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【博艺君De科普秀】·太阳系的边界到底在哪?太阳系到底有多大?

22-06-23 15:06:10     来源:

 

 

太阳系的边界到底在哪?太阳系到底有多大?

06/23

宇宙这个词

什么都不加就很浪漫

LIFE IS LIKE A SONG

 

SURPRISE

山海的浩瀚,宇宙的浪漫

 

 

 

我们生活在地球上,

而地球隶属于太阳系,

那么你知道我们的太阳系到底有多大吗?

它的边界又在哪里?

 

以行星轨道为界,海王星运行在最边缘

 

美国国家航空航天局(NASA)曾经表示,太阳系的边界有三种定义方式,其中之一是以行星轨道为界。按照这种定义,人类眼中的太阳系是逐渐增大的。

 

十七世纪,哥白尼提出的日心说逐渐被观测所证实。人们开始意识到,太阳周围绕转着许多颗行星,地球不过是其中之一。在很长一段时间内,土星是人们能看到的最远行星,也代表着太阳系最远的疆域。

 

1781年,热忱的天文观测者赫歇尔通过观测确认,天王星是太阳系的第七颗行星,虽然之前的观测者已经多次观测并记录过这个天体。这一发现,将太阳系的范围扩大了一倍。

 

 

随后,海王星、冥王星被逐一发现,更新着人们对太阳系的认识。如果以行星轨道来界定太阳系边界,人类目前所知的太阳系最大不过如此。

 

在冥王星被踢出行星大家族之后,海王星是目前已知距离太阳最远的行星,它运行在距离太阳30个天文单位的轨道上。早在1990年,旅行者1便飞过这颗行星的轨道,并发回了地球照片。抵达这一距离的探测器也不仅仅是旅行者1 “旅行者2。比如新视野号早已探访过冥王星,目前正飞往柯伊伯带的小行星。

 

但这种定义方法的缺点显而易见。在海王星的轨道之外,还有很多天体,比如彗星、小行星。如果不是太阳系成员,它们又是什么?南京大学天文与空间科学学院教授陈鹏飞说。

 

而且,用这种方法来定义太阳系边界也有很大的不确定性。2006年,冥王星被降级为矮行星,太阳系的范围瞬间缩减。另外一方面,充满好奇心的科学家并不满足于太阳系只有八颗行星。他们寄望于长期的观测和先进的技术能发现太阳系第九大行星。一旦成功,太阳系的边界也将再次改变。

 

  

 

以太阳风为界,日球层顶包裹着太阳系

 

2013年秋季,世界各大媒体争相宣布一个消息:旅行者1飞出了太阳系。这时人们眼中的太阳系是日球层顶以内的空间。人们以太阳风的范围为标准,定义太阳系边界。

 

恒星之间的空间并非空无一物,而是充满了低温的星际介质粒子。太阳会不断向外吹出带电粒子,称为太阳风。所谓日球层,是太阳风发生作用的最大范围。当高速的太阳风粒子与星际介质粒子相遇时,会将其向外推开,自身也逐渐减速,直至无力与星际介质粒子抗衡。形象地说,日球层就好像太阳风向外吹出的一个气泡,日球层之内充满了太阳风粒子,在它之外则是由星际介质粒子主宰的星际空间。而日球层的最外层边界被称为日球层顶。

 

 

 

由于太阳以220公里/秒的速度在银河系中运动,日球层并非对称的球形,陈鹏飞说,在太阳运动方向的日球层最薄,约为100天文单位,在太阳运动的反方向这一厚度能达到500天文单位以上。“‘旅行者1正是沿着太阳运动的方向飞行,穿越了日球层顶。

 

20128月和20134月,旅行者1记录下2次太阳风粒子与星际介质粒子的剧烈相遇。科学家由此推测出太阳风粒子浓度相较于2004年已下降1000倍,星际介质粒子密度则上升了40多倍。在经过反复模型推演后,NASA2013912日宣布,旅行者1已经穿越了日球层顶。

 

虽然NASA很谨慎地指出,关于太阳系边界有多种定义方式,因此旅行者1的行为可以严谨地描述为进入星际空间,而不是飞出太阳系。但对此,仍有不买账的科学家。他们时不时地发表论文表示异议。因为飞出太阳日球层、进入星际空间有三个条件:来自太阳的带电粒子数量急剧下降、星际介质粒子的数量急剧增多,以及磁场方向的偏转。很遗憾,旅行者1始终没有探测到磁场方向的偏转。

 

没有探测到磁场方向的偏转并不能否定旅行者1飞出日球层。太阳相对星际介质的运动速度比预想的小,也许不足以在日球层顶产生激波。这导致磁场方向在日球层顶附近缓慢变化,而不是以前猜测的剧烈变化。陈鹏飞说。因此,如果将日球层顶作为太阳系的边界,根据旅行者1的测量,太阳系的边界在距离太阳100天文单位之遥。

 

 

 

 

 

 

以引力范围为界,奥尔特云是最遥远的疆域

 

更多的天文学家愿意根据太阳的万有引力来定义太阳系边界。也即如果一个天体主要受到太阳引力的作用,围绕太阳运动,那么它就是太阳系天体。按照这个标准,太阳系八大行星、日球层以及遥远的小行星与彗星都在太阳系范围内。

 

但太阳引力发生作用的最后边界在哪里?在太空中某一地方,太阳引力和临近恒星的引力会达到平衡,这里便是太阳系的边界。南京大学天文与空间科学学院教授周礼勇说。

 

1950年,荷兰天文学家奥尔特提出,在太阳系遥远的疆域有一片冰冷的云团,孕育着1000亿颗长周期彗星。它被称作奥尔特云,一直延续到距离太阳50000—150000天文单位的区域。这里是太阳引力束缚天体作圆周运动的最后区域,也即太阳系边界。旅行者1需要30000年飞出太阳系,正是基于旅行者1每年约3.5天文单位的飞行速度以及奥尔特云延伸至100000天文单位的假设。

 

 

 

奥尔特云过于遥远,没有探测器到过这里,更没有人见过它。但这并不意味着,它完全是想象。

 

天文学家把从柯伊伯带向外到10000天文单位左右的空间称为内奥尔特云。过去天文学家认为内奥尔特云是空的。但随着观测手段的提升,发现并非如此。周礼勇说,2003年科学家发现小行星赛德娜,它与太阳最近的距离是76天文单位,但由于轨道很扁,远日点接近1000天文单位,位于内奥尔特云区域。像这样的天体至少已经看到10多个,而实际上会更多。

 

如果将奥尔特云视作太阳系的边界,我们永远无法看到旅行者1飞出太阳系的那一天。因为携带的同位素电池仅有40多年的寿命,旅行者1将从2020年开始逐渐关闭所搭载的仪器。2025年,它将关闭所有的仪器,切断与地球的联系。

 

140个天文单位的飞行距离,已经让它跻身人类飞得最远的探测器。而旅行者1携带的地球之音光盘刻有人类文明的种种信息,特殊处理让它足以抵御10亿年时光的侵蚀。

 

 

 

 

 

 

farfarout—2018ag37

 

201911NASA的新地平线号探测器飞掠我国天文学家在1997年发现的柯伊伯带小天体天涯海角星2014mu69,这是迄今为止人类探测器近距离探测的最遥远天体。不过就现在天文发现情况来看,天涯海角星绝不是太阳系最遥远的天体。人类迄今为止发现的最遥远天体还在更加遥远的地方。他和我们的距离大约是66亿公里,而科学家们刚刚确认有一颗小天体比他更加遥远。其距离是天涯海角星的整整两倍,直到今天,它仍然是已知最遥远的太阳系天体。

 

 

2018年,美国天文学家斯科特谢坡德大卫托伦和乍德特鲁希略首次发现了这个天体,并在次年二月宣布了这一发现,当时天文学家们给他起了一个临时的名字-2018ag37。根据国际天文学联合会的规定他的正式名称还没有确定。观测结果表明,这颗天体当时距离太阳132个天文单位,即日地距离的132倍,约198亿公里。和太阳的平均距离约为101亿个天文单位。相比之下,冥王星的平均距离也只有39个天文单位。可见2018ag37的距离有多遥远,因此天文学家也给他起了一个绰号-farfarout。有趣的是,在同年被发现的另一颗小天体,因为没有它遥远,所以只能被称为farout。如果未来发现更遥远的天体,会不会被称为farfarfarfarfarout呢?

 

和冥王星一样,farfarout的轨道也是一个离心率极高的椭圆形。进一步的观测让天文学家对他的轨道有了一个更加完整和细致的认识。计算结果表明farfarout最远的时候距离太阳可达175个天文单位。而最近的时候竟只有27个天文单位。也就是说他的近日点甚至在海王星轨道以内,这也是柯伊伯带小天体中非常普遍的现象,冥王星也是如此。

 

 

这些柯伊伯带天体的诡异运行规律隐藏着许多重要的信息,可以帮助天文学家了解那里的一些情况,甚至是寻找可能存在的第九大行星。北亚利桑那大学的天文学家乍得特鲁希略介绍farfarout极有可能在很久以前曾经十分接近海王星,结果被甩到了外太阳系。在未来farfarout仍然有可能与海王星相互作用,因为他们的轨道还是相交的。即便今天得到了这些观测结果,但不得不承认的是我们对于farfarout的了解仍然非常少,观测结果表明farfarout的直径大约只有400公里,观测难度非常大。

 

尽管我们已经发现并确认了他的存在,但是在发现他的两年时间内,天文学家也只有九次观测到了他。实际上在这个距离下,连他的直径也是天文学家根据他的亮度来推测的。换句话说如果他的形状和我们想象的不一样。那么尺寸和质量恐怕也会和理论数字有巨大的差异。而且对于这样的尺寸来说,具有不规则形状的概率还是比较高的。如果最终证明他是个比现在推测大得多的不规则小天体,天文学家也不会感到意外,由于观测数据不够丰富,天文学家对他的轨道数据也并不完全确定。

 

目前来说,他们认为farfarout的公转周期是800年左右,也就是冥王星轨道周期248年的三倍多一点。但也有可能最终证实他的公转周期比现在认为的还要长一倍,或者短得多,神秘的面纱仍然在笼罩着他。夏威夷大学马诺亚分校的天文学家大卫托伦指出farfarout绕太阳公转一圈耗时近千年,正因为这个他在天空中的移动显得极慢。这就导致我们需要花几年的时间来进行观测才可以确定其精确的轨迹。

 

 

多年以来,谢坡德、托伦和特鲁希略三人一直致力于对外太阳系的观测和研究。他们希望发现的不仅仅是像farfarout这样的小天体,而是一个更加巨大的目标-传说中的第九大行星,正如前面所说柯伊伯带天体的运行规律和内太阳系的天体非常不同,很多人都认为这是第九大行星干扰的结果。当然也有可能太阳系内并不存在第九大行星。但是他们的观测工作也不是徒劳无功的,毕竟farfarout就是在这个过程中被发现的。甚至在寻找第九大行星的过程中,天文学家们还会意外发现内太阳系的天体,比如12颗新的木星卫星以及20颗新的土星卫星。

 

 

而随着他们以及其他天文学家观测工作进一步的开展和更加先进的观测设备投入使用,我们势必会发现更加遥远的太阳系天体。太阳系的边界到底在哪里?如果按照太阳引力的范围来算,可能会延伸到1-2光年以外甚至更远。因此即使是发现一光年以外的太阳系天体也是很正常的,实际上从某种意义上来讲,比farfarout更加遥远的天体已经被人类发现了。

 

小行星塞德娜是Trujillo和其他人在2003年共同发现的,当时距离我们约100个天文单位。跟观测结果表明它的轨道远日点甚至在800个天文单位,约1200亿公里的位置上。2014fe72远日点比塞德娜更加遥远,甚至可能在3000个天文单位之外。太阳系内还有一些长周期彗星。我们一生之中可能连一个都看不见。但是据天文学家以往的观测数据表明,他们可能来自于最遥远的奥尔特云,也就是约2万个天文单位,约30000亿公里的位置上。

 

 

总之farfarout只是人类发现目前最遥远的太阳系天体。而太阳引力如此之广,在他以外还有无数天体等待着被发现,他们甚至可能在两光年以外。至于传说中的第九大行星是否真的存在,目前仍然是个未解之谜。

 

END

 

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