奧爾特星雲，阻礙人類離開太陽系？或是人類文明防護罩

VOL.77

由數千個曲率驅動光速飛船的航跡包裹住太陽系，由於航跡中真空中的光速被降低，太陽系中的光速就會被降低至第三宇宙速度以下，太陽系就會變成一個低光速黑洞，可以形成宇宙安全聲明。

——《三體》關於黑域的設想

大多數人理解，太陽系由八大行星（冥王星被除名）以及無數小型天體構成，但其實它還包括柯伊伯帶與奧爾特星雲。柯伊伯帶是太陽系在海王星軌道外黃道面附近、天體密集的中空圓盤狀區域。而奧爾特星雲是太陽系最邊緣的一個雲團，就像蛋殼一樣包圍著太陽系。

對於奧爾特星雲的成因，天文學家普遍認為它是50億年前形成太陽及其行星的星雲之殘餘物質，並包圍住太陽系。令人疑惑的，我們並沒有清晰的觀測到它的存在，如果它真實存在，人類的視線又是如何毫無障礙的望向宇宙深處？當我們穿過奧爾特星雲，再回頭看的時候，是望不見太陽系的，我們被包裹在一層不可透視的巨大星雲中。旅行者1號到達奧爾特星雲後，需要3萬年才能穿越它。

有人認為，我們本身生活在奧爾特星雲內部，而奧爾特星雲又極其稀薄，太陽強烈的光線導致了它的不可見性。但是人類的望遠鏡是如何穿透這層濃濃的霧團到達宇宙的深處呢？也有人認為，奧爾特星雲類似地球的大氣作用，不但阻礙不了視線，反而有种放大鏡的作用。如果這種理論成立，那麼我們如今所觀測到的星系，有可能離我們更加遙遠，甚至另一種理論更是提出宇宙並不存在，我們所觀測到系外星系，就像投射在奧爾特星雲之上的全息影像，人類是活在假象之中。

奧爾特星雲盛產彗星，即使人類有能力到達它的範圍，要想穿越它也是異常困難，稍有不慎就會被彗星撞毀飛船，萬劫不復。在每一個星系內，也許都會擁有一個蟲洞，它會幫助智慧生物直接避開蛋殼的危險直接到達另一個星系內部，否則人類要想離開太陽系，將會是一個巨大的挑戰。

柯伊伯帶外的世界

上圖展示了藝術家眼中的塞德娜。它是一個典型的柯伊伯帶天體。2003年，人們在冥王星軌道外面發現了它。外太陽系是否還有像塞德娜這樣的大個頭天體存在呢？天文學家正在積極搜尋著。（圖片來源：NASA / JPL-CALTECH / ROBERT HURT (SSC)）

1781年，威廉·赫歇爾發現天王星。它是第一顆不易被肉眼看到的行星。天文學家發現天王星的軌道很怪異，好像更遠處還有一顆行星在拉扯它。尋找這顆看不見的行星導致了1846年海王星的發現。海王星的軌道運動同樣透著古怪，結果導致了1930年冥王星的發現。

不過，天文學家現在認為冥王星的直徑只有2322公里，比月球還小，其質量也不足以影響海王星的軌道。後來的觀測表明，海王星的軌道完全符合預期，無需大質量擾動者的存在。

儘管如此，我們對外太陽系的探索才剛剛開始，而且一直持續至今，新發現和新謎團也層出不窮。在海王星軌道的外面還存在著眾多冰狀天體，我們只探測到了其中一小部分而已。我們仍在試圖弄清楚，這些迷你世界是如何跑到它們今天所在的位置上去的。

柯伊伯帶和奧爾特雲

大約有2千個天體在冥王星附近運動。那片區域叫做柯伊伯帶。它的邊界大致位於48個天文單位（1天文單位等於日地間距離）處，因為從那裡開始，天體的數量便迅速減少了。柯伊伯帶是原初太陽星雲（孕育太陽系的星雲）的遺存物。那一帶幅員遼闊，物質密度很低，距離太陽又十分遙遠，物質無法坍縮形成行星。事實上，外太陽系很難形成任何天體，就連天王星和海王星都極有可能不是在原地形成，而是在與木星和土星發生相互作用時被踢到今天所在的位置上去的。

短周期彗星（軌道半長軸僅為幾十個天文單位且軌道傾角很小）可能就是剛逃出來不久的柯伊伯帶天體。雖然柯伊伯帶的主要部分大約在48個天文單位處截止，但在太陽系邊緣還存在著另一個天體聚集區，長周期彗星就來自於那裡。長周期彗星的軌道半長軸長度通常可以達到幾萬個天文單位。太陽系的行星軌道近乎處於同一平面（太陽系行星實際上全部位於黃道面內）。與之相反，長周期彗星的軌道傾角則彼此差異極大。

1950年，荷蘭天文學家楊·奧爾特第一個提出外太陽系存在一個長周期彗星聚集地的說法。那個區域因此而被命名為奧爾特雲。它覆蓋了從太陽繫到最近的恆星系統——半人馬座阿爾法星的距離的三分之一（大約10萬個天文單位），可能有大約1萬億顆直徑超過1公里、軌道周期為幾百萬年的天體生活在那裡。奧爾特雲已經遠在日球層之外了。在日球層附近，太陽風的影響力已經不敵星際介質了。「旅行者」探測器目前則剛飛到大約120個天文單位遠處。

若在此標出奧爾特雲相對於塞德娜和2012 VP113軌道的位置，它將延伸到距離圖中圓點（表示太陽）506英寸（12.85米）遠的地方。（圖片來源：S&T GREGG DINDERMAN）

奧爾特雲可能與太陽系行星同時形成。在太陽系形成過程中，巨行星所在的區域里也有不少個頭不算小的天體。它們中的絕大多數都被巨行星吞併了。不過，正在長大的行星也把其中一些天體甩了出去。其中大部分都被拋到太陽系以外，飛入星際空間了。但仍有1%-10%的天體由於能量不足，沒能擺脫太陽系的束縛，最終只能在遙遠的外太陽系徘徊。

被拋出去卻又沒能逃脫太陽引力的天體都在橢圓軌道上運動，或許可以運動到幾千、甚至幾萬個天文單位遠處。但是，它們仍然可以運動到距離太陽比較近的地方（在其軌道近日點），經過它們原先曾被踢出去的那個地方。因此，這些天體的軌道仍有一部分位於巨行星區（5-30個天文單位），並且還有機會與大質量行星再次發生強烈的相互作用。作用的結果要麼是最終發生撞擊，要麼是它們被徹底踢出了太陽系。

在幾千至幾萬個天文單位處，在橢圓軌道上運動的天體鬆散地聚集在一起，形成奧爾特雲。在那裡，太陽的引力已經衰弱不堪，反倒是鄰近恆星、銀河系中心還有銀河系盤面的作用力開始佔主導地位。這些力類似於潮汐力，能夠把天體的軌道近日點向外拉，使其不致再與木星之類的巨行星碰撞。隨著時間推移，這些作用力隨機改變著奧爾特雲天體的軌道及其傾角，致使其中一些天體逃出太陽系，進入星際空間；另一些天體則又被拋回到行星附近，成為我們看到的長周期彗星。

實際上，由於其它恆星的偶然路過，內太陽系可能經歷過彗星雨。不過，其它恆星跑到距離太陽10萬個天文單位以內的地方是很罕見的。這類事件大概幾千萬年才發生一次，而且可能僅把彗星的流量提高不過幾十個百分點。下一個從太陽附近掠過的恆星是格利澤710。再過150萬年，它將從距太陽7萬個天文單位處路過。科學家認為，恆星交會促使彗星頻繁撞擊地球，可能導致地球生物滅絕。不過，恆星交會引發的後果是非常難預測的。

內奧爾特雲

那麼，在奧爾特雲與柯伊伯帶之間的那片區域又有什麼天體呢？天文學家曾經認為，不存在一個天體，其整個軌道都在那個區域里，因為那裡的銀河系潮汐力還不足以把天體的軌道近日點完全移出太陽系的行星區。

2003年，天文學家使用美國帕洛瑪天文台1.2米口徑塞繆爾·奧欣望遠鏡對北半球幾乎所有的可觀測天區進行了一次淺度巡天觀測。在此期間，他們發現了塞德娜。它的個頭在1000公里左右，軌道近日點位於76個天文單位處，軌道半長軸長度為532個天文單位。它是人類發現的第一個軌道全部位於那個區域的天體。塞德娜是如此的出人意料、不同尋常，天文學家不得不重新思考太陽系的形成了。10年後，雙子星天文台的Chad Trujillo和Scott S. Sheppard又發現了2012 VP113。它的軌道近日點位於80個天文單位處，比塞德娜的軌道近日點還遠。令人驚訝的是，它的軌道半長軸卻比塞德娜的小，只有265個天文單位。這兩個天體的軌道都很穩定。目前，它們沒與任何太陽系已知天體（包括海王星）有強烈的相互作用。儘管如此，它們擁有極橢圓的軌道這一點說明，它們必定曾在某一時期與某些天體發生過碰撞。

塞德娜和2012 VP113的軌道完全位於海王星軌道的外面。不過，它們那極橢圓的軌道說明，它們過去曾經與某些天體發生過相互作用。（圖片來源：S&T GREGG DINDERMAN）

一些天文學家稱它們為內奧爾特雲（簡稱IOC）天體，因為它們不似更遙遠的外奧爾特雲天體（位於幾千個天文單位處）那樣容易被銀河系潮汐力擺布。也就是說，IOC天體的軌道自古以來一直保持著穩定，因此，它們實質上是保存太陽系形成信息的「化石」。

理論學家提出了好幾種IOC天體形成機制，但它們無一例外都要求一個與今天的太陽系完全不同的環境。其中一個理論認為，一個被踢出巨行星區、不得不到處流浪的小行星在向外運動時可能也拽走一些更小的天體，或是把柯伊伯帶內天體拉進了IOC。這個小行星可能被完全踢出了太陽系大家庭，或是至今仍在外太陽系躲藏著。

另一個理論則認為，IOC天體不是在太陽系內形成的，而是被捕獲來的。在形成太陽的原初星團中，如果有其它恆星系統正好位於太陽附近，它們踢出來的天體就有可能被太陽俘獲，繼而又被太陽拋棄。還有一種與此相關的理論認為，鄰近恆星在飛掠太陽時，可能會向外拉扯太陽系內天體，或者拉散它們（也許兩種情況皆有可能發生），從而產生我們今天看到的IOC天體。不過，這個理論要求恆星必須從距離太陽僅幾百個天文單位處飛過。這幾乎是不可能發生的，而且這勢必會破壞外奧爾特雲。

當前最受歡迎的理論是，IOC天體原本是在太陽系內形成的，只是因為受到源自於系外的引力拉扯（比今天的系外作用力強大多了）才跑到今天的位置上去的。這個較強的潮汐力擾動了太陽附近的天體，把它們的軌道近日點移動到外太陽系。太陽脫胎於星團之中，附近有不少恆星系統為伴，出現這樣的系外強潮汐力也不足為奇。理論學家對這一過程進行模擬，發現如果太陽出生在中等緻密程度的星團（其核心每立方光年裡包含300倍甚至更多太陽質量），太陽系與其它恆星的相互作用將產生類似塞德娜和2012 VP13這樣的IOC天體。因此，IOC天體的存在暗示了太陽曾與許多「兄弟姐妹」一同長大，只是現如今它們都已分散到銀河系各處去了。

上述這些理論都是可以被檢驗的，因為它們給出的IOC天體軌道分布各不相同。例如，2012 VP113受到的太陽束縛力就比塞德娜更強。這意味著，前者需要更大的外部擾動才能讓其軌道近日點向外移動。如果IOC天體是被俘獲的系外天體，它們的軌道傾角應該是各式各樣的，因為天體的俘獲過程與天體飛來的方向並無緊密關聯。如果IOC天體是從內太陽系被踢出來的，它們的軌道傾角彼此差異應該比較小，反映了它們出生在太陽系行星盤附近。

塞德娜和2012 VP113的軌道傾角偏小，分別為12度和24度，這說明它們是在太陽系內形成的。塞德娜顯現出極紅的顏色，這一點也與已知的典型柯伊伯帶天體類似。2012 VP113則表現出中等的紅色，說明它是在巨行星附近形成的。我們需要更多樣本來增進我們對IOC天體的理解。

如圖所示，塞德娜和2012 VP113位於廣袤的外太陽系。一些天文學家把那片區域稱為內奧爾特雲（簡稱IOC）。科學家懷疑，IOC內的天體數目或許比柯伊伯帶還要多。（圖片來源：S&T GREGG DINDERMAN）

外面還有什麼？

塞德娜是在高效巡天中用最大像素的相機發現的。當天文學家把此類相機安裝到更大口徑的望遠鏡上時，他們發現了2012 VP113。在智利托洛洛山美洲天文台，4米口徑布蘭科望遠鏡上的暗能量相機能夠拍攝約2.7平方度的天區。Chad與Scott S. Sheppard就是用它發現了2012 VP113。如此大的圖像相當於11個滿月面積的總和，比之前所有4米甚至更大口徑望遠鏡上的相機拍攝的天區面積大好幾倍。我們繼續搜尋著遠方，期望在未來幾年找到更多IOC天體。但我們僅能觀測一部分天區。由美國國家科學基金會出資在智利建造的大型綜合巡天望遠鏡不僅將觀測更大面積的天區，還能看到批量發現IOC天體所必需的暗弱星等。不過，我們還要為此等上十年時間。

根據塞德娜和2012 VP113的發現情況及至今為止搜索過的天區面積，我們相信IOC內存在著大約1千個直徑超過1000公里的天體，還有許多個頭更小的天體。IOC內的天體數目可能比小行星帶或者柯伊伯帶還要多。有些IOC天體可能比冥王星還大，還有一些個頭可能超過火星，甚至地球。天體距離我們越遠，看上去越暗。因此，外太陽系很可能隱藏著不少大個頭天體。

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