太阳系的边界在哪里?

□ 李 鉴

2011年将近尾声的时候，迄今为止人类飞得最远的空间探测器——美国航宇局的“旅行者”1号探测器再次带来有关太阳系边疆的最新消息。传回的信号表明，它已经进入了太阳系和星际空间的交会区——太阳风层顶（heliopause），在那里，从太阳向外流动的带电粒子风变得平静，太阳系的磁场发生堆积，来自太阳系内的高能粒子流开始向星际空间逃逸。科学家预计它将在几个月到几年之内穿过太阳系的边界。

“旅行者”1号发射于1977年9月5日，只需要短短的34年时间，它就能飞出太阳系吗？可能许多人都像我一样有这个疑问。资料显示，它目前距离太阳大约180亿千米，即120天文单位（是冥王星距离的3倍），确实够远，但这里是否就是太阳系的边界呢？

“旅行者”1号探测器

行星之外——不断扩展的边疆

太阳系的边界位于何方？这在天文学上算得上是个冷门的话题。对古人而言答案是显而易见的，因为肉眼能看到的最远的行星是土星，它的位置也就自然而然地被认为是边界之所在。直到1781年3月13日英国天文学家威廉·赫歇尔在望远镜的助力下发现了天王星（把太阳系的疆域向外扩展了整整一倍），并因此而一举成名，太阳系的边界问题才开始变得令人感兴趣起来。众多天文学家和爱好者投身这一领域中，展开了大海捞针般的星空大搜捕，希望能找到新的、更远的行星，可惜事与愿违，行星没有找到，倒是发现了不少“副产品”：小行星和小行星带（位于火星和木星轨道之间）。很快这股热潮就平息了下来。

太阳系示意。按照定义，冥王星已经不再是行星，而是被归类为“矮行星”。在它之外尚有大量和它性质相近的星体

几乎同时，随着牛顿力学和数学的发展，天文学进入定量化时代，天体力学理论的重要性越来越凸显，成为与观测几乎同等重要的研究手段，并于1846年达到巅峰：英国天文学家亚当斯和法国天文学家勒维耶几乎同时在理论上预言了一颗新行星的存在，并且很快就被观测所证实。这就是距离太阳约30天文单位的海王星。这一发现再次极大地刺激了天文学家和数学家的兴趣。但令人沮丧的是，随之而来的众多计算、观测均以失败而告终，研究者的热情再次搁浅。直到近100年后的1930年，美国洛威尔天文台的汤博发现冥王星，太阳系的边界才被再次扩展，直达40天文单位处。这项工作的任务是如此艰巨，除了汤博，已经很少有天文学家在观测上进行搜寻了。汤博又投入了13年的漫长时光，搜索范围超过了整个夜空的三分之二，发现了6个星团、14颗小行星及一颗彗星，但却没能发现任何冥王星以外的新行星。

冥王星所在之处是否就是太阳系的疆界呢？

众望所归——柯伊伯带

既然观测上已经遭遇瓶颈，天文学家们只得拿起理论工具对此进行探讨。当然由于冥王星的发现已属巧合，加上观测数据的缺乏，理论研究已经不太可能重演象亚当斯与勒维耶那样的精密计算了，更多的还是带一些猜测性质。

当时关于太阳系起源的主流观点，是认为太阳系是由一个星云演化而来的。这其中行星的形成，是来自于星云盘上的物质彼此碰撞吸积的过程。按照这种理论，行星形成过程的顺利与否与星云物质的密度有很大的关系。星云物质的密度越低，则引力相互作用越弱，星云盘上物质相互碰撞的几率越小，从而吸积过程就越缓慢，行星的形成也就越困难。当星云物质的密度低到一定程度时，行星的形成过程有可能缓慢到在太阳系迄今50亿年的整个演化过程中都无法完成，而只能造就一些 “半成品”：太阳系小天体。

1943年，爱尔兰天文学家埃奇沃斯（Kenneth Edgeworth）指出，海王星以外的情形便是如此。那里的星云物质分布过于稀疏，行星无法诞生，而只能形成众多质量较小的天体。他预言人们将会在海王星之外不断地发现小天体，其中一些也可能进入内太阳系，成为彗星。

1951年天文学家柯伊伯认为在太阳系的边缘存在着一些冰冻的小天体

持同一观点的还有美籍荷兰裔天文学家柯伊伯（Gerard Kuiper），不过基于当时对冥王星的质量的错误估计（认为其质量与地球质量相当，而事实上只有地球的0.2%），他认为那些曾经存在过的小天体早就已被冥王星的引力作用甩到了更遥远的区域，不会再存在于距太阳30天文单位～50 天文单位的区域中了。

柯伊伯带示意图。柯伊伯带位于海王星轨道之外，距离太阳约30～55天文单位，是短周期彗星的“大本营”。

除了从太阳系起源角度所做的分析外，另一些天文学家根据对彗星的研究，也殊途同归地提出了海王星之外存在大量小天体的假说。太阳系中的彗星按轨道周期的长短大致可分为两类：一类是长周期彗星，它们的轨道周期在两百年以上，长的可达几千、几万、甚至几百万年。另一类则是短周期彗星，它们的轨道周期在两百年以下，短的只有几年。从理论上讲，短周期彗星会因为频繁地接近太阳而被迅速蒸发掉，而且轨道也会因反复受到行星引力的干扰而变得极不稳定，多数难逃撞入太阳而被吞没的命运。所以，在太阳系诞生初期形成的短周期彗星，很快就会被蒸发或吞噬，就此绝迹。但如今，50亿年过去了，我们却仍然能观测到大量短周期彗星，这又怎么解释呢？

唯一的可能是太阳系中存在一个短周期彗星的发源地。1980年，乌拉圭天文学家费尔南德斯（Julio Fernández）提出这个“彗星基地”就是位于海王星之外的一个小天体带。后来被称为“柯伊伯带”，目前的主流观点认为它位于距离太阳30天文单位～55天文单位处。

到20世纪80年代，在寻找太阳系边疆的历程中，理论远远走在了观测的前列，那时柯伊伯带里已知的唯一一个天体，就是孤零零的冥王星。直到1992年人们发现另一颗海王星外天体（称为“海外天体”）——1992QB1，才从观测上证实了柯伊伯带的存在。到2011年底，国际小行星中心（MPC）公布的海外天体数目已经超过1800颗，它们的表面大都覆盖着由甲烷、氨、水等物质组成的寒冰。

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离散盘

柯伊伯带天体相对于全部海外天体来说也只是冰山一角。在发现柯伊伯带的过程中，人们也发现了一些离太阳更远的天体，那些天体被称为离散盘天体（scattered disc object），它们的轨道椭率通常很大，轨道倾角的范围也比柯伊伯带天体宽得多，它们的远日点比柯伊伯带天体离太阳远得多，但近日点却往往延伸到柯伊伯带，个别的甚至会向内穿越海王星轨道。一般认为，离散盘天体最初也形成于柯伊伯带之中，后来是因为受到外行星的引力干扰而被甩离了原先的轨道。有鉴于此，天文学家们有时将离散盘天体称为离散柯伊伯带天体（scattered Kuiper belt object）。离散柯伊伯带天体还包括所谓的半人马小行星 （centaurs），那也是一些轨道椭率很大的小天体，只不过与离散盘天体的向外离散恰好相反，它们是向内离散的，其轨道通常分布于木星轨道与海王星轨道之间。

异军突起——奥尔特云

柯伊伯带扩展了太阳系的边界，但无法解释长周期彗星的起源，而它们应该比柯伊伯带更远！最早对此进行系统研究的是荷兰天文学家奥尔特（Jan Oort）。1950年，奥尔特发现很多长周期彗星的远日点位于距太阳50,000天文单位～150,000天文单位（约合0.8光年～2.4光年）的区域内，由此他提出了一个假设，即在那里存在一个长周期彗星的“大本营”，后来被人们称为“奥尔特云”（Oort Cloud）。这一假设与将柯伊伯带视为短周期彗星补充基地的假设有着异曲同工之妙，但时间上更早。

据估计，奥尔特云中约有几万亿颗直径在一千米以上的彗星，其总质量约为地球质量的几倍到几十倍。由于数量众多，在一些科普示意图中奥尔特云被画得象一个真正的云团一样，但事实上，奥尔特云中两个相邻小天体之间的平均距离约有几千万千米，是太阳系中天体分布最为稀疏的区域之一。

在距太阳如此遥远的地方为何会有这样一个奥尔特云呢？一些天文学家认为，与离散盘类似，奥尔特云最初是不存在的，如今构成奥尔特云的那些小天体最初与行星一样，形成于距太阳近得多的地方，后来是被外行星的引力作用甩了出去，才形成了奥尔特云。奥尔特云中的小天体由于距太阳极其遥远，很容易受银河系引力场的潮汐作用及附近恒星引力场的干扰，那些干扰会使得其中一部分小天体进入内太阳系，从而成为长周期彗星。

“奥尔特云”至今依然只是理论学家的预言，它距我们过于遥远，而且包含的又大都是小天体，要想从观测上证实它，难度实在太大。不过因为奥尔特云并不是一个界限分明的区域，也有少数奥尔特云天体的轨道离我们相当近，可能被直接观测到。2003年，美国帕洛马天文台的天文学家布朗（Michael Brown）发现的“赛德娜”（轨道远日点距离约为976天文单位，近日点距离也有76天文单位，直径约1500千米，曾一度被当成第十大行星的候选者），很可能就是内奥尔特云的天体。

奥尔特云的大小，至今仍然没有定论。今天的很多天文学家认为它的范围延伸到距太阳约50000天文单位的地方，但也有人像奥尔特当年一样，认为它延伸得更远，直到太阳引力控制范围的最边缘。这一边缘大约在距太阳100000天文单位～200000天文单位处，在那之外，银河系引力场的潮汐作用及附近恒星的引力作用将超过太阳的引力。如果那样的话，奥尔特云的外边缘应该就是太阳系的疆界了。

内太阳系、柯伊伯带、奥尔特云的大小示意图

眼见为实——太阳风层顶

旅行者1号现在的位置离太阳只有120天文单位，堪堪穿过柯伊伯带，离奥尔特云还有一段遥不可及的距离，为什么新闻报道中说它已经抵达了太阳系的边界呢？原来，这是从另外一个角度定义的边界，学名叫做“太阳风层顶”（Heliopause），即太阳风遭遇到星际介质而停滞的边界，也就是“滞止区”（stagnation region）。所谓太阳风就是从太阳上吹出来的高能带电粒子，由于整个太阳系位于银河系中，太阳系之外被银河系里的星际介质（主要是氢气和氦气）所包裹，太阳风在星际介质内吹出的气泡被称为太阳圈。在这气泡的边界就是太阳风层顶，它是太阳系磁层的磁层顶和银河系中的等离子气体交会的地区。

从这个角度上说，“旅行者”1号所到达的位置，是太阳风的边界，并不能简单地理解成太阳系的边界。但与呼声甚高却遥不可及的“奥尔特云”不同，“太阳风层顶”是我们实实在在观测到了的边界：在过去的1年中，“旅行者”1号还探测到当地磁场的强度翻了一倍。就像汽车堵塞在高速公路的出口处一样，增强的磁场说明来自星际空间向内的压力正在挤压这一区域；此外，“旅行者”1号还探测了向外运动的高能粒子，发现原本数量几乎不变的粒子数出现了下降，说明它们逃离太阳系、进入了星际空间。

柯伊伯带像个环，奥尔特云像个汽泡

艺术家笔下的赛德娜和它的卫星

“旅行者”1号现在的位置示意图。暗绿色区域即为太阳风层顶——太阳风与银河系星际介质的边界区。蓝色球形区域为“终端激波区”，即太阳风粒子与太阳系内的星际介质相互碰撞而减速至声速以下的临界区

行文至此，我们大概可以对“太阳系的边界”作出如下结论：从理论上说，太阳系的边界大有可能是离太阳50000天文单位之外的“奥尔特云”；从观测上讲，120天文单位以外的旅行者1号所在的“太阳风层顶”，是目前人类所了解的太阳系最远边界。大家以为然否？