(diǎn)，是認(rèn)為太陽(yáng)系是由一個(gè)星云演化而來(lái)的。這其中行星的形成，是來(lái)自于星云盤(pán)上的物質(zhì)彼此碰撞吸積的過(guò)程。按照這種理論，行星形成過(guò)程的順利與否與星云物質(zhì)的密度有很大的關(guān)系。星云物質(zhì)的密度越低，則引力相互作用越弱，星云盤(pán)上物質(zhì)相互碰撞的幾率越小，從而吸積過(guò)程就越緩慢，行星的形成也就越困難。當(dāng)星云物質(zhì)的密度低到一定程度時(shí)，行星的形成過(guò)程有可能緩慢到在太陽(yáng)系迄今50億年的整個(gè)演化過(guò)程中都無(wú)法完成，而只能造就一些 “半成品”：太陽(yáng)系小天體。

1943年，愛(ài)爾蘭天文學(xué)家埃奇沃斯（Kenneth Edgeworth）指出，海王星以外的情形便是如此。那里的星云物質(zhì)分布過(guò)于稀疏，行星無(wú)法誕生，而只能形成眾多質(zhì)量較小的天體。他預(yù)言人們將會(huì)在海王星之外不斷地發(fā)現(xiàn)小天體，其中一些也可能進(jìn)入內(nèi)太陽(yáng)系，成為彗星。

1951年天文學(xué)家柯伊伯認(rèn)為在太陽(yáng)系的邊緣存在著一些冰凍的小天體

持同一觀點(diǎn)的還有美籍荷蘭裔天文學(xué)家柯伊伯（Gerard Kuiper），不過(guò)基于當(dāng)時(shí)對(duì)冥王星的質(zhì)量的錯(cuò)誤估計(jì)（認(rèn)為其質(zhì)量與地球質(zhì)量相當(dāng)，而事實(shí)上只有地球的0.2%），他認(rèn)為那些曾經(jīng)存在過(guò)的小天體早就已被冥王星的引力作用甩到了更遙遠(yuǎn)的區(qū)域，不會(huì)再存在于距太陽(yáng)30天文單位～50 天文單位的區(qū)域中了。

柯伊伯帶示意圖?？乱敛畮挥诤Ｍ跣擒壍乐?，距離太陽(yáng)約30～55天文單位，是短周期彗星的“大本營(yíng)”。

除了從太陽(yáng)系起源角度所做的分析外，另一些天文學(xué)家根據(jù)對(duì)彗星的研究，也殊途同歸地提出了海王星之外存在大量小天體的假說(shuō)。太陽(yáng)系中的彗星按軌道周期的長(zhǎng)短大致可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是長(zhǎng)周期彗星，它們的軌道周期在兩百年以上，長(zhǎng)的可達(dá)幾千、幾萬(wàn)、甚至幾百萬(wàn)年。另一類(lèi)則是短周期彗星，它們的軌道周期在兩百年以下，短的只有幾年。從理論上講，短周期彗星會(huì)因?yàn)轭l繁地接近太陽(yáng)而被迅速蒸發(fā)掉，而且軌道也會(huì)因反復(fù)受到行星引力的干擾而變得極不穩(wěn)定，多數(shù)難逃撞入太陽(yáng)而被吞沒(méi)的命運(yùn)。所以，在太陽(yáng)系誕生初期形成的短周期彗星，很快就會(huì)被蒸發(fā)或吞噬，就此絕跡。但如今，50億年過(guò)去了，我們卻仍然能觀測(cè)到大量短周期彗星，這又怎么解釋呢？

唯一的可能是太陽(yáng)系中存在一個(gè)短周期彗星的發(fā)源地。1980年，烏拉圭天文學(xué)家費(fèi)爾南德斯（Julio Fernández）提出這個(gè)“彗星基地”就是位于海王星之外的一個(gè)小天體帶。后來(lái)被稱(chēng)為“柯伊伯帶”，目前的主流觀點(diǎn)認(rèn)為它位于距離太陽(yáng)30天文單位～55天文單位處。

到20世紀(jì)80年代，在尋找太陽(yáng)系邊疆的歷程中，理論遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在了觀測(cè)的前列，那時(shí)柯伊伯帶里已知的唯一一個(gè)天體，就是孤零零的冥王星。直到1992年人們發(fā)現(xiàn)另一顆海王星外天體（稱(chēng)為“海外天體”）——1992QB1，才從觀測(cè)上證實(shí)了柯伊伯帶的存在。到2011年底，國(guó)際小行星中心（MPC）公布的海外天體數(shù)目已經(jīng)超過(guò)1800顆，它們的表面大都覆蓋著由甲烷、氨、水等物質(zhì)組成的寒冰。

超鏈接：

離散盤(pán)

柯伊伯帶天體相對(duì)于全部海外天體來(lái)說(shuō)也只是冰山一角。在發(fā)現(xiàn)柯伊伯帶的過(guò)程中，人們也發(fā)現(xiàn)了一些離太陽(yáng)更遠(yuǎn)的天體，那些天體被稱(chēng)為離散盤(pán)天體（scattered disc object），它們的軌道橢率通常很大，軌道傾角的范圍也比柯伊伯帶天體寬得多，它們的遠(yuǎn)日點(diǎn)比柯伊伯帶天體離太陽(yáng)遠(yuǎn)得多，但近日點(diǎn)卻往往延伸到柯伊伯帶，個(gè)別的甚至?xí)騼?nèi)穿越海王星軌道。一般認(rèn)為，離散盤(pán)天體最初也形成于柯伊伯帶之中，后來(lái)是因?yàn)槭艿酵庑行堑囊Ω蓴_而被甩離了原先的軌道。有鑒于此，天文學(xué)家們有時(shí)將離散盤(pán)天體稱(chēng)為離散柯伊伯帶天體（scattered Kuiper belt object）。離散柯伊伯帶天體還包括所謂的半人馬小行星（centaurs），那也是一些軌道橢率很大的小天體，只不過(guò)與離散盤(pán)天體的向外離散恰好相反，它們是向內(nèi)離散的，其軌道通常分布于木星軌道與海王星軌道之間。

異軍突起——奧爾特云

柯伊伯帶擴(kuò)展了太陽(yáng)系的邊界，但無(wú)法解釋長(zhǎng)周期彗星的起源，而它們應(yīng)該比柯伊伯帶更遠(yuǎn)！最早對(duì)此進(jìn)行系統(tǒng)研究的是荷蘭天文學(xué)家?jiàn)W爾特（Jan Oort）。1950年，奧爾特發(fā)現(xiàn)很多長(zhǎng)周期彗星的遠(yuǎn)日點(diǎn)位于距太陽(yáng)50,000天文單位～150,000天文單位（約合0.8光年～2.4光年）的區(qū)域內(nèi)，由此他提出了一個(gè)假設(shè)，即在那里存在一個(gè)長(zhǎng)周期彗星的“大本營(yíng)”，后來(lái)被人們稱(chēng)為“奧爾特云”（Oort Cloud）。這一假設(shè)與將柯伊伯帶視為短周期彗星補(bǔ)充基地的假設(shè)有著異曲同工之妙，但時(shí)間上更早。

據(jù)估計(jì)，奧爾特云中約有幾萬(wàn)億顆直徑在一千米以上的彗星，其總質(zhì)量約為地球質(zhì)量的幾倍到幾十倍。由于數(shù)量眾多，在一些科普示意圖中奧爾特云被畫(huà)得象一個(gè)真正的云團(tuán)一樣，但事實(shí)上，奧爾特云中兩個(gè)相鄰小天體之間的平均距離約有幾千萬(wàn)千米，是太陽(yáng)系中天體分布最為稀疏的區(qū)域之一。

在距太陽(yáng)如此遙遠(yuǎn)的地方為何會(huì)有這樣一個(gè)奧爾特云呢？一些天文學(xué)家認(rèn)為，與離散盤(pán)類(lèi)似，奧爾特云最初是不存在的，如今構(gòu)成奧爾特云的那些小天體最初與行星一樣，形成于距太陽(yáng)近得多的地方，后來(lái)是被外行星的引力作用甩了出去，才形成了奧爾特云。奧爾特云中的小天體由于距太陽(yáng)極其遙遠(yuǎn)，很容易受銀河系引力場(chǎng)的潮汐作用及附近恒星引力場(chǎng)的干擾，那些干擾會(huì)使得其中一部分小天體進(jìn)入內(nèi)太陽(yáng)系，從而成為長(zhǎng)周期彗星。

“奧爾特云”至今依然只是理論學(xué)家的預(yù)言，它距我們過(guò)于遙遠(yuǎn)，而且包含的又大都是小天體，要想從觀測(cè)上證實(shí)它，難度實(shí)在太大。不過(guò)因?yàn)閵W爾特云并不是一個(gè)界限分明的區(qū)域，也有少數(shù)奧爾特云天體的軌道離我們相當(dāng)近，可能被直接觀測(cè)到。2003年，美國(guó)帕洛馬天文臺(tái)的天文學(xué)家布朗（Michael Brown）發(fā)現(xiàn)的“賽德娜”（軌道遠(yuǎn)日點(diǎn)距離約為976天文單位，近日點(diǎn)距離也有76天文單位，直徑約1500千米，曾一度被當(dāng)成第十大行星的候選者），很可能就是內(nèi)奧爾特云的天體。

奧爾特云的大小，至今仍然沒(méi)有定論。今天的很多天文學(xué)家認(rèn)為它的范圍延伸到距太陽(yáng)約50000天文單位的地方，但也有人像奧爾特當(dāng)年一樣，認(rèn)為它延伸得更遠(yuǎn)，直到太陽(yáng)引力控制范圍的最邊緣。這一邊緣大約在距太陽(yáng)100000天文單位～200000天文單位處，在那之外，銀河系引力場(chǎng)的潮汐作用及附近恒星的引力作用將超過(guò)太陽(yáng)的引力。如果那樣的話(huà)，奧爾特云的外邊緣應(yīng)該就是太陽(yáng)系的疆界了。

內(nèi)太陽(yáng)系、柯伊伯帶、奧爾特云的大小示意圖

眼見(jiàn)為實(shí)——太陽(yáng)風(fēng)層頂

旅行者1號(hào)現(xiàn)在的位置離太陽(yáng)只有120天文單位，堪堪穿過(guò)柯伊伯帶，離奧爾特云還有一段遙不可及的距離，為什么新聞報(bào)道中說(shuō)它已經(jīng)抵達(dá)了太陽(yáng)系的邊界呢？原來(lái)，這是從另外一個(gè)角度定義的邊界，學(xué)名叫做“太陽(yáng)風(fēng)層頂”（Heliopause），即太陽(yáng)風(fēng)遭遇到星際介質(zhì)而停滯的邊界，也就是“滯止區(qū)”（stagnation region）。所謂太陽(yáng)風(fēng)就是從太陽(yáng)上吹出來(lái)的高能帶電粒子，由于整個(gè)太陽(yáng)系位于銀河系中，太陽(yáng)系之外被銀河系里的星際介質(zhì)（主要是氫氣和氦氣）所包裹，太陽(yáng)風(fēng)在星際介質(zhì)內(nèi)吹出的氣泡被稱(chēng)為太陽(yáng)圈。在這氣泡的邊界就是太陽(yáng)風(fēng)層頂，它是太陽(yáng)系磁層的磁層頂和銀河系中的等離子氣體交會(huì)的地區(qū)。

從這個(gè)角度上說(shuō)，“旅行者”1號(hào)所到達(dá)的位置，是太陽(yáng)風(fēng)的邊界，并不能簡(jiǎn)單地理解成太陽(yáng)系的邊界。但與呼聲甚高卻遙不可及的“奧爾特云”不同，“太陽(yáng)風(fēng)層頂”是我們實(shí)實(shí)在在觀測(cè)到了的邊界：在過(guò)去的1年中，“旅行者”1號(hào)還探測(cè)到當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)的強(qiáng)度翻了一倍。就像汽車(chē)堵塞在高速公路的出口處一樣，增強(qiáng)的磁場(chǎng)說(shuō)明來(lái)自星際空間向內(nèi)的壓力正在擠壓這一區(qū)域；此外，“旅行者”1號(hào)還探測(cè)了向外運(yùn)動(dòng)的高能粒子，發(fā)現(xiàn)原本數(shù)量幾乎不變的粒子數(shù)出現(xiàn)了下降，說(shuō)明它們逃離太陽(yáng)系、進(jìn)入了星際空間。

柯伊伯帶像個(gè)環(huán)，奧爾特云像個(gè)汽泡

藝術(shù)家筆下的賽德娜和它的衛(wèi)星

“旅行者”1號(hào)現(xiàn)在的位置示意圖。暗綠色區(qū)域即為太陽(yáng)風(fēng)層頂——太陽(yáng)風(fēng)與銀河系星際介質(zhì)的邊界區(qū)。藍(lán)色球形區(qū)域?yàn)椤敖K端激波區(qū)”，即太陽(yáng)風(fēng)粒子與太陽(yáng)系內(nèi)的星際介質(zhì)相互碰撞而減速至聲速以下的臨界區(qū)