你知道,太陽繫到底有多大嗎?

2020-12-08 宇宙科學館

(註:閱讀本文大約需要4分鐘)

太陽系效果圖

人們對太陽系的邊緣在什麼位置,也就是太陽繫到底有多大的爭論由來已久。其實要弄明白太陽系有多大,首先搞明白佔據太陽系總質量99.86%的中心天體太陽的引力範圍到底有多廣。我們不妨先從軌道跨度最大的冥王星開始,這個距太陽平均距離約39.95AU的星球,起初被認為是一顆行星,排在海王星之後。但後來天文學家,麥可·E·布郞、查德·特魯希略、戴維·拉比諾維茨等人,發現了序號為:136199Eris的鬩神星。鬩神星直徑約2326公裡比冥王星2371公裡短一點,但鬩神星的質量卻比冥王星大出許多(鬩神星質量約是1.67×10^22千克,冥王星質量約是1.47×10^22千克),並且冥王星和鬩神星等小天體一樣主要是由巖石、水冰組成。所以冥王星被國際天文聯和會重新認定為和鬩神星、穀神星等小天體一樣都是矮行星,不在是太陽系第九大行星。

冥王星

前面我們說冥王星軌道跨度大,是因為離心率為0.24905,這導致它近日點約29.66AU,遠日點49.32AU,遠日點軌道直接到達了柯伊伯帶。太陽光的速度也需要近七個多小時才可以到達冥王星的遠日點處。

柯伊伯帶想像圖

以前的人們認為在距太陽30到50左右AU的地方,星一片虛空,也就是所謂的星際空間,太陽系邊緣。直到美國天文學家傑拉德·柯伊伯提出,太陽系外圍可能會存在一個以冰物質為主的帶狀區域。這個地方大約離太陽50AU,是一個天體密集,圓盤狀的區域(柯伊伯帶就是以他的名字命名)。我們可以把柯伊伯帶,簡單的想像成太陽系的環。而柯伊伯帶的形成被普遍認為是太陽系形成後,原始星盤殘留的物質碎片。大多是一些小的天體、彗星等,最大直徑不超過3000公裡。計算機模擬發現,不說太陽就連木星,土星,海王星等都會影響柯伊伯帶的小天體,時不時向太陽系中心行進。如我們記錄到撞擊木星的蘇梅克·列維九號彗星,就有可能是來自於柯伊伯帶。這樣的話,太陽的引力絕不止步於此。

模擬太陽系初期形成的星雲。

還有一種猜測,那就是太陽系是被外層的奧爾特星雲包圍著的(註:奧爾特星並沒有被觀測到或已經證實,這裡只是科學家的猜測),而這團巨大的星雲裡有無數活躍的彗星,就像是一個彗星加工廠。形成原因,有可能是50億年前,形成太陽及行星的殘餘星雲物質。假設認為,在一開始形成奧爾特星雲的初始物質,可能比柯伊伯帶更接近太陽系內部,從但是在新生的太陽和各大行星強大引力的影響下,這些質量不大的的星雲物質漸漸遠離太陽系,向更遠的地方飄去。在這個遠離的過程中,更多的宇宙初期物質匯集在一起,久而久之形成現在的奧爾特星雲。天文學家估計奧爾特星雲最寬處達1光年(約是2.592×10^10×365=9460800000000公裡)。奧爾特星雲所佔空間對於我們來說不可想像,但在宇宙尺度上,不值得一提。根據猜想太陽距奧爾特星雲最近處約0.03至0.08光年(約2000至5000AU),最遠處達0.79光年(約50000AU).

奧爾特星雲

奧爾特星雲中存在無數的小天體,直徑1公裡到幾百上千公裡,沒有太大天體的原因是,這些星雲殘餘不足以形成像太陽系行星一樣的大質量天體。天文學家認為奧爾特星雲裡的物質是由水冰、甲烷、乙烷、一氧化碳、氰化氫等組成。分析指出,也許這些小天體會受太陽引力影響向太陽系飄來,要想證明這個結論,目前只能靠對彗星成份的研究,觀察其同俠位素是否與太陽系的成份有所不同。

奧爾特星雲、柯伊伯帶、太陽系對比

這些只是假設,假如這個假設正確,那麼我們的太陽系邊界真的處於待證實的奧爾特星雲。這樣一來,太陽系範圍半徑就可能達1.7光年左右,也就是說以太陽為主導的太陽系是一個直徑達3.4光年左右的巨大面積。而離我們最近的半人馬座只有4.2光年。文字不足以幫助我們理解以光年為單位的距離,這裡我距離說明一下:就算是已飛行42年的旅行者1號要想到達奧爾特星雲也需要480年左右(根據奧爾特星雲最近位置,和旅行者的飛行速度,粗略估算的,別介意。),而要想完全穿越整個奧爾特星雲可能需要幾萬年的時間。根據旅行者1號的資料顯示,2025年它的放射性同位素電池就無為任何科學儀器提供電力,也就是說即使安全到達奧爾特星雲也沒有辦法對其進行科學探測。2025年後旅行者1號只能靜默飛行,直到……

遠徵的勇士,旅行者一號

追隨旅行者1號的有旅行者2號、先驅者10號、先驅者11號和新視野號探測器,它們和旅行者1號一樣,都沒有辦法讓電力撐到安全到達奧爾特星雲,並對奧爾特星雲進行科學分析,並向地球傳會數據。如果奧爾特星雲形成,及目前所處位置沒錯的話,那麼我們太陽系的邊界就真的是太大了。這樣一來,有人說我們幾百年內無法走出太陽系也是對的。關於奧爾特星雲,我們目前沒有直接證據表面有或沒有,或是有多大、範圍多廣,這一切只是目前的科學猜想。只要保持這種永無止境的好奇心,我相信不久的將來,我們會研製出更先進的空間飛行器也許會追上旅行者1號,代替它去探測無人的深空。謝謝大家,歡迎指正!

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