科普文章:柯伊伯带和奥尔特云

天文学家在1781年发现了天王星，1846年发现了海王星，1930年发现了冥王星。

但是冥王星的直径只有2322公里，比月球还小，质量不足以影响海王星的轨道。

随后的观测表明，海王星的轨道完全符合预期，不需要大质量扰动器。

到目前为止，海王星轨道之外还有很多冰冷的天体，我们只探测到了其中的一小部分。

冥王星附近大约有2000个天体在运动。

那个区域被称为柯伊伯带。它的边界大致位于48个天文单位(1个天文单位等于日地距离)，因为此后天体数量迅速减少。

柯伊伯带是原始太阳星云(孕育了太阳系的星云)的遗迹。那个区域很广阔，物质密度很低，离太阳又那么远，物质不可能坍缩形成行星。

事实上，外太阳系很难形成任何天体。甚至天王星和海王星也极有可能不是原位形成的，而是在与木星和土星相互作用时被踢到现在的位置。

短周期彗星(轨道的半长轴只有几十个天文单位，轨道倾角很小)可能是柯伊伯带中刚刚逃逸的天体。

虽然柯伊伯带的主要部分在大约48个天文单位处结束，但在太阳系的边缘还有另一个天体聚集区，长周期彗星来自那里。

长周期彗星轨道的半长轴长度通常可达数万天文单位。太阳系中的行星轨道几乎都在同一平面上(太阳系的行星实际上都在黄道平面上)。

奥尔特云可能与太阳系的行星同时形成。

太阳系形成时期，巨行星所在的区域也有很多天体。大部分都被巨行星吞噬了。

然而，不断增长的行星也抛出了一些天体。

大部分被抛出太阳系，飞入星际空间。

但仍有1%-10%的天体因能量不足而无法摆脱太阳系的束缚，最终只能在遥远的外太阳系徘徊。

被抛出去但未能逃脱太阳引力的天体都在椭圆轨道上运动，可能运动到几千甚至几万个天文单位。

但是，它们仍然可以靠近太阳(在其轨道上的近日点)，并经过被踢出的地方。

所以这些天体的轨道还是部分的。

它位于巨行星区域，有机会再次与大质量行星发生强烈相互作用。

行动的结果要么是最终的碰撞，要么是它们被完全踢出太阳系。

在椭圆轨道上运行的天体松散地聚集在一起，形成奥尔特云。

在那里，太阳的引力已经很弱，但邻近恒星、银河系中心和银河系盘面的力量已经开始占据主导地位。

这些力类似于潮汐力，可以将天体的近日点向外拉，使其不会再次与木星这样的巨行星发生碰撞。

随着时间的推移，这些力随机改变奥尔特云天体的轨道和倾角，导致其中一部分逃离太阳系，进入星际空间。

其他天体被扔回行星附近，成为我们看到的长周期彗星。

事实上，由于其他恒星的偶然经过，内太阳系可能经历过彗星雨。

科学家认为，恒星的会合导致彗星频繁撞击地球，这可能导致地球上的生命灭绝。但是，恒星交会造成的后果是非常难以预测的。

那么，奥尔特云和柯伊伯带之间的区域有哪些天体呢？

天文学家曾经认为没有天体，它的整个轨道都在那个区域，因为那里的银河系潮汐力不足以将天体的轨道近日点完全移出太阳系的行星区域。

2003年，天文学家利用美国帕洛玛天文台1.2米直径的塞缪尔·奥欣望远镜，对北半球几乎所有可观测的天空区域进行了一次浅层巡天。

与此同时，他们找到了塞德娜。它的头部约为1000公里，近日点位于76个天文单位，半长轴为532个天文单位。

它是第一个轨道全部位于该区域的天体。

Sedna是如此出乎意料和不寻常，以至于天文学家不得不重新思考太阳系的形成。

10年后，双子座天文台发现了2012 VP113。它的轨道近日点位于80个天文单位，Viced的轨道近日点很远。

令人惊讶的是，它轨道的半长轴比Viced还要小，只有265个天文单位。

这两个天体的轨道非常稳定。目前，它们与太阳系中任何已知的天体都没有很强的相互作用。

尽管如此，它们具有极椭圆轨道的事实表明，它们一定在某个时候与某些天体发生过碰撞。

一些天文学家称它们为内奥尔特云，因为它们不像更远的外奥尔特云那样容易被银河系的潮汐力操纵。

也就是说，奥尔特云的轨道自古以来就保持稳定，所以本质上是保存了太阳系形成信息的“化石”。

塞德娜是在一次有效的巡天中用最大像素的照相机发现的。

当天文学家在口径更大的望远镜上安装这种相机时，发现了2012 VP113。

直径4米的布兰科望远镜上的暗能量相机可以在智利托洛洛山的美国天文台拍摄到约2.7平方度的区域。

如此大的图像相当于11个满月面积的总和，比之前4米或更大望远镜上所有相机拍摄的天空面积还要大好几倍。

我们继续寻找遥远的地方，并希望在未来几年内找到更多的IOC物体。

天体离我们越远，它看起来就越暗。因此，外太阳系中很可能隐藏着许多大型天体。

我们看到的是它们表面反射的阳光。

太阳光首先到达天体，在天体表面反射，然后到达地球。当天体与我们的距离增加一倍时，其亮度将减少16倍。为此，我们只能在近日点附近看到Sedna和2012 VP113。

而且，大部分时间我们都看不到他们。

同理，我们也看不到那些和火星大小差不多，运行轨道相似的天体，因为它们离我们太远，非常暗淡。

太阳系中可能不会再有大行星了，否则美国国家航空航天局的大视场红外巡天探测器将在红外波段探测到它们温暖的大气层。

巨行星散发的热量比它们从太阳吸收的热量多，因为行星形成过程中积累的能量还没有耗尽。

在柯伊伯带边缘的天体上，我们注意到了它们之间的相似性:这12个天体具有相似的近日点振幅角。

近日点振幅角是轨道近日点与黄道平面上轨道上升交点之间的夹角。近日点的振幅角为0，表示天体的轨道近日点在黄道面内，90度表示天体运行到近日点时偏离黄道面最远。

这些遥远的天体没有一个近日点角度超过几十度。这完全出乎意料。

我们认为它们的近日点角度应该是随机分布的。一种可能的解释是，一个未知的大质量天体在操纵它们以类似近日点振幅的轨道运动。

10柯伊伯带边缘天体的形成过程可能类似于Sedna，2012 VP113。

然而，另一种可能的解释是，它们曾经与海王星相互作用，因为它们的轨道近日点更靠近海王星的势力范围。