奥尔特云：太阳系的遥远边界

奥尔特云（Oort Cloud）是一个理论上存在的天文结构，它是由无数个直径从几米到几百公里不等的冰质小天体组成的一个球形云团，围绕着整个太阳系。它是所有长周期彗星、进入内太阳系的哈雷类彗星、半人马小行星和木星族彗星的发源地。奥尔特云最早由爱沙尼亚天文学家恩斯特·奥匹克（Ernst Öpik）在1932年提出，他猜测长周期彗星都起源于太阳系最外端的一个云团。荷兰天文学家扬·奥尔特（Jan Oort）在1950年独立提出了类似的假说，他试图解释为什么长周期彗星的轨道方向是各向同性的，而不是集中在黄道平面上。他推测在太阳系外围有一个各向分布均匀的球形云团，作为这些彗星的来源。这个云团就以奥尔特的名字命名为奥尔特云。

奥尔特云距离太阳非常遥远，以至于我们用常用的单位来描述它都不方便。我们可以用天文单位（AU）来表示，1 AU等于地球和太阳之间的平均距离，约为1.5亿公里。按照这个单位，最近的行星海王星距离太阳约为30 AU，柯伊伯带（Kuiper Belt），一个由冰质小行星组成的环形区域，距离太阳约为30到50 AU。而奥尔特云最近处在2,000到5,000 AU之间，最远处在50,000到100,000 AU之间，甚至可能达到200,000 AU。换算成光年，也就是光在一年内走过的距离，约为9.5万亿公里，奥尔特云最近处在0.03光年左右，最远处在0.8到1.6光年左右。这意味着它占据了整个太阳系结构上和引力上的边界，也是太阳系和星际空间之交界处。奥尔特云可以分为两个部分：一个半径为20,000到50,000 AU（0.32到0.79光年）的球形外层云团，和一个半径为2,000到20,000 AU（0.03到0.32光年）的环形内层云团。外层受太阳系内部的牵制较弱，是长周期彗星（有可能也是哈雷类彗星）在进入海王星轨道以内之前的起源地。内层又称希尔斯云团（Hills Cloud），以1981年提出其存在的杰克·G·希尔斯（Jack G. Hills）命名。理论模型预测，内层云团所含的彗星核数量比外层多几十甚至几百倍。稀薄的外层会随时间逐渐消亡，一些学者认为，内层不断为外层补充新的彗星，是奥尔特云在形成后数十亿年仍然存在的原因。

奥尔特云中的小天体数量非常庞大，但密度却非常低。估计外层中大于1公里的可能有上兆个（万亿个），而绝对星等大于11（即直径约为20公里以上）的有几十亿个，各自之间相距数千万公里之遥。奥尔特云的总质量目前尚不确定，但如果假设外层中的彗星核均与哈雷彗星质量相仿，估计其总质量为3×10^25 千克，约等于地球质量的五倍。早期估计奥尔特云的质量更高（最高有380个地球质量），但在更准确地掌握长周期彗星的大小分布之后，估值就相应降低了。尚无对内层云团的类似质量估值。根据对彗星的实质观察推测，绝大部份的奥尔特云天体都由诸如水冰、甲烷、乙烷、一氧化碳和氰化氢的“冰”组成。例如，1996 PW的外表符合D-型小行星的分类，但轨道却属于长周期彗星。它的发现，使一些理论学家猜想，奥尔特云可能还含有1%到2%的小行星。分析指出，长周期彗星和木星族彗星的碳氮同位素比率差异不大，尽管两者的起源地点截然不同。这意味着，两类彗星都源自于原太阳星云。对奥尔特云彗星颗粒大小的研究，以及对属于木星族的坦普尔1号彗星实施撞击后的研究，都支持这一结论。

奥尔特云是46亿年前太阳系形成早期的原行星盘残余物质。最为广泛接受的假说是，奥尔特云天体最初在更接近太阳的地方凝聚形成，过程与行星和小行星相同，但当时形成不久的木星和土星经引力作用把这些天体甩出了太阳系内部，并使它们进入离心率极高的椭圆轨道或抛物线轨道。另一项研究却认为，不少甚至是大部份的奥尔特云天体都是从太阳及其邻近恒星形成时交换的物质产生的，而不是在靠近太阳的地方形成。对奥尔特云发展过程的模拟显示，其总质量在形成后8亿年前后达到最高值，之后吸积和碰撞的速度减慢，云团也逐渐消退。胡利奥·昂海尔·费尔南德斯（Julio Ángel Fernández）所建立的模型显示，周期彗星的主要来源离散盘，也有可能是不少奥尔特云天体的来源。根据此模型，离散的天体当中，有一半左右向外移至奥尔特云，四分之一向内移至木星轨道附近，另有四分之一被抛射进入抛物线轨道。离散盘有可能至今仍然为奥尔特云补充物质。亿年后，离散盘物质中估计有三分之一会成为奥尔特云的一部份。

电脑模型指出，太阳系形成时彗星碎片之间的碰撞极为频繁，以至大部份彗星在抵达奥尔特云之前就被撞碎了。因此奥尔特云今天的总质量应比先前所估计的低很多，在最初一共50至100个地球质量的被抛射物质中，只占很小一部份。来自临近恒星的引力作用加上银河系中心的潮汐力，使彗星轨道逐渐趋圆形，也是外奥尔特云拥有近乎球形结构的原因；然而受太阳引力影响更强的希尔斯云团，却没有形成球形结构。

由于奥尔特云距离太阳极远，所以我们目前还没有直接观测到任何奥尔特云天体。但我们可以通过观测来自奥尔特云的彗星来间接了解它。彗星是由冰、尘埃和岩石组成的小天体，在靠近太阳时会产生明亮的彗发和彗尾。根据彗星绕太阳运行周期的长短，可以分为短周期彗星（周期小于200年）和长周期彗星（周期大于200年）。短周期彗星主要来自柯伊伯带和柯伊伯带和散盘，它们的轨道都在黄道平面附近，受到木星等巨行星的引力摄动。长周期彗星则主要来自奥尔特云，它们的轨道方向是各向同性的，也就是说，它们可以从任何方向进入太阳系内部。

长周期彗星的轨道周期可以从200年到数百万年不等，有些甚至是超过一亿年。这些彗星在奥尔特云中静静地等待着被扰动的机会，一旦受到某种外力的影响，它们就会改变轨道，向太阳方向飞驰而去。这种外力可能是来自银河系中心的潮汐力，或者是来自临近恒星、分子云、暗物质等的引力作用。]当这些彗星进入太阳系内部时，它们会受到木星等巨行星的强烈摄动，导致它们的轨道发生变化。有些彗星会被抛出太阳系，有些彗星会撞击太阳或行星，有些彗星会被捕获成为短周期彗星。目前已知的长周期彗星有数千个，其中最著名的是哈雷彗星（Halley’s Comet），它是唯一一个肉眼可见且周期小于100年的长周期彗星。哈雷彗星的轨道周期约为76年，最近一次接近太阳是在1986年，下一次将在2061年。[32]哈雷彗星被认为是来自奥尔特云内层云团（希尔斯云团）的一员，因为它的轨道倾角只有18度。另一个著名的长周期彗星是海耶-波普彗星（Hale-Bopp Comet），它在1997年给人类带来了壮观的天象。海耶-波普彗星的轨道周期约为2500年，它被认为是来自奥尔特云外层云团的一员，因为它的轨道倾角高达89度。

由于奥尔特云距离太阳极远，所以我们目前还没有直接观测到任何奥尔特云天体。要探索奥尔特云需要非常先进和耐久的探测器和通讯技术。目前人类最远抵达的探测器是旅行者1号（Voyager 1），它于1977年发射，并于2012年离开了太阳系内部结构（即日球层），进入了星际空间。旅行者1号目前距离太阳约152 AU（23亿公里），每年飞行3.6 AU（5.4亿公里）。按照这个速度，旅行者1号要花费约300年才能抵达奥尔特云最近处，要花费约14000年才能穿越整个奥尔特云。而且旅行者1号并没有携带足够强大的望远镜来观观测奥尔特云天体，而且它的电力和通讯系统也将在本世纪中期耗尽。因此，要探测奥尔特云需要设计专门的探测器，它们必须具备以下特点：能够以极高的速度飞行，以缩短到达奥尔特云的时间。能够携带强大的望远镜和相机，以便在黑暗的环境中发现和观测奥尔特云天体。能够使用先进的通讯技术，以便在极远的距离上与地球保持联系。能够使用可再生的能源，以便在长期的飞行中提供电力。

目前还没有任何正式的探测奥尔特云的计划，但有一些概念性的提议。例如，美国宇航局（NASA）曾经提出过一个名为“星际探索者”（Interstellar Probe）的项目，它的目标是在本世纪内发射一艘探测器，以每小时25万公里（每秒70公里）的速度飞行，到达距离太阳200 AU（30亿公里）处，并继续向外飞行。这个项目还没有得到正式批准和资助，但已经进行了一些可行性研究。另一个概念性的提议是“百年星舰”（100 Year Starship），它是一个由美国国防部高级研究计划局（DARPA）和美国宇航局（NASA）联合发起的长期项目，旨在促进人类在未来100年内实现星际旅行。这个项目不仅涉及科学技术方面的挑战，还涉及社会、文化、法律、伦理等方面的问题。这个项目目前还处于初期阶段，还没有具体的设计和计划。

总之，奥尔特云是太阳系最遥远和最神秘的区域之一，它是数以万亿计的冰冷小天体组成的一个巨大云团，也是长周期彗星的发源地。奥尔特云是太阳系形成早期原行星盘残余物质，在经历了数十亿年的演化后，仍然保留着太阳系最原始的信息。探索奥尔特云对于了解太阳系和星际空间的性质和历史具有重要意义，但也面临着巨大的技术难题和挑战。我们希望在不久的将来，人类能够突破这些障碍，向奥尔特云发出我们的问候。