Облако Оорта -Oort cloud

Расстояние от облака Оорта до внутренней части Солнечной системы и двух ближайших звезд измеряется в астрономических единицах . Шкала логарифмическая : каждое указанное расстояние в десять раз больше, чем предыдущее расстояние. Красная стрелка указывает местонахождение космического зонда «Вояджер-1» , который достигнет облака Оорта примерно через 300 лет.
Впечатление художника от облака Оорта и пояса Койпера (врезка); размеры объектов увеличены для видимости.

Облако Оорта ( / ɔːr t , ʊər t / ), иногда называемое облаком Эпика-Оорта , впервые описанное в 1950 году голландским астрономом Яном Оортом , представляет собой теоретическую концепцию облака преимущественно ледяных планетезималей , предложенную окружать Солнце на расстояниях в пределах от 2 000 до 200 000 а.е. (от 0,03 до 3,2 световых года ). Оно разделено на две области: дискообразное внутреннее облако Оорта (или облако Хиллса ) и сферическое внешнее облако Оорта. Обе области лежат за гелиосферой и находятся в межзвездном пространстве . Пояс Койпера , рассеянный диск и оторвавшиеся объекты , три других резервуара транснептуновых объектов , находятся менее чем в тысячную от Солнца на расстоянии, равном облаку Оорта.

Внешний предел облака Оорта определяет космографическую границу Солнечной системы и размеры сферы Солнечного холма . Внешнее облако Оорта лишь слабо связано с Солнечной системой, и поэтому на него легко влияет гравитационное притяжение как проходящих звезд , так и самого Млечного Пути . Эти силы время от времени смещают кометы с их орбит внутри облака и направляют их во внутреннюю часть Солнечной системы . Судя по их орбитам, большинство короткопериодических комет могут происходить из рассеянного диска, но некоторые короткопериодические кометы могли появиться из облака Оорта.

Астрономы предполагают, что вещество, составляющее облако Оорта, сформировалось ближе к Солнцу и было рассеяно далеко в космос под действием гравитационных эффектов планет- гигантов в начале эволюции Солнечной системы . Хотя никаких подтвержденных прямых наблюдений за облаком Оорта не проводилось, оно может быть источником, который пополняет большинство долгопериодических комет и комет типа Галлея , входящих во внутреннюю часть Солнечной системы, а также многих кентавров и комет семейства Юпитера .

Гипотеза

Есть два основных класса комет: короткопериодические кометы (также называемые эклиптическими кометами) и долгопериодические кометы (также называемые почти изотропными кометами). Эклиптические кометы имеют относительно небольшие орбиты, менее 10 а.е., и следуют плоскости эклиптики , той же плоскости, в которой лежат планеты. Все долгопериодические кометы имеют очень большие орбиты, порядка тысяч астрономических единиц, и появляются со всех сторон неба.

А. О. Лойшнер в 1907 г. предположил, что многие кометы, которые, как считалось, имеют параболические орбиты и, таким образом, совершают однократное посещение Солнечной системы, на самом деле имеют эллиптические орбиты и возвращаются после очень длительных периодов времени. В 1932 году эстонский астроном Эрнст Эпик предположил, что долгопериодические кометы возникли в орбитальном облаке на самом дальнем краю Солнечной системы . Голландский астроном Ян Оорт независимо возродил эту идею в 1950 году как средство разрешения парадокса:

  • В течение существования Солнечной системы орбиты комет нестабильны, и в конечном итоге динамика диктует, что комета должна либо столкнуться с Солнцем или планетой, либо быть выброшенной из Солнечной системы в результате планетарных возмущений .
  • Более того, их летучий состав означает, что по мере того, как они постоянно приближаются к Солнцу, радиация постепенно испаряет летучие вещества до тех пор, пока комета не расколется или не образуется изолирующая корка, которая предотвратит дальнейшее выделение газа .

Таким образом, рассуждал Оорт, комета не могла сформироваться на своей нынешней орбите и должна была находиться во внешнем резервуаре почти все время своего существования. Он отметил, что пик числа долгопериодических комет с афелией (их самое дальнее расстояние от Солнца) составляет примерно 20 000 а.е., что предполагает резервуар на этом расстоянии со сферическим изотропным распределением. Эти относительно редкие кометы с орбитами около 10 000 а.е., вероятно, прошли один или несколько оборотов по Солнечной системе, и их орбиты были втянуты внутрь гравитацией планет .

Структура и состав

Предполагаемое расстояние облака Оорта по сравнению с остальной частью Солнечной системы.

Считается, что облако Оорта занимает обширное пространство от 2000 до 5000 а.е. (0,03 и 0,08 св. лет) до 50 000 а.е. (0,79 св. лет) от Солнца. По некоторым оценкам, внешняя граница находится на расстоянии от 100 000 до 200 000 а.е. (1,58–3,16 св. Лет). Этот регион можно разделить на сферическое внешнее облако Оорта 20 000–50 000 а.е. (0,32–0,79 св. Лет) и торообразное внутреннее облако Оорта 2 000–20 000 а.е. (0,03–0,32 св. Лет). Внешнее облако лишь слабо связано с Солнцем и поставляет долгопериодические (и, возможно, кометы Галлея) внутри орбиты Нептуна . Внутреннее облако Оорта также известно как облако Хиллса, названное в честь Джека Г. Хиллса , который предположил его существование в 1981 году. Модели предсказывают, что во внутреннем облаке должно быть в десятки или сотни раз больше кометных ядер, чем во внешнем гало; это рассматривается как возможный источник новых комет для пополнения запасов разреженного внешнего облака, поскольку количество последних постепенно истощается. Облако Хиллса объясняет продолжающееся существование облака Оорта спустя миллиарды лет.

Внешнее облако Оорта может иметь триллионы объектов размером более 1 км (0,62 мили) и миллиарды с абсолютной величиной ярче 11 (что соответствует примерно 20-километровому (12 миль) диаметру), с соседними объектами на расстоянии десятков миллионов километров друг от друга. Его общая масса неизвестна, но, если предположить, что комета Галлея является подходящим прототипом для комет во внешнем облаке Оорта, общая масса составляет примерно 3 × 10 25 кг (6,6 × 10 25  фунтов), или в пять раз больше массы Земли. Ранее считалось, что он более массивный (до 380 масс Земли), но более полные знания о распределении долгопериодических комет по размерам привели к более низким оценкам. Никаких известных оценок массы внутреннего облака Оорта не публиковалось.

Если анализ комет репрезентативен в целом, подавляющее большинство объектов облака Оорта состоит из льда, такого как вода , метан , этан , монооксид углерода и цианистый водород . Однако открытие объекта 1996 PW , внешний вид которого соответствовал астероиду D-типа на орбите, типичной для долгопериодической кометы, подтолкнуло к теоретическим исследованиям, которые предполагают, что население облака Оорта состоит примерно из одного-двух процентов. астероиды. Анализ соотношения изотопов углерода и азота как в долгопериодических кометах, так и в кометах семейства Юпитера показывает небольшую разницу между ними, несмотря на то, что они предположительно находятся в совершенно разных регионах происхождения. Это говорит о том, что оба они произошли из первоначального протосолнечного облака, вывод, также подтвержденный исследованиями размера гранул в кометах облака Оорта и недавним исследованием удара кометы семейства Юпитера Tempel 1 .

Источник

Считается, что облако Оорта образовалось после образования планет из первичного протопланетного диска примерно 4,6 миллиарда лет назад. Наиболее широко распространенная гипотеза состоит в том, что объекты облака Оорта изначально слились намного ближе к Солнцу в рамках того же процесса, который сформировал планеты и малые планеты . После образования сильное гравитационное взаимодействие с молодыми газовыми гигантами, такими как Юпитер, разбросало объекты по чрезвычайно широким эллиптическим или параболическим орбитам , которые впоследствии были изменены возмущениями от проходящих звезд и гигантских молекулярных облаков на долгоживущие орбиты, оторванные от области газового гиганта.

Недавнее исследование было процитировано НАСА, выдвинувшим гипотезу о том, что большое количество объектов облака Оорта является продуктом обмена материалами между Солнцем и его родственными звездами, когда они формировались и разлетались друг от друга, и предполагается, что многие — возможно, большинство — объектов облака Оорта облачные объекты не образовывались в непосредственной близости от Солнца. Моделирование эволюции облака Оорта с момента зарождения Солнечной системы до настоящего времени предполагает, что масса облака достигла пика примерно через 800 миллионов лет после образования, поскольку темпы аккреции и столкновения замедлились, а истощение начало преобладать над запасами.

Модели Хулио Анхеля Фернандеса предполагают, что рассеянный диск , который является основным источником периодических комет в Солнечной системе, также может быть основным источником объектов облака Оорта. Согласно моделям, около половины рассеянных объектов движутся наружу, к облаку Оорта, тогда как четверть смещается внутрь к орбите Юпитера, а четверть выбрасывается на гиперболические орбиты. Рассеянный диск, возможно, все еще снабжает облако Оорта материалом. Треть населения рассеянного диска, вероятно, окажется в облаке Оорта через 2,5 миллиарда лет.

Компьютерные модели предполагают, что столкновения кометных обломков в период формирования играют гораздо большую роль, чем считалось ранее. Согласно этим моделям, количество столкновений в начале истории Солнечной системы было настолько велико, что большинство комет были уничтожены до того, как достигли облака Оорта. Следовательно, текущая кумулятивная масса облака Оорта намного меньше, чем предполагалось ранее. Расчетная масса облака составляет лишь небольшую часть от 50–100 земных масс выброшенного материала.

Гравитационное взаимодействие с близлежащими звездами и галактические приливы изменили орбиты комет, сделав их более круглыми. Это объясняет почти сферическую форму внешнего облака Оорта. С другой стороны, облако Хиллса, более сильно связанное с Солнцем, не приобрело сферической формы. Недавние исследования показали, что формирование облака Оорта в целом совместимо с гипотезой о том, что Солнечная система сформировалась как часть встроенного скопления из 200–400 звезд. Эти ранние звезды, вероятно, сыграли роль в формировании облака, поскольку количество близких звездных проходов внутри скопления было намного выше, чем сегодня, что приводило к гораздо более частым возмущениям.

В июне 2010 года Гарольд Ф. Левисон и другие предположили на основе расширенного компьютерного моделирования, что Солнце «захватывало кометы от других звезд, когда оно находилось в своем скоплении рождения ». Их результаты подразумевают, что «значительная часть комет облака Оорта, возможно, превышающая 90%, происходит из протопланетных дисков других звезд». В июле 2020 года Амир Сирадж и Ави Леб обнаружили, что обнаружение происхождения облака Оорта в скоплении рождения Солнца может снять теоретическую напряженность при объяснении наблюдаемого соотношения внешнего облака Оорта к рассеянным объектам диска и, кроме того, может увеличить шансы захватил Планету Девять .

Кометы

Считается, что кометы имеют две разные точки происхождения в Солнечной системе. Обычно считается, что короткопериодические кометы (с периодом обращения до 200 лет) возникли либо из пояса Койпера , либо из рассеянного диска, которые представляют собой два соединенных плоских диска ледяных обломков за пределами орбиты Нептуна на расстоянии 30 а. 100 а.е. от Солнца. Считается , что кометы с очень длинным периодом, такие как C/1999 F1 (Каталина) , орбиты которых длятся миллионы лет, происходят непосредственно из внешнего облака Оорта. Другие кометы, смоделированные как пришедшие непосредственно из внешнего облака Оорта, включают C/2006 P1 (McNaught) , C/2010 X1 (Elenin) , комету ISON , C/2013 A1 (Siding Spring) , C/2017 K2 и C/2017. Т2 (ПАНСТАРРС) . Орбиты в пределах пояса Койпера относительно стабильны, поэтому считается, что очень немногие кометы возникли там. Однако рассеянный диск динамически активен и, скорее всего, является местом происхождения комет. Кометы переходят с рассеянного диска в царство внешних планет, становясь тем, что известно как кентавры . Затем эти кентавры отправляются дальше внутрь, чтобы стать короткопериодическими кометами.

Есть две основные разновидности короткопериодических комет: кометы семейства Юпитера (с большой полуосью менее 5 а.е.) и кометы семейства Галлея. Кометы семейства Галлея, названные в честь своего прототипа, кометы Галлея , необычны тем, что, хотя они и являются короткопериодическими кометами, предполагается, что их окончательное происхождение лежит в облаке Оорта, а не в рассеянном диске. Основываясь на их орбитах, предполагается, что это были долгопериодические кометы, которые были захвачены гравитацией планет-гигантов и отправлены во внутреннюю часть Солнечной системы. Этот процесс, возможно, также создал нынешние орбиты значительной части комет семейства Юпитера, хотя считается, что большинство таких комет возникли в рассеянном диске.

Оорт отметил, что количество возвращающихся комет было намного меньше, чем предсказывала его модель, и эту проблему, известную как «затухание комет», еще предстоит решить. Неизвестно ни одного динамического процесса, объясняющего меньшее количество наблюдаемых комет, чем предполагал Оорт. Гипотезы этого несоответствия включают разрушение комет из-за приливных напряжений, ударов или нагрева; потеря всех летучих веществ , делающая некоторые кометы невидимыми, или образование нелетучей корки на поверхности. Динамические исследования гипотетических комет облака Оорта показали, что их встречаемость в области внешней планеты будет в несколько раз выше, чем во внутренней области планеты. Это несоответствие может быть связано с гравитационным притяжением Юпитера , который действует как своего рода барьер, улавливая приближающиеся кометы и заставляя их сталкиваться с ним, как это произошло с кометой Шумейкера-Леви 9 в 1994 г. Пример типичного динамического Старая комета, возникшая в облаке Оорта, может быть C/2018 F4.

Приливные эффекты

Большинство комет, видимых близко к Солнцу, по-видимому, достигли своих нынешних положений из-за гравитационного возмущения облака Оорта приливной силой, создаваемой Млечным Путем . Точно так же, как приливная сила Луны деформирует земные океаны, вызывая приливы и отливы, галактический прилив также искажает орбиты тел во внешней части Солнечной системы . В отмеченных на карте регионах Солнечной системы эти эффекты незначительны по сравнению с гравитацией Солнца, но во внешних пределах системы гравитация Солнца слабее, а градиент гравитационного поля Млечного Пути оказывает существенное влияние. Галактические приливные силы растягивают облако по оси, направленной к галактическому центру, и сжимают его по двум другим осям; эти небольшие возмущения могут смещать орбиты в облаке Оорта, приближая объекты к Солнцу. Точка, в которой гравитация Солнца уступает свое влияние галактическому приливу, называется приливным радиусом усечения. Он находится в радиусе от 100 000 до 200 000 а.е. и отмечает внешнюю границу облака Оорта.

Некоторые ученые предполагают, что галактический прилив мог способствовать формированию облака Оорта за счет увеличения перигелия ( наименьшего расстояния до Солнца) планетезималей с большой афелией (наибольшего расстояния до Солнца). Эффекты галактического прилива довольно сложны и сильно зависят от поведения отдельных объектов в планетарной системе. Однако в совокупности эффект может быть весьма значительным: до 90% всех комет, происходящих из облака Оорта, могут быть результатом галактического прилива. Статистические модели наблюдаемых орбит долгопериодических комет утверждают, что галактический прилив является основным средством, с помощью которого их орбиты отклоняются в сторону внутренней части Солнечной системы.

Звездные возмущения и гипотезы о звездных спутниках

Помимо галактического прилива , считается, что основной причиной отправки комет во внутреннюю часть Солнечной системы является взаимодействие между солнечным облаком Оорта и гравитационными полями ближайших звезд или гигантских молекулярных облаков . Орбита Солнца через плоскость Млечного Пути иногда сближает его с другими звездными системами . Например, предполагается, что 70 тысяч лет назад, возможно, Звезда Шольца прошла через внешнее облако Оорта (хотя ее малая масса и высокая относительная скорость ограничивали ее влияние). В течение следующих 10 миллионов лет известной звездой с наибольшей вероятностью возмущения облака Оорта будет Глизе 710 . Этот процесс также может рассеивать объекты облака Оорта за пределы плоскости эклиптики, что потенциально также объясняет его сферическое распределение.

В 1984 году физик Ричард А. Мюллер предположил, что у Солнца есть еще не обнаруженный компаньон, коричневый или красный карлик на эллиптической орбите внутри облака Оорта. Предполагалось, что этот объект, известный как Немезида , проходит через часть облака Оорта примерно каждые 26 миллионов лет, бомбардируя внутреннюю часть Солнечной системы кометами. Однако на сегодняшний день не было найдено никаких доказательств существования Немезиды, и многие линии доказательств (например, подсчет кратеров ) поставили под сомнение его существование. Недавний научный анализ больше не поддерживает идею о том, что вымирания на Земле происходят через регулярные повторяющиеся промежутки времени. Таким образом, гипотеза Немезиды больше не нужна для объяснения текущих предположений.

Несколько похожая гипотеза была выдвинута астрономом Джоном Дж. Матезе из Университета Луизианы в Лафайете в 2002 году. Он утверждает, что во внутреннюю часть Солнечной системы из определенной области предполагаемого облака Оорта прибывает больше комет, чем можно объяснить галактическим только прилив или звездные возмущения, и что наиболее вероятной причиной будет объект массой Юпитера на далекой орбите. Этот гипотетический газовый гигант получил прозвище Тихе . Миссия WISE , обзор всего неба с использованием измерений параллакса для уточнения локальных расстояний до звезд, смогла подтвердить или опровергнуть гипотезу Тихе. В 2014 году НАСА объявило, что обзор WISE исключил любой объект, как они его определили.

Исследование будущего

Космические зонды еще не достигли области облака Оорта. «Вояджер-1» , самый быстрый и дальний из межпланетных космических аппаратов, в настоящее время покидающих Солнечную систему, достигнет облака Оорта примерно через 300 лет, и ему потребуется около 30 000 лет, чтобы пройти через него. Однако примерно в 2025 году радиоизотопные термоэлектрические генераторы на «Вояджере-1» больше не будут обеспечивать достаточную мощность для работы какого - либо из его научных инструментов, что предотвратит дальнейшие исследования « Вояджера-1». быть нефункциональными, когда они достигают облака Оорта.

В 1980-х годах существовала концепция зонда, который мог достичь 1000 а.е. за 50 лет, под названием TAU ; среди его миссий будет поиск облака Оорта.

В Объявлении о возможностях программы Discovery 2014 года была предложена обсерватория для обнаружения объектов в облаке Оорта (и поясе Койпера) под названием «Миссия Уиппла» . Он будет отслеживать далекие звезды с помощью фотометра, ища транзиты на расстоянии до 10 000 астрономических единиц. Обсерватория была предложена для гало на орбите вокруг L2 с предполагаемой 5-летней миссией. Также предполагалось, что обсерватория Кеплера могла обнаруживать объекты в облаке Оорта.

Смотрите также

Рекомендации

Заметки с пояснениями

Внешние ссылки

Прослушать эту статью ( 21 минута )
Разговорный значок Википедии
Этот аудиофайл был создан на основе редакции этой статьи от 2 апреля 2012 г. и не отражает последующих правок. ( 2012-04-02 )