互动科普

奥尔特云

Paul R. Weissman

太阳系形成过程中剩下来的巨大的彗星群体称为奥尔特云。奥尔特云是太阳系的西伯利亚，即一个巨大而寒冷的边远地区，专门收容那些从太阳系内部帝国中驱逐出去的流放者，相邻彗星之间的距离通常为数千万公里。太阳虽仍然是天空中最亮的恒星，但它的亮度看起来也不过相当于我们在地球

上看到的金星的亮度。

在公元前第四世纪，亚里士多德猜测彗星是在地球大气层高处的发光气体云。然而，在公元一世纪，罗马哲学家Seneca提出，彗星是沿着它们自己的路径穿越天空运行的天体。十五个世纪之后，他的这一猜测得到了证实。天文学家比较了从欧洲的几个不同地点对1577年彗星所作的观测。如果该彗星很近，那么从每一个观测点看去它在天空中相对于背景恒星的位置应稍有不同。但是Brahe未能测出任何差别，因此他的结论是这颗彗星到地球的距离远于月球。

只是在天文学家们开始确定彗星的轨道后，彗星究竟有多远才搞清楚了。1705年，英国天文学家Edmond Halley汇编整理出第一份有24颗彗星的星表。这些观测是相当粗糙的，Halley只能把每颗彗星的轨道拼成大致的抛物线。不过他认为，彗星的轨道可能是一些环绕太阳的非常扁长的椭圆：

“因此它们的数目将是有限的，而且可能不是很多。此外，太阳和恒星之间的空间非常广阔，有足够的地方让彗星运行，因此彗星公转的周期将非常长。”

在某种意义上，Halley对彗星的描述——沿着位于恒星之间的狭长轨道运行的天体——预示了两个半世纪以后奥尔特云的发现。Halley还注意

到1531年、1607年和1682年出现的彗星其轨道非常相似，而且相隔的时间大致为76年。他认为，这些看起来似乎不同的彗星实际上是以固定的周期返回的同一颗彗星。该彗星现在以他的名字命名(即哈雷彗星)，最近一次进入内行星区域的时间是1986年。

从Halley的时代起，天文学家就根据彗星围绕太阳运行所需要的时间把彗星分为两大类(这一时间与彗星到太阳的平均距离直接相关)。长周期彗星，例如最近出现的明亮的百武彗星(Hyakutake)和海尔一波普彗星(Hale—Bopp)，其轨道周期大于200年：短周期彗星的轨道周期则小于200年。在过去10年中，天文学家们又进一步把短周期彗星也分为两类，一类为木系彗星(Jupiter—familycomet)，如恩克彗星(Encke)和坦帕尔2彗星(Tempel2)，它们的

周期小于20年：另一类为中周期彗星，即哈雷型彗星，它们的周期在20年到200年之间。

这些分类虽多少有些任意，但却反映了某些真实的差别。中周期和长周期彗星从四面八方随机地进入行星区域，而木系彗星的轨道所在平面偏离黄道面一一即地球轨道所在的平面——的角度通常不超过40度。(其它行星的轨道也非常接近黄道面。)中周期和长周期彗星似乎来源于奥尔特云，而木系彗星现在则被认为起源于柯伊伯带(Kuiper belt，即海王星以外的一个黄道区域。（参看《科学》1996年9月号上Jane X．Luu和David C．Jewitt所著“Kuiper带”一文。）

冥王星以外的阴间

到二十世纪初，天文学家已收集了足够的长周期彗星轨道资料，可以研究这些轨道的统计分布[参看图6]。这时出现了一个问题。所有的密切轨道中(Osculatingorbit，即彗星在最接近太阳的时候所循的轨道)，约有三分之一的轨道是双曲线。双曲线轨道与椭圆轨道不同，它始于星际空间并最终返回到星际空间，而椭圆轨道则被引力约束于太阳上。双曲线轨道使部分天文学家提出了这样一种设想：彗星是因为与行星相遇而被行星从星际空间俘获来的。

为了考察这一假说是否站得住脚，天体力学研究人员对长周期轨道的彗星沿时间回溯进行外推，或“积分”。他们发现，由于行星遥远的引力作用，密切轨道并不代表彗星的本来轨道。在把行星的作用考虑进去以后——通过在沿时间回溯足够远的区间上进行积分并以太阳系的质心(即太阳与所有

行星的质量中心)而不是以太阳为基准确定轨道的方向——几乎所有的轨道都变成椭圆轨道了。因此，这些彗星是太阳系的成员，而不是星际空间的流浪者。

此外，虽然这些轨道中有三分之二仍然显示出均匀分布的特点，但有整整三分之一的轨道其轨道能量集中在一个狭窄的尖峰内。这种尖峰代表了延伸到极远距离的轨道——远达2万个天文单位(即地球到太阳的距离的2万倍)或更远。这类轨道的周期超过了一百万年。

为什么如此之多的彗星来自如此之远的地方？在本世纪四十年代后期，经荷兰天文学家Adrianus F. van Woerkom证明，均匀的分布可以用行星的摄动来解释，摄动作用把彗星随机地分散到较大和较小的轨道上。但是周期为1百万年的彗星的集中又是怎么一回事呢？

1950年，荷兰天文学家Jan H. Oort(奥尔特)由于在二十年代测定了银河系的转动，当时已经很有名气——开始对这个问题产生了兴趣。他意识到，这个百万年尖峰必定代表了长周期彗星的发源地：一个围绕着行星系统并伸展到距最近恒星的距离一半左右处的巨大球状云团。

Oort证明了这个云团中的彗星受太阳的约束是极为微弱的，以致偶然路过的恒星可以轻易地改变它们的轨道。每一百万年中有十几颗恒星在距太阳1秒差距(206000天文单位)以内的地方经过。这些密近会合足以扰乱彗星的轨道，使它们的倾角变得无规律并导致一些彗星沿着非常扁长的椭圆轨道不断地进人内太阳系。当彗星首次进人太阳系时，行星的引力作用使它们散开，导致一些彗星获得轨道能量而另一些彗星丧失轨道能量。有些彗星完全脱离

了太阳系。其它彗星则返回太阳系并再次被观测到，它们就属于均匀分布的一类彗星。Oort说这个彗星云是“被恒星的摄动轻轻扰动的花园”。

有几颗彗星似乎仍是来自星际空间。然而，这可能是由于在确定彗星轨道时出现了微小误差，因而给人以错觉。此外，当彗星接近太阳时，从它的冰质表面发出的气体和尘埃喷流起着小小的火箭发动机的作用，能够改变彗星的轨道。这些非引力的力可以使彗星的轨道显得象是双曲轨道，而实际上它们却是椭圆轨道。

摇晃而不是移动

如果考虑到Oort当时只有19条精确测量了的长周期彗星轨道可供研究，那么他正确地解释长周期彗星的轨道分布这一成就就更令人佩服了。现在天文学家们掌握了的长周期彗星轨道相当于那时的15倍之多。现在天文学家们知道，第一次进人行星区域的长周期彗星来自平均距离为44000天文单位远的地方。这样的轨道其周期为330万年。

天文学家们还意识到，恒星的摄动并不总是很轻微的。有时一颗恒星会来到距太阳比较近的地方，以致正好穿过奥尔特云，这样它就会强烈扰动在它的运动路径上的彗星轨道。据统计学预测，平均每3600万年有一颗恒星在距太阳1万天文单位的距离经过，而平均每4亿年会有一颗恒星在距太阳3千

天文单位的距离内经过。接近该恒星的运动路径的彗星被抛到星际空间中，而整个奥尔特云中的彗星轨道都将发生相当大的变化。

虽然恒星的密近会合对行星没有直接影响——在太阳系历史上预期的最接近的会合中恒星距太阳为900天文单位——但却可能产生具有极大破坏作用的间接影响。1981年，现洛斯阿拉莫斯国家实验室的Jack G. Hills提出，恒星在太阳附近通过可能使行星遭受一场彗星雨(Shower of comets)，大大增加彗星撞击行星的速率，甚至可能导致地球上的生物大规模灭绝。根据我与Piet Hut(他当时在新泽西州普林斯顿高级研究所)在1985年进行的计算机模拟，在一场彗星雨中彗星经过行星区域的速率可能为正常速率的3百倍，彗星雨的持续时间可达2百万到3百万年。不久前，加利福尼亚理工学院的Kenneth A. Farley及其同事们发现了这种彗星雨的证据。利用稀有的同位素氦3作为地外物质的指示物，他们绘出了行星际尘埃微粒在海洋沉积物中的积累随时间变化的图表，认为尘埃积累的速率反映了穿过行星区域的彗星数量：每颗彗星都沿着其运动路径释放出尘埃。Farley发现，在始新世末期(距今约3600万年)，尘埃积累的速率曾急剧增大，然后在2~3百万年的时间中逐渐降低，恰如彗星雨理论模型预测的那样。始新世后期是和一场中等规模的生物灭绝事件紧密联系的，若干个陨石坑也被确定为属于这个时期。地质学家们还在地球沉积物中发现了其它一些撞击痕迹，例如铱层和微玻璃陨体。

地球现在是否受到彗星雨的威胁呢？值得庆幸的是，其答案是否定的。我与巴塞罗那大学的Joan Garcia Sanchez以及加利福尼亚州帕萨迪纳喷气推进实验室的Robert A. Preston和Dayton L. Jones根据Hipparc08卫星所测得的恒星位置和速度，重新整理出太阳系附近的恒星的运动轨迹。我们发现，有证据表明在过去1百万年中一颗恒星曾在太阳附近经过。恒星下一次在太阳近傍通过将是140万年以后的事了，这一次是一颗名为Gliese的小红矮星，它将在距太阳约7万天文单位的地方穿过奥尔特云外侧。在这一距离上，Gliese710可能使彗星穿越内太阳系的频度增加50%——或许可以说是“洒”下来一些彗星，但肯定尚称不上彗星雨。

现在除了偶尔路过的恒星外，天文学家们还知道奥尔特云也受到另外两种现象的干扰。第一种现象是，由于奥尔特云足够大，因此它能感受到银河系中银盘所产生的潮汐力的作用，并且在较轻程度上也受到银核所产生的潮汐力的作用。这些潮汐作用的产生，是由于太阳和奥尔特云内的彗星到银盘

的中央平面的距离或到银心的距离稍有不同，因而受到的引力也稍有不同。这类潮汐现象有助于把新的长周期彗星送入行星区域。

第二种现象是，正如德国慕尼黑市马克斯·普朗克物理学与天体物理学研究所的Ludwig Biermann在1978年指出的那样，银河系中的巨大分子云可能扰动奥尔特云。这些巨大的冷氢云是恒星和行星系统的诞生地，其质量为太阳质量的10万倍至1百万倍。当太阳系接近一个巨大分子云时，引力摄动将使彗星脱离其轨道，将其弹射到星际空间中。这样的密近会合虽然十分猛烈，但却是很罕见的——大约每3亿年到5亿年才发生一次。1985年，Hut和现普林斯顿大学的Scott D. Tremaine一起证明了：在太阳系的整个历史上，分子云的累积作用同所有偶尔路过太阳附近的恒星的累积作用基本上相同。

内核

现在，研究奥尔特云的科学家们关心的主要有3个问题。其一，奥尔特云的结构是怎样的?1987年，Tremaine和现安大略女王大学的Martin J．Duncan．以及现华盛顿大学的Thomas R. Quinn一起研究了恒星的摄动以及分子云的摄动是如何改变彗星在奥尔特云内的分布。由于这些摄动作用，位于奥尔特云外缘的彗星很快散失掉，有的进入星际空间，有的进入内太阳系。但是在奥尔特云内部可能存在一个密度较大的核心在逐渐补充外部边缘失去的彗星。

Tremaine、Duncan和Quinn也证明了当彗星从奥尔特云进人内太阳系时，它们的轨道倾角通常是不会改变的。这就是现在天文学家们认为Kuiper带——而非奥尔特云——是低倾角木系彗星发源地的主要原因。然而，奥尔特云是高倾角、中等周期彗星——如哈雷彗星和斯威夫特一塔特尔彗星(Swift—Tuttle)——最有可能的发源地。它们可能曾一度是长周期彗星，后来被行星拖人了周期较短的轨道中。

其二，奥尔特云中究竟有多少颗彗星？彗星的数目取决于彗星从奥尔特云逸出到行星际空间的速率有多快。为了解释观测到的长周期彗星的数目，天文学家们现在估计奥尔特云有6万亿颗彗星，使得奥尔特云成了太阳系中最丰富的重要天体。仅有六分之一的彗星在Oort最初描述的外层的动态活动云中：其余的彗星则位于密度较大的核心中。如果对彗星平均质量的最佳估计——约400亿吨——成立，那么现在奥尔特云中彗星的总质量大约相当于地球质量的40倍。

最后一个问题是，奥尔特云的彗星最初来自何方?它们不可能是在其现有位置上形成的，因为这个空间上物质太稀少，不可能聚合成彗星。它们也不可能是起源于星际空间，因为太阳捕获彗星的效率太差。那么唯一的地方就只能是行星系统了。Oort猜测，彗星最初是在太阳系形成期间在小行星带中形成的，被巨大行星抛射出去。但是彗星是冰质天体，实际上就是一些巨大的脏雪球，而小行星带的温度太高，不可能有冰凝结。

在Oort 1950年的论文发表后第二年，芝加哥大学的天文学家Gerard P. Kuiper提出，彗星是在距太阳更远的地方——即在大行星之间的区域一一凝聚而成的。(Kuiper带以他的名字命名，因为他认为某些彗星也形成于最远的行星轨道以外的地方。)彗星大概起源于整个大行星区域，但是以前研究人员提出异议，说靠近木星和土星——质量最大的两颗行星——的彗星将被抛入星际空间中而不是进入奥尔特云中。天王星和海王星的质量较小，不可能轻易地把如此之多的彗星的逃逸轨道上。然而，最近的动力学研究却使人们对上述说法产生了某些怀疑。木星——特别是土星——的确使它们的很大一部分彗星进入奥尔特云。虽然这一比例可能小于天王星和海王星的比例，但是，较大行星的区域中开始时有更多的物质，这样就使较小的比例得到了补偿。

因此，奥尔特云的彗星可能来自范围很广的太阳系空间中，从而其形成温度也属于一个很广的范围上。这一理论可能有助于解释观察到的彗星中组成成份的多样性。事实上，最近我与科罗拉多州博尔德市西南研究所的Harold F. Levison所进行的研究已证明，奥尔特云甚至可能会有来自内行星区域的小行星。这些天体是由岩石而不是冰构成的。它们可能占了整个奥尔特云的天体总数的2%到3%。

上述想法的关键之点在于巨大行星的存在。这些巨大行星把彗星向外猛推：而如果彗星得以重新进入行星区域，巨大行星又会改变它们的轨道。如果其它恒星有巨大行星——正如前几年的观测所显示的那样一一它们可能也有奥尔特云。如果每颗恒星都有自己的奥尔特云。那么当恒星经过太阳附近时，它们的奥尔特云就将穿过我们的奥尔特云。即使如此。彗星间碰撞的情况仍将是极为罕见的，因为彗星之间的平均距离为1天文单位以上。

每颗恒星周围的奥尔特云中可能会有一些彗星逐渐地漏失到星际空间中。如果这些星际彗星从太阳附近通过，那么它们应当很容易辨认，因为它们接近太阳系的速度将比来自我们自己的奥尔特云的彗星的速度高得多。但至今还没有探测到这样的星际彗星，这一事实也属情理之中：由于太阳系在广阔无限的星际空间中只是一个极小的目标，迄今为止天文学家观测到一个星际彗星的可能性至多为50％。

奥尔特云仍然令天文学家们为之着迷。由于碰巧得益于天体力学的帮助，自然界在这一遥远的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宝贵线索。

若干旨在揭开这些奥秘的空间探测项目正处于筹备阶段。定于1999年发射的“星尘号空间探测器（Stardust）将穿过威尔德2彗星(Wild2)的彗发，收集彗星尘埃的样品并将其送回地球进行实验室分析。几年之后，CONTOUR探测器将飞经3颗彗星并比较它们的成份。Deep Space 4／Champollion探测项目将向坦帕尔1彗星(Tempe1)发射一个轨道飞行器和一个着陆装置，同时Rosetta探测项目将对维塔伦彗星(Wirtanen)完成同样的任务。对于彗星的研究，新的一千年将是一个引人入胜的时代。

【刘丽薇 译   邓小莉 校】