太陽系的邊界在哪里?

□ 李 鑒

2011年將近尾聲的時候，迄今為止人類飛得最遠的空間探測器——美國航宇局的“旅行者”1號探測器再次帶來有關太陽系邊疆的最新消息。傳回的信號表明，它已經進入了太陽系和星際空間的交會區——太陽風層頂（heliopause），在那里，從太陽向外流動的帶電粒子風變得平靜，太陽系的磁場發生堆積，來自太陽系內的高能粒子流開始向星際空間逃逸?？茖W家預計它將在幾個月到幾年之內穿過太陽系的邊界。

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

“旅行者”1號探測器

行星之外——不斷擴展的邊疆

太陽系的邊界位于何方？這在天文學上算得上是個冷門的話題。對古人而言答案是顯而易見的，因為肉眼能看到的最遠的行星是土星，它的位置也就自然而然地被認為是邊界之所在。直到1781年3月13日英國天文學家威廉·赫歇爾在望遠鏡的助力下發現了天王星（把太陽系的疆域向外擴展了整整一倍），并因此而一舉成名，太陽系的邊界問題才開始變得令人感興趣起來。眾多天文學家和愛好者投身這一領域中，展開了大海撈針般的星空大搜捕，希望能找到新的、更遠的行星，可惜事與愿違，行星沒有找到，倒是發現了不少“副產品”：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。

太陽系示意。按照定義，冥王星已經不再是行星，而是被歸類為“矮行星”。在它之外尚有大量和它性質相近的星體

幾乎同時，隨著牛頓力學和數學的發展，天文學進入定量化時代，天體力學理論的重要性越來越凸顯，成為與觀測幾乎同等重要的研究手段，并于1846年達到巔峰：英國天文學家亞當斯和法國天文學家勒維耶幾乎同時在理論上預言了一顆新行星的存在，并且很快就被觀測所證實。這就是距離太陽約30天文單位的海王星。這一發現再次極大地刺激了天文學家和數學家的興趣。但令人沮喪的是，隨之而來的眾多計算、觀測均以失敗而告終，研究者的熱情再次擱淺。直到近100年后的1930年，美國洛威爾天文臺的湯博發現冥王星，太陽系的邊界才被再次擴展，直達40天文單位處。這項工作的任務是如此艱巨，除了湯博，已經很少有天文學家在觀測上進行搜尋了。湯博又投入了13年的漫長時光，搜索范圍超過了整個夜空的三分之二，發現了6個星團、14顆小行星及一顆彗星，但卻沒能發現任何冥王星以外的新行星。

冥王星所在之處是否就是太陽系的疆界呢？

眾望所歸——柯伊伯帶

既然觀測上已經遭遇瓶頸，天文學家們只得拿起理論工具對此進行探討。當然由于冥王星的發現已屬巧合，加上觀測數據的缺乏，理論研究已經不太可能重演象亞當斯與勒維耶那樣的精密計算了，更多的還是帶一些猜測性質。

當時關于太陽系起源的主流觀點，是認為太陽系是由一個星云演化而來的。這其中行星的形成，是來自于星云盤上的物質彼此碰撞吸積的過程。按照這種理論，行星形成過程的順利與否與星云物質的密度有很大的關系。星云物質的密度越低，則引力相互作用越弱，星云盤上物質相互碰撞的幾率越小，從而吸積過程就越緩慢，行星的形成也就越困難。當星云物質的密度低到一定程度時，行星的形成過程有可能緩慢到在太陽系迄今50億年的整個演化過程中都無法完成，而只能造就一些 “半成品”：太陽系小天體。

1943年，愛爾蘭天文學家埃奇沃斯（Kenneth Edgeworth）指出，海王星以外的情形便是如此。那里的星云物質分布過于稀疏，行星無法誕生，而只能形成眾多質量較小的天體。他預言人們將會在海王星之外不斷地發現小天體，其中一些也可能進入內太陽系，成為彗星。

1951年天文學家柯伊伯認為在太陽系的邊緣存在著一些冰凍的小天體

持同一觀點的還有美籍荷蘭裔天文學家柯伊伯（Gerard Kuiper），不過基于當時對冥王星的質量的錯誤估計（認為其質量與地球質量相當，而事實上只有地球的0.2%），他認為那些曾經存在過的小天體早就已被冥王星的引力作用甩到了更遙遠的區域，不會再存在于距太陽30天文單位～50 天文單位的區域中了。

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

除了從太陽系起源角度所做的分析外，另一些天文學家根據對彗星的研究，也殊途同歸地提出了海王星之外存在大量小天體的假說。太陽系中的彗星按軌道周期的長短大致可分為兩類：一類是長周期彗星，它們的軌道周期在兩百年以上，長的可達幾千、幾萬、甚至幾百萬年。另一類則是短周期彗星，它們的軌道周期在兩百年以下，短的只有幾年。從理論上講，短周期彗星會因為頻繁地接近太陽而被迅速蒸發掉，而且軌道也會因反復受到行星引力的干擾而變得極不穩定，多數難逃撞入太陽而被吞沒的命運。所以，在太陽系誕生初期形成的短周期彗星，很快就會被蒸發或吞噬，就此絕跡。但如今，50億年過去了，我們卻仍然能觀測到大量短周期彗星，這又怎么解釋呢？

唯一的可能是太陽系中存在一個短周期彗星的發源地。1980年，烏拉圭天文學家費爾南德斯（Julio Fernández）提出這個“彗星基地”就是位于海王星之外的一個小天體帶。后來被稱為“柯伊伯帶”，目前的主流觀點認為它位于距離太陽30天文單位～55天文單位處。

到20世紀80年代，在尋找太陽系邊疆的歷程中，理論遠遠走在了觀測的前列，那時柯伊伯帶里已知的唯一一個天體，就是孤零零的冥王星。直到1992年人們發現另一顆海王星外天體（稱為“海外天體”）——1992QB1，才從觀測上證實了柯伊伯帶的存在。到2011年底，國際小行星中心（MPC）公布的海外天體數目已經超過1800顆，它們的表面大都覆蓋著由甲烷、氨、水等物質組成的寒冰。

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離散盤

柯伊伯帶天體相對于全部海外天體來說也只是冰山一角。在發現柯伊伯帶的過程中，人們也發現了一些離太陽更遠的天體，那些天體被稱為離散盤天體（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，它們的遠日點比柯伊伯帶天體離太陽遠得多，但近日點卻往往延伸到柯伊伯帶，個別的甚至會向內穿越海王星軌道。一般認為，離散盤天體最初也形成于柯伊伯帶之中，后來是因為受到外行星的引力干擾而被甩離了原先的軌道。有鑒于此，天文學家們有時將離散盤天體稱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，只不過與離散盤天體的向外離散恰好相反，它們是向內離散的，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

柯伊伯帶擴展了太陽系的邊界，但無法解釋長周期彗星的起源，而它們應該比柯伊伯帶更遠！最早對此進行系統研究的是荷蘭天文學家奧爾特（Jan Oort）。1950年，奧爾特發現很多長周期彗星的遠日點位于距太陽50,000天文單位～150,000天文單位（約合0.8光年～2.4光年）的區域內，由此他提出了一個假設，即在那里存在一個長周期彗星的“大本營”，后來被人們稱為“奧爾特云”（Oort Cloud）。這一假設與將柯伊伯帶視為短周期彗星補充基地的假設有著異曲同工之妙，但時間上更早。

據估計，奧爾特云中約有幾萬億顆直徑在一千米以上的彗星，其總質量約為地球質量的幾倍到幾十倍。由于數量眾多，在一些科普示意圖中奧爾特云被畫得象一個真正的云團一樣，但事實上，奧爾特云中兩個相鄰小天體之間的平均距離約有幾千萬千米，是太陽系中天體分布最為稀疏的區域之一。

在距太陽如此遙遠的地方為何會有這樣一個奧爾特云呢？一些天文學家認為，與離散盤類似，奧爾特云最初是不存在的，如今構成奧爾特云的那些小天體最初與行星一樣，形成于距太陽近得多的地方，后來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極其遙遠，很容易受銀河系引力場的潮汐作用及附近恒星引力場的干擾，那些干擾會使得其中一部分小天體進入內太陽系，從而成為長周期彗星。

“奧爾特云”至今依然只是理論學家的預言，它距我們過于遙遠，而且包含的又大都是小天體，要想從觀測上證實它，難度實在太大。不過因為奧爾特云并不是一個界限分明的區域，也有少數奧爾特云天體的軌道離我們相當近，可能被直接觀測到。2003年，美國帕洛馬天文臺的天文學家布朗（Michael Brown）發現的“賽德娜”（軌道遠日點距離約為976天文單位，近日點距離也有76天文單位，直徑約1500千米，曾一度被當成第十大行星的候選者），很可能就是內奧爾特云的天體。

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

內太陽系、柯伊伯帶、奧爾特云的大小示意圖

眼見為實——太陽風層頂

旅行者1號現在的位置離太陽只有120天文單位，堪堪穿過柯伊伯帶，離奧爾特云還有一段遙不可及的距離，為什么新聞報道中說它已經抵達了太陽系的邊界呢？原來，這是從另外一個角度定義的邊界，學名叫做“太陽風層頂”（Heliopause），即太陽風遭遇到星際介質而停滯的邊界，也就是“滯止區”（stagnation region）。所謂太陽風就是從太陽上吹出來的高能帶電粒子，由于整個太陽系位于銀河系中，太陽系之外被銀河系里的星際介質（主要是氫氣和氦氣）所包裹，太陽風在星際介質內吹出的氣泡被稱為太陽圈。在這氣泡的邊界就是太陽風層頂，它是太陽系磁層的磁層頂和銀河系中的等離子氣體交會的地區。

從這個角度上說，“旅行者”1號所到達的位置，是太陽風的邊界，并不能簡單地理解成太陽系的邊界。但與呼聲甚高卻遙不可及的“奧爾特云”不同，“太陽風層頂”是我們實實在在觀測到了的邊界：在過去的1年中，“旅行者”1號還探測到當地磁場的強度翻了一倍。就像汽車堵塞在高速公路的出口處一樣，增強的磁場說明來自星際空間向內的壓力正在擠壓這一區域；此外，“旅行者”1號還探測了向外運動的高能粒子，發現原本數量幾乎不變的粒子數出現了下降，說明它們逃離太陽系、進入了星際空間。

柯伊伯帶像個環，奧爾特云像個汽泡

藝術家筆下的賽德娜和它的衛星

“旅行者”1號現在的位置示意圖。暗綠色區域即為太陽風層頂——太陽風與銀河系星際介質的邊界區。藍色球形區域為“終端激波區”，即太陽風粒子與太陽系內的星際介質相互碰撞而減速至聲速以下的臨界區

行文至此，我們大概可以對“太陽系的邊界”作出如下結論：從理論上說，太陽系的邊界大有可能是離太陽50000天文單位之外的“奧爾特云”；從觀測上講，120天文單位以外的旅行者1號所在的“太陽風層頂”，是目前人類所了解的太陽系最遠邊界。大家以為然否？