Облако Оорта ( / ɔːr t , ʊər t / ), [1] иногда называемое облаком Эпика–Оорта , [2] теоретически представляет собой огромное облако ледяных планетезималей, окружающих Солнце на расстоянии от 2000 до 200 000 а. е. (от 0,03 до 3,2 световых лет ). [3] [примечание 1] [4] Концепция такого облака была предложена в 1950 году голландским астрономом Яном Оортом , в честь которого и была названа идея. Оорт предположил, что тела в этом облаке пополняют и поддерживают постоянным число долгопериодических комет, входящих во внутреннюю часть Солнечной системы , — где они в конечном итоге поглощаются и разрушаются во время близких сближений с Солнцем. [5]
Предполагается, что облако Оорта охватывает две области: дискообразное внутреннее облако Оорта, выровненное с солнечной эклиптикой (также называемое облаком Хиллса ), и сферическое внешнее облако Оорта, охватывающее всю Солнечную систему . Обе области лежат далеко за пределами гелиосферы и находятся в межзвездном пространстве . [4] [6] Самая внутренняя часть облака Оорта более чем в тысячу раз дальше от Солнца, чем пояс Койпера , рассеянный диск и отдельные объекты — три более близких резервуара транснептуновых объектов .
Внешняя граница облака Оорта определяет космографическую границу Солнечной системы . Эта область определяется сферой Холма Солнца и, следовательно, лежит на границе между солнечным и галактическим гравитационным владычеством. [7] Внешнее облако Оорта лишь слабо связано с Солнечной системой, и его составляющие легко подвергаются гравитационным притяжениям как проходящих звезд , так и самого Млечного Пути . Эти силы служили для смягчения и придания более круглой формы высоко эксцентричным орбитам материала, выброшенного из внутренней Солнечной системы на ранних этапах ее развития . Круговые орбиты материала в диске Оорта во многом обусловлены этим галактическим гравитационным закручиванием. [8] К тому же, галактическое вмешательство в движение тел Оорта иногда смещает кометы с их орбит внутри облака, отправляя их во внутреннюю Солнечную систему . [4] Судя по их орбитам, большинство, но не все, короткопериодических комет , по-видимому, пришли из диска Оорта. Другие короткопериодические кометы могли возникнуть из гораздо большего сферического облака. [4] [9]
Астрономы предполагают, что материал, находящийся в настоящее время в облаке Оорта, сформировался гораздо ближе к Солнцу, в протопланетном диске , а затем был рассеян далеко в космосе из-за гравитационного влияния планет-гигантов . [4] Никакое прямое наблюдение облака Оорта невозможно с помощью современных технологий получения изображений. [10] Тем не менее, облако считается источником, который пополняет большинство долгопериодических и комет типа Галлея , которые в конечном итоге поглощаются их близкими сближениями с Солнцем после входа во внутреннюю часть Солнечной системы. Облако также может выполнять ту же функцию для многих кентавров и комет семейства Юпитера . [9]
К началу 20-го века стало понятно, что существует два основных класса комет: короткопериодические кометы (также называемые эклиптическими кометами) и долгопериодические кометы (также называемые почти изотропными кометами). Эклиптические кометы имеют относительно небольшие орбиты, выровненные вблизи плоскости эклиптики , и не встречаются намного дальше обрыва Койпера , примерно в 50 а. е. от Солнца (орбита Нептуна в среднем составляет около 30 а. е., а 177P/Barnard имеет афелий около 48 а. е.). Долгопериодические кометы, с другой стороны, движутся по очень большим орбитам в тысячах а. е. от Солнца и распределены изотропно. Это означает, что долгопериодические кометы появляются со всех сторон на небе, как выше, так и ниже плоскости эклиптики. [11] Происхождение этих комет не было до конца понято, и изначально предполагалось, что многие долгопериодические кометы движутся по параболическим траекториям, что делает их разовыми посетителями Солнца из межзвездного пространства.
В 1907 году Армин Отто Лейшнер предположил, что многие из комет, которые тогда считались имеющими параболические орбиты, на самом деле двигались по чрезвычайно большим эллиптическим орбитам, которые возвращали их во внутреннюю часть Солнечной системы после длительных интервалов, в течение которых они были невидимы для земной астрономии. [12] В 1932 году эстонский астроном Эрнст Эпик предложил резервуар долгопериодических комет в форме орбитального облака на самом внешнем краю Солнечной системы . [13] Голландский астроном Ян Оорт возродил эту основную идею в 1950 году, чтобы разрешить парадокс о происхождении комет. Следующие факты нелегко согласовать с сильно эллиптическими орбитами, на которых всегда находятся долгопериодические кометы:
Оорт рассуждал, что кометы с орбитами, которые близко приближаются к Солнцу, не могли делать этого с момента конденсации протопланетного диска, более 4,5 миллиардов лет назад. Следовательно, долгопериодические кометы не могли образоваться на нынешних орбитах, на которых их всегда обнаруживают, и должны были удерживаться во внешнем резервуаре в течение почти всего своего существования. [14] [15] [11]
Оорт также изучал таблицы эфемерид для долгопериодических комет и обнаружил, что существует любопытная концентрация долгопериодических комет, чье самое дальнее отступление от Солнца (их афелии ) скапливается около 20 000 а.е. Это предполагает наличие резервуара на этом расстоянии со сферическим, изотропным распределением. Он также предположил, что относительно редкие кометы с орбитами около 10 000 а.е., вероятно, прошли через одну или несколько орбит во внутреннюю часть Солнечной системы и там их орбиты были втянуты внутрь гравитацией планет . [11]
Предполагается, что облако Оорта занимает обширное пространство где-то между 2000 и 5000 а.е. (0,03 и 0,08 световых лет) [11] от Солнца до 50 000 а.е. (0,79 световых лет) или даже от 100 000 до 200 000 а.е. (1,58 до 3,16 световых лет). [4] [11] Регион можно разделить на сферическое внешнее облако Оорта с радиусом около 20 000–50 000 а.е. (0,32–0,79 световых лет) и внутреннее облако Оорта в форме тора с радиусом 2 000–20 000 а.е. (0,03–0,32 световых лет).
Внутреннее облако Оорта иногда называют облаком Хиллса, названным в честь Джека Г. Хиллса , который предположил его существование в 1981 году. [16] Модели предсказывают, что внутреннее облако будет гораздо плотнее из двух, имея в десятки или сотни раз больше кометных ядер, чем внешнее облако. [16] [17] [18] Считается, что облако Хиллса необходимо для объяснения продолжающегося существования облака Оорта после миллиардов лет. [19]
Поскольку оно находится на границе между доминионом солнечной и галактической гравитации, объекты, составляющие внешнее облако Оорта, слабо связаны с Солнцем. Это, в свою очередь, позволяет небольшим возмущениям от близлежащих звезд или самого Млечного Пути впрыскивать долгопериодические (и, возможно, типа Галлея ) кометы внутрь орбиты Нептуна . [4] Этот процесс должен был истощить более разреженное внешнее облако, и тем не менее долгопериодические кометы с орбитами значительно выше или ниже эклиптики продолжают наблюдаться. Облако Хиллс считается вторичным резервуаром кометных ядер и источником пополнения для разреженного внешнего облака, поскольку численность последнего постепенно истощается из-за потерь во внутренней части Солнечной системы.
Внешнее облако Оорта может иметь триллионы объектов размером более 1 км (0,6 мили) [4] и миллиарды с диаметром 20 километров (12 миль). Это соответствует абсолютной величине более 11. [20] Согласно этому анализу, «соседние» объекты во внешнем облаке разделены значительной долей в 1 а.е., десятками миллионов километров. [9] [21] Общая масса внешнего облака неизвестна, но если предположить, что комета Галлея является подходящим прокси для ядер, составляющих внешнее облако Оорта, их общая масса будет составлять примерно 3 × 10 25 килограммов (6,6 × 10 25 фунтов) или пять масс Земли. [4] [22] Ранее считалось, что внешнее облако массивнее на два порядка, содержащее до 380 масс Земли, [23] но улучшенные знания о распределении размеров долгопериодических комет привели к более низким оценкам. По состоянию на 2023 год оценки массы внутреннего облака Оорта не были опубликованы.
Если анализы комет являются репрезентативными для всего, подавляющее большинство объектов облака Оорта состоят из льдов, таких как вода , метан , этан , оксид углерода и цианистый водород . [24] Однако открытие объекта 1996 PW , объекта, внешний вид которого соответствовал астероиду D-типа [25] [26] на орбите, типичной для долгопериодической кометы, побудило теоретические исследования, которые предполагают, что популяция облака Оорта состоит примерно из одного-двух процентов астероидов. [27] Анализ соотношений изотопов углерода и азота как в долгопериодических кометах, так и в кометах семейства Юпитера показывает небольшую разницу между ними, несмотря на их предположительно сильно разделенные регионы происхождения. Это говорит о том, что оба произошли из исходного протосолнечного облака, [28] вывод также подтверждается исследованиями размера гранул в кометах облака Оорта [29] и недавним исследованием удара кометы семейства Юпитера Темпель 1 . [30]
Считается, что облако Оорта образовалось после формирования планет из первичного протопланетного диска примерно 4,6 миллиарда лет назад. [4] Наиболее широко принятая гипотеза заключается в том, что объекты облака Оорта изначально объединились гораздо ближе к Солнцу в рамках того же процесса, который сформировал планеты и малые планеты . После формирования сильные гравитационные взаимодействия с молодыми газовыми гигантами, такими как Юпитер, разбросали объекты по чрезвычайно широким эллиптическим или параболическим орбитам , которые впоследствии были изменены возмущениями от проходящих звезд и гигантских молекулярных облаков в долгоживущие орбиты, отделенные от области газового гиганта. [4] [31]
Недавние исследования были процитированы NASA, выдвинув гипотезу о том, что большое количество объектов облака Оорта являются продуктом обмена материалами между Солнцем и его родственными звездами, когда они формировались и расходились, и предполагается, что многие — возможно, большинство — объектов облака Оорта не сформировались в непосредственной близости от Солнца. [32] Моделирование эволюции облака Оорта от начала Солнечной системы до настоящего времени предполагает, что масса облака достигла пика примерно через 800 миллионов лет после формирования, поскольку темпы аккреции и столкновений замедлились, а истощение начало обгонять поставку. [4]
Модели Хулио Анхеля Фернандеса предполагают, что рассеянный диск , который является основным источником периодических комет в Солнечной системе, может также 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 по гиперболическим орбитам. Рассеянный диск может по-прежнему снабжать облако Оорта материалом. [33] Треть населения рассеянного диска, вероятно, окажется в облаке Оорта через 2,5 миллиарда лет. [34]
Компьютерные модели предполагают, что столкновения кометных обломков в период формирования играют гораздо большую роль, чем считалось ранее. Согласно этим моделям, число столкновений в начале истории Солнечной системы было настолько велико, что большинство комет были уничтожены до того, как достигли облака Оорта. Таким образом, текущая совокупная масса облака Оорта намного меньше, чем предполагалось ранее. [35] Оценочная масса облака составляет лишь малую часть от 50–100 масс Земли выброшенного материала. [4]
Гравитационное взаимодействие с близлежащими звездами и галактическими приливами изменило кометные орбиты, сделав их более круглыми. Это объясняет почти сферическую форму внешнего облака Оорта. [4] С другой стороны, облако Хиллса , которое сильнее связано с Солнцем, не приобрело сферическую форму. Недавние исследования показали, что формирование облака Оорта в целом совместимо с гипотезой о том, что Солнечная система образовалась как часть встроенного скопления из 200–400 звезд. Эти ранние звезды, вероятно, сыграли свою роль в формировании облака, поскольку количество близких звездных проходов внутри скопления было намного выше, чем сегодня, что приводило к гораздо более частым возмущениям. [36]
В июне 2010 года Гарольд Ф. Левисон и другие предположили на основе улучшенного компьютерного моделирования, что Солнце «захватывало кометы из других звезд, пока оно находилось в своем родовом скоплении ». Их результаты подразумевают, что «значительная часть комет облака Оорта, возможно, превышающая 90%, происходят из протопланетных дисков других звезд». [37] [38] В июле 2020 года Амир Сирадж и Ави Лёб обнаружили, что захваченное происхождение облака Оорта в родовом скоплении Солнца может устранить теоретическую напряженность в объяснении наблюдаемого соотношения внешнего облака Оорта к рассеянным объектам диска , и, кроме того, может увеличить шансы захваченной Девятой планеты . [39] [40] [41]
Считается, что кометы имеют две отдельные точки происхождения в Солнечной системе. Короткопериодические кометы (с орбитами до 200 лет) обычно считаются возникшими либо из пояса Койпера , либо из рассеянного диска, который представляет собой два связанных плоских диска ледяного мусора за орбитой Нептуна в 30 а. е. и совместно простирающихся за пределы 100 а. е. Очень долгопериодические кометы, такие как C/1999 F1 (Каталина) , орбиты которых длятся миллионы лет, как полагают, происходят непосредственно из внешнего облака Оорта. [42] Другие кометы, которые, как моделируется, произошли непосредственно из внешнего облака Оорта, включают C/2006 P1 (Макнот) , C/2010 X1 (Еленин) , комету ISON , C/2013 A1 (Сайдинг Спринг) , C/2017 K2 и C/2017 T2 (PANSTARRS) . Орбиты в поясе Койпера относительно стабильны, поэтому считается, что очень немногие кометы возникают там. Рассеянный диск, однако, динамически активен и с гораздо большей вероятностью является местом происхождения комет. [11] Кометы переходят из рассеянного диска в область внешних планет, становясь тем, что известно как кентавры . [43] Затем эти кентавры отправляются дальше внутрь, чтобы стать кометами с коротким периодом. [44]
Существует 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 конечное происхождение находится в облаке Оорта, а не в рассеянном диске. На основании их орбит предполагается, что это были долгопериодические кометы, которые были захвачены гравитацией гигантских планет и отправлены во внутреннюю часть Солнечной системы. [15] Этот процесс также мог создать нынешние орбиты значительной части комет семейства Юпитера, хотя большинство таких комет, как полагают, возникли в рассеянном диске. [9]
Оорт отметил, что число возвращающихся комет было намного меньше, чем предсказывала его модель, и эта проблема, известная как «затухание комет», еще не решена. Неизвестно ни одного динамического процесса, который мог бы объяснить меньшее число наблюдаемых комет, чем предполагал Оорт. Гипотезы этого несоответствия включают разрушение комет из-за приливных напряжений, ударов или нагрева; потерю всех летучих веществ , что делает некоторые кометы невидимыми, или образование нелетучей корки на поверхности. [45] Динамические исследования гипотетических комет облака Оорта подсчитали, что их появление во внешнепланетном регионе будет в несколько раз выше, чем во внутрипланетном регионе. Это несоответствие может быть связано с гравитационным притяжением Юпитера , который действует как своего рода барьер, задерживая приближающиеся кометы и заставляя их сталкиваться с ним, как это было с кометой Шумейкера–Леви 9 в 1994 году. [46] Примером типичной динамически старой кометы с происхождением в облаке Оорта может быть C/2018 F4. [47]
Большинство комет, наблюдаемых вблизи Солнца, по-видимому, достигли своих нынешних положений из-за гравитационного возмущения облака Оорта приливной силой , оказываемой Млечным Путем . Так же, как приливная сила Луны деформирует океаны Земли, вызывая приливы и отливы, галактический прилив также искажает орбиты тел во внешней Солнечной системе . В нанесенных на карту регионах Солнечной системы эти эффекты незначительны по сравнению с гравитацией Солнца, но во внешних пределах системы гравитация Солнца слабее, а градиент гравитационного Галактического Центра Млечного Пути сжимает его вдоль двух других осей; эти небольшие возмущения могут смещать орбиты в облаке Оорта, приближая объекты к Солнцу. [48] Точка, в которой гравитация Солнца уступает свое влияние галактическому приливу, называется радиусом приливного усечения. Он расположен в радиусе от 100 000 до 200 000 а.е. и отмечает внешнюю границу облака Оорта. [11]
Некоторые ученые предполагают, что галактический прилив мог способствовать формированию облака Оорта, увеличивая перигелии ( наименьшие расстояния до Солнца) планетезималей с большими афелиями (наибольшие расстояния до Солнца). [49] Эффекты галактического прилива довольно сложны и сильно зависят от поведения отдельных объектов в планетной системе. Однако в совокупности эффект может быть весьма значительным: до 90% всех комет, происходящих из облака Оорта, могут быть результатом галактического прилива. [50] Статистические модели наблюдаемых орбит долгопериодических комет утверждают, что галактический прилив является основным средством, с помощью которого их орбиты возмущены в сторону внутренней части Солнечной системы. [51]
Помимо галактического прилива , основным триггером для отправки комет во внутреннюю часть Солнечной системы считается взаимодействие между облаком Оорта Солнца и гравитационными полями близлежащих звезд [4] или гигантских молекулярных облаков . [46] Орбита Солнца через плоскость Млечного Пути иногда приводит его в относительно близкую близость к другим звездным системам . Например, предполагается, что 70 000 лет назад звезда Шольца прошла через внешнее облако Оорта (хотя ее малая масса и высокая относительная скорость ограничивали ее эффект). [52] В течение следующих 10 миллионов лет известной звездой с наибольшей вероятностью возмущения облака Оорта является Gliese 710. [ 53] Этот процесс также мог рассеять объекты облака Оорта из плоскости эклиптики, потенциально также объясняя его сферическое распределение. [53] [54]
В 1984 году физик Ричард А. Мюллер предположил, что у Солнца есть пока еще не обнаруженный спутник, либо коричневый карлик , либо красный карлик , на эллиптической орбите в облаке Оорта. Этот объект, известный как Немезида , был выдвинут гипотезой о том, что он проходит через часть облака Оорта примерно каждые 26 миллионов лет, бомбардируя внутреннюю часть Солнечной системы кометами. Однако до сих пор не было найдено никаких доказательств существования Немезиды, и многие линии доказательств (такие как количество кратеров ) поставили ее существование под сомнение. [55] [56] Недавний научный анализ больше не поддерживает идею о том, что вымирания на Земле происходят через регулярные, повторяющиеся интервалы. [57] Таким образом, гипотеза Немезиды больше не нужна для объяснения текущих предположений. [57]
Несколько похожая гипотеза была выдвинута астрономом Джоном Дж. Матезе из Университета Луизианы в Лафайете в 2002 году. Он утверждает, что больше комет прибывает во внутреннюю часть Солнечной системы из определенного региона постулируемого облака Оорта, чем можно объяснить только галактическим приливом или звездными возмущениями, и что наиболее вероятной причиной был бы объект с массой Юпитера на далекой орбите. [58] Этот гипотетический газовый гигант был назван Тихе . Миссия WISE , обзор всего неба с использованием измерений параллакса для уточнения расстояний до локальных звезд, была способна доказать или опровергнуть гипотезу Тихе. [57] В 2014 году НАСА объявило, что обзор WISE исключил любой объект, как они его определили. [59]
Космические зонды еще не достигли области облака Оорта. Voyager 1 , некогда самый быстрый [60] и самый дальний [61] [62] из межпланетных космических зондов, в настоящее время покидающих Солнечную систему, достигнет облака Оорта примерно через 300 лет [6] [63] и ему потребуется около 30 000 лет, чтобы пройти через него. [64] [65] Однако около 2025 года радиоизотопные термоэлектрические генераторы на Voyager 1 больше не будут обеспечивать достаточно энергии для работы любого из его научных приборов, что сделает невозможным дальнейшее исследование Voyager 1. Остальные четыре зонда, в настоящее время покидающие Солнечную систему, либо уже прекратили работу, либо, как ожидается, прекратят работу до того, как достигнут облака Оорта.
В 1980-х годах существовала концепция зонда, который мог бы достичь 1000 а.е. за 50 лет, называемого TAU ; среди его миссий был бы поиск облака Оорта. [66]
В 2014 году в «Объявлении о возможностях для программы Discovery» была предложена обсерватория для обнаружения объектов в облаке Оорта (и поясе Койпера), названная «Миссия Уиппла» . [67] Она будет следить за далекими звездами с помощью фотометра, отслеживая транзиты на расстоянии до 10 000 а.е. [67] Обсерватория была предложена для гало-орбиты вокруг L2 с предполагаемой 5-летней миссией. [67] Также предполагалось, что космический телескоп «Кеплер» мог бы быть способен обнаруживать объекты в облаке Оорта. [68]
Voyager 1 покидает Солнечную систему со скоростью 17 километров в секунду.