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彗星從何而來?探索奧爾特雲


2017年12月22日21時 今日科學 博科園
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博科園-科學科普彗星進入內太陽系真是一大景觀。它是由氣體、塵埃、岩石和有機物組成的,而且自從45億年前太陽系形成以來,彗星的存在基本沒有變化。時不時地一些引力作用將一顆彗星踢進軌道,使它更接近太陽。

由於輻射的增加,彗星的揮發性氣體和塵埃升華了表面,留下了一個長尾冰。這就是人類如何發現彗星的方法。

2015年2月8日拍攝的彗星C /2014 Q2 Lovejoy,Widefield view的假色圖。圖片版權:Joseph Brimacombe

事實上彗星是由業餘愛好者經常發現的夜空中的物體之一。通過發現一顆彗星,你可以得到它以你的名字命名。當然許多彗星都是以機器人天文台的名字命名的,這只是機器人從事人類工作的另一種方式。

彗星的起源最初是由Gerard Kuiper在1951年提出的,當時他推測太陽系周圍一定有一個巨大的氣體和塵埃盤,在冥王星的軌道之外。這條「柯伊伯帶」包含了數百萬的天體,它們圍繞太陽運行,在彗星的引力作用下力相互碰撞。這些相互作用將柯伊伯帶彗星撞向軌道,使它們靠近太陽,在那裡開始出現特有的尾巴。

天文學家稱這些短周期的彗星為彗星,因為它們相對經常繞太陽運行。彗星被賦予了編號和名稱,天文學家可以計算出彗星何時會接近太陽和再次出現在地球的天空。

哈雷彗星,歐洲Giotto探測器所拍攝,圖片版權:Halley Multicolor Camera Team, Giotto Project, ESA

著名的哈雷彗星就是一個很好的例子,但它的軌道是在1705年由愛德蒙-哈雷(Edmond Halley)計算的。每74到79年哈雷彗星就會在太陽附件划過,然後我們在地球就會看到這個神奇的天體。它上一次通過我們的地區是在1986年,直到2061年才會回來。

長周期的彗星更神秘。這些天體不知從哪裡冒出來,穿過太陽系內部,或撞向太陽,然後又拉回到深空。那麼它們從何而來?荷蘭天文學家Jan Oort計算出即使是在柯伊伯帶之外,也必須有一個更大的冰雲,在5000到100000個天文單位之間(1個天文單位是地球到太陽的距離,所以真的很遙遠)。

在對數尺度上太陽系的布局,包括奧爾特雲。圖片版權:NASA

就像旅行者1號宇宙飛船,它是人類發射的最遠和最快的太空飛行器,但它還需要大約300年才能到達奧爾特雲的邊緣。

天文學家認為,在奧爾特雲的偶然的引力小塊會導致這些長期的彗星墜落到太陽系內部,並使它們罕見地出現。它可能需要一顆像這樣成千上萬甚至數百萬年的彗星來完成環繞太陽的軌道,需要幾十個太空飛行器來進行重複觀察。

看看這張由哈勃太空望遠鏡拍攝的彗星C /2017 K2 PANSTARRS的酷照片。這是一個很好的長周期期彗星的例子,它在太陽系45億年的歷史中第一次訪問太陽系內部。

這是迄今為止發現的最暗淡、最遠的彗星,它第一次出現在土星的軌道之外。彗星周圍的物質雲可能是冰凍的揮發性氣體的升華,如氧氣、氮氣、二氧化碳和一氧化碳。天文學家認為它在4年前開始活躍,現在才發現它。

當它靠近太陽,變暖的時候,它就會變成一顆真正的彗星,當它堅硬的岩石水冰結構開始升華並出現彗星尾巴,應該在2022年接近太陽的時候接近太陽。

這就是為什麼我們還不能探測到奧爾特雲。我們幾乎無法探測到土星軌道外的彗星,更不用說還有幾百次了。

顯然,我們的太陽並不是銀河系中唯一的。這是一場由數千億顆恆星組成的巨大漩渦,在數萬年的時間裡,其他恆星比我們今天看到的要更接近太陽。歐洲航天局(European Space Agency)的蓋亞宇宙飛船(Gaia)最近發布了一份最詳細的恆星位置和運動地圖,給我們提供了一個更好的照片,展示了我們的太陽在哪裡,以及它未來將與之互動。

為了與奧爾特雲相互作用,天文學家已經計算出恆星需要在大約6.5光年的範圍內,才能在引力作用下相互作用,這取決於它的質量。

圖片版權:Credit: ESA / Gaia / DPAC / A. Moitinho & M. Barros, CENTRA – University of Lisbon.

根據蓋亞宇宙飛船收集的數據,天文學家繪製出在未來500萬年左右的時間裡銀河系附近30萬顆恆星的運動。在這些恆星中,97將在距太陽15光年的範圍內,而16顆將會接近於6.5光年。其中最有趣的是Gliese 710。在130萬年的時間裡,它離太陽不到2.5光年,穿過奧爾特雲。

Gliese

710的質量大約是太陽的60%,它的速度大約是恆星掠過太陽系時的一半。這意味著它將會逗留很長一段時間,將彗星推向其質量,並將彗星的陣雨送入太陽系。把觀測的彗星收集起來平均來看,就像一個恆星在每5萬年左右的時間裡經過15光年的距離。這一點很重要,因為彗星撞擊可能是地球上過去滅絕事件的一個原因。通過追蹤我們地區的恆星運動,天文學家可以嘗試將過去的事件與恆星撞擊奧爾特雲的時間相匹配,並預測未來的事件。

我們能到達奧爾特雲並探索它嗎?幾年前有人提議建立一個太空觀測站,以觀察與奧爾特雲一樣遙遠的物體。被稱為Whipple任務,它將在太陽地球L2點軌道運行,並以廣闊的視野觀察天空。它將嘗試在距離更遠的恆星前方一公里處的物體小到一公里的情況下探測過渡事件。從理論上講該任務將能夠發現這些過渡到22000個天文單位或近半光年。

Whipple任務將如何看到一個類地行星。圖片版權:Geoffrey A. Landis

另一個有趣的想法被稱為「聚焦任務」,它包括將一個太空望遠鏡發送到距離太陽550光年遠的地方。在這一點上,望遠鏡可以利用太陽本身的引力作為一個巨大的透鏡,把光線從更遠的物體中聚焦。

實際上需要更遠,在550個天文單位里陽光會淹沒太空望遠鏡可能會看到的任何東西。相反它需要走到距離地球2000多個天文單位的距離,當聚焦到太陽的時候,它就會變成一個愛因斯坦環。

能用這樣的望遠鏡做什麼?如果一個系外行星在太陽的後面,完美的排列,就可以在35光年之外的世界上解決小到1公里的特徵。像這樣的望遠鏡給了我們一個很好的理由去探索和探索奧爾特雲。

蓋亞飛船仍在努力收集數據,天文學家預計將於2018年4月再發射一次大規模的數據。隨著時間的推移,宇宙飛船將繪製出銀河系中10億顆恆星的位置和運動。

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