Облако Оорта ( / ɔːr t , ʊər t / ), [1] иногда называемое облаком Эпика-Оорта , [2] теоретически представляет собой обширное облако ледяных планетезималей , окружающих Солнце на расстояниях от 2000 до 200 000 а.е. (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 идея была названа. Оорт предположил, что тела в этом облаке пополняют и поддерживают постоянным количество долгопериодических комет, входящих во внутреннюю часть Солнечной системы , где они в конечном итоге поглощаются и уничтожаются во время близких сближений с Солнцем. [5]
Считается, что облако состоит из двух областей: внутреннего облака Оорта в форме диска, выровненного по солнечной эклиптике (также называемого облаком Хиллс ), и сферического внешнего облака Оорта, охватывающего всю Солнечную систему . Оба региона лежат далеко за пределами гелиосферы и находятся в межзвездном пространстве . [4] [6] Пояс Койпера , рассеянный диск и отдельные объекты — три других резервуара транснептуновых объектов — находятся более чем в тысячу раз ближе к Солнцу, чем самая внутренняя часть облака Оорта.
Внешняя граница облака Оорта определяет космографическую границу Солнечной системы . Эта область определяется сферой Солнечного холма и, следовательно, находится на границе между солнечным и галактическим гравитационным господством. [7] Внешнее облако Оорта лишь слабо связано с Солнечной системой, и на его составляющие легко влияет гравитационное притяжение как проходящих звезд , так и самого Млечного Пути . Эти силы служили для смягчения и придания более круговых сильно эксцентричных орбит материала, выброшенного из внутренней части солнечной системы на ранних стадиях ее развития . Круговые орбиты материала в диске Оорта во многом обусловлены этим галактическим гравитационным воздействием. [8] Точно так же галактическое вмешательство в движение тел Оорта иногда сбивает кометы с их орбит внутри облака, отправляя их во внутреннюю часть Солнечной системы . [4] Судя по их орбитам, большинство, но не все, короткопериодических комет 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 под действием гравитационного воздействия планет- гигантов . [4] При нынешней технологии визуализации прямое наблюдение облака Оорта невозможно. [10] Тем не менее, облако считается источником пополнения запасов большинства долгопериодических комет и комет типа Галлея , которые в конечном итоге поглощаются при близком приближении к Солнцу после входа во внутреннюю часть Солнечной системы. Облако может также 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 скалы Койпера на расстоянии около 50 а.е. от Солнца (орбита Нептуна в среднем составляет около 30 а.е., а афелий 177P/Барнарда составляет около 48 а.е.). С другой стороны, долгопериодические кометы движутся по очень большим орбитам в тысячах а.е. от Солнца и распределены изотропно. Это означает, что долгопериодические кометы появляются со всех сторон неба, как выше, так и ниже плоскости эклиптики. [11] Происхождение этих комет не было хорошо изучено, и первоначально считалось, что многие долгопериодические кометы движутся по предполагаемым параболическим траекториям, что делало их одноразовыми посетителями Солнца из межзвездного пространства.
В 1907 г. А. О. Лейшнер предположил, что многие кометы, 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 виде вращающегося по орбите облака на самом дальнем краю Солнечной системы . [13] Голландский астроном Ян Оорт возродил эту основную идею в 1950 году, чтобы разрешить парадокс происхождения комет. Следующие факты трудно согласовать с высокоэллиптическими орбитами, на которых всегда находятся долгопериодические кометы:
Оорт рассуждал, что кометы с орбитами, близко приближающимися к Солнцу, не могли приближаться к Солнцу со времени конденсации протопланетного диска, произошедшей более 4,5 миллиардов лет назад. Следовательно, долгопериодические кометы не могли образоваться на нынешних орбитах, на которых их всегда обнаруживают, и почти все время своего существования должны были удерживаться во внешнем резервуаре. [14] [15] [11]
Оорт также изучил таблицы эфемерид долгопериодических комет и обнаружил, что существует любопытная концентрация долгопериодических комет, чье самое дальнее отступление от Солнца (их афелия ) группируется на расстоянии около 20 000 а.е. Это позволило предположить, что на этом расстоянии находится резервуар со сферическим изотропным распределением. Он также предположил, что относительно редкие кометы с орбитами около 10 000 а.е., вероятно, прошли одну или несколько орбит во внутреннюю часть Солнечной системы, и там их орбиты были втянуты внутрь под действием гравитации планет . [11]
Считается, что облако Оорта занимает обширное пространство на расстоянии от 2000 до 5000 а.е. (0,03 и 0,08 св. лет) [11] от Солнца до 50 000 а.е. (0,79 св. лет) или даже от 100 000 до 200 000 а.е. (от 1,58 до 3,16 св. лет). ). [4] [11] Регион можно разделить на сферическое внешнее облако Оорта с радиусом около 20 000–50 000 а.е. (0,32–0,79 св. лет) и внутреннее облако Оорта в форме тора с радиусом 2 000–20 000 а.е. (0,03 –0,32 св. лет).
Внутреннее облако Оорта иногда называют облаком Хиллса, названным в честь Джека Г. Хиллса , который предположил его существование в 1981 году . множество кометных ядер в качестве внешнего облака. [16] [17] [18] Считается, что облако Хиллс необходимо для объяснения продолжающегося существования облака Оорта спустя миллиарды лет. [19]
Поскольку оно находится на границе между господством Солнечной и галактической гравитации, объекты, составляющие внешнее облако Оорта, лишь слабо связаны с Солнцем. Это, в свою очередь, позволяет небольшим возмущениям от близлежащих звезд или самого Млечного Пути вводить долгопериодические кометы (и, возможно, типа Галлея ) на орбиту Нептуна . [4] Этот процесс должен был истощить более редкое внешнее облако, но тем не менее долгопериодические кометы с орбитами значительно выше или ниже эклиптики продолжают наблюдаться. Облако Хиллс считается вторичным резервуаром кометных ядер и источником пополнения разреженного внешнего облака, поскольку численность последнего постепенно истощается из-за потерь во внутренней части Солнечной системы.
Внешнее облако Оорта может содержать триллионы объектов размером более 1 км (0,6 мили) [4] и миллиарды объектов диаметром 20 километров (12 миль). Это соответствует абсолютной звездной величине более 11. [20] Согласно этому анализу, «соседние» объекты во внешнем облаке разделены значительной долей 1 а.е., десятками миллионов километров. [9] [21] Общая масса внешнего облака неизвестна, но если предположить, что комета Галлея является подходящим аналогом ядер, составляющих внешнее облако Оорта, их совокупная масса составит примерно 3 × 10 25 кг (6,6 × 10 25 фунтов) . ), или пять масс Земли. [4] [22] Раньше считалось, что внешнее облако на два порядка массивнее и содержит до 380 масс Земли, [23] но улучшение знаний о распределении долгопериодических комет по размерам привело к более низким оценкам. По состоянию на 2023 год оценок массы внутреннего облака Оорта не публиковалось.
Если анализы комет являются репрезентативными, подавляющее большинство объектов облака Оорта состоят из льдов, таких как вода , метан , этан , окись углерода и цианистый водород . [24] Однако открытие объекта 1996 PW , объекта, внешний вид которого соответствовал астероиду D-типа [25] [26] на орбите, типичной для кометы с длинным периодом, побудило теоретические исследования, которые предполагают, что Оорт Население облаков 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 предположительно совершенно разные регионы их происхождения. Это предполагает, что оба произошли из исходного протосолнечного облака [28] . Этот вывод также подтверждается исследованиями размера гранул в кометах из облака Оорта [29] и недавним исследованием удара кометы Темпель 1 из семейства Юпитера . [30]
Считается, что облако Оорта образовалось после формирования планет из первичного протопланетного диска примерно 4,6 миллиарда лет назад. [4] Наиболее широко распространенная гипотеза состоит в том, что объекты облака Оорта первоначально объединились гораздо ближе к Солнцу в рамках того же процесса, который сформировал планеты и малые планеты . После образования сильные гравитационные взаимодействия с молодыми газовыми гигантами, такими как Юпитер, разбросали объекты по чрезвычайно широким эллиптическим или параболическим орбитам , которые впоследствии были модифицированы возмущениями от проходящих звезд и гигантских молекулярных облаков на долгоживущие орбиты, отделенные от области газового гиганта. [4] [31]
НАСА цитирует недавние исследования, в которых выдвигается гипотеза о том, что большое количество объектов облака Оорта являются продуктом обмена веществами между Солнцем и его родственными звездами, когда они формировались и расходились друг от друга, и предполагается, что многие - возможно, большинство - объектов Оорта облачные объекты не формировались в непосредственной близости от Солнца. [32] Моделирование эволюции облака Оорта от зарождения Солнечной системы до наших дней позволяет предположить, что масса облака достигла пика примерно через 800 миллионов лет после образования, когда темпы аккреции и столкновений замедлились, а истощение начало опережать предложение. [4]
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 летят наружу, к облаку Оорта, четверть смещаются внутрь орбиты Юпитера, а четверть выбрасываются на гиперболические орбиты. Рассеянный диск, возможно, все еще снабжает 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, количество столкновений в начале истории Солнечной системы было настолько велико, что большинство комет были уничтожены до того, как достигли облака Оорта. Таким образом, нынешняя совокупная масса облака Оорта намного меньше, чем когда-то предполагалось. [35] Предполагаемая масса облака составляет лишь небольшую часть от 50–100 масс Земли выброшенного материала. [4]
Гравитационное взаимодействие с близлежащими звездами и галактические приливы изменили орбиты комет, сделав их более круглыми. Это объясняет почти сферическую форму внешнего облака Оорта. [4] С другой стороны, облако Хиллс , 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 сформировалась как часть встроенного скопления из 200–400 звезд. Эти ранние звезды, вероятно, сыграли роль в формировании облака, поскольку количество близких звездных прохождений внутри скопления было намного выше, чем сегодня, что приводило к гораздо более частым возмущениям. [36]
В июне 2010 года Гарольд Ф. Левисон и другие на основе усовершенствованного компьютерного моделирования предположили, что Солнце «захватывало кометы других звезд, пока оно находилось в своем 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 Леб обнаружили, что обнаруженное происхождение Облака Оорта в скоплении Солнца могло бы устранить теоретическое противоречие в объяснении наблюдаемого соотношения внешнего облака Оорта к рассеянным дисковым объектам, и, кроме того, может увеличить шансы на захват Девятой Планеты . [39] [40] [41]
Считается, что кометы имеют две отдельные точки происхождения в Солнечной системе. Принято считать, что короткопериодические кометы (с орбитой до 200 лет) появились либо из пояса Койпера , либо из рассеянного диска, который представляет собой два связанных плоских диска ледяных обломков за орбитой Нептуна на расстоянии 30 а.е. и совместно простирающихся за пределы орбиты Нептуна. 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. [42] Другие кометы, которые, по модели, пришли 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 (ПАНСТАРРС) . Орбиты в поясе Койпера относительно стабильны, поэтому считается, что там зародилось очень мало комет. Однако рассеянный диск динамически активен и с гораздо большей вероятностью может быть местом происхождения комет. [11] Кометы переходят из рассеянного диска в царство внешних планет, становясь так называемыми кентаврами . [43] Затем эти кентавры отправляются дальше внутрь, превращаясь в короткопериодические кометы. [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 окончательное происхождение находится в облаке Оорта, а не в рассеянном диске. Судя по их орбитам, предполагается, что это были долгопериодические кометы, которые были захвачены гравитацией планет-гигантов и отправлены во внутреннюю часть Солнечной системы. [15] Этот процесс, возможно, также создал нынешние орбиты значительной части комет семейства Юпитера, хотя считается, что большинство таких комет возникли в рассеянном диске. [9]
Оорт отметил, что количество 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 количество наблюдаемых комет, чем предполагал Оорт. Гипотезы этого несоответствия включают разрушение комет из-за приливных напряжений, ударов или нагревания; потеря всех летучих веществ , что делает некоторые кометы невидимыми или образование нелетучей корки на поверхности. [45] Динамические исследования гипотетических комет облака Оорта показали, что их появление во внешней части 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 году. [46] Пример Типичная динамически старая комета, происходящая из облака Оорта, могла бы быть C/2018 F4. [47]
Большинство комет, замеченных вблизи Солнца, по-видимому, достигли своих нынешних позиций из-за гравитационного возмущения облака Оорта приливной силой , создаваемой Млечным Путем . Подобно тому, как приливная сила Луны деформирует земные океаны, вызывая приливы и отливы, галактический прилив также искажает орбиты тел во внешней Солнечной системе . В отмеченных на карте регионах Солнечной системы эти эффекты незначительны по сравнению с гравитацией Солнца, но во внешних пределах системы гравитация Солнца слабее, и градиент гравитационного поля Млечного Пути оказывает существенное влияние. Галактические приливные силы растягивают облако по оси, направленной к центру галактики, и сжимают его по двум другим осям; эти небольшие возмущения могут сместить орбиты в облаке Оорта и приблизить объекты к Солнцу. [48] Точка, в которой гравитация Солнца уступает свое влияние галактическому приливу, называется приливным радиусом усечения. Оно расположено в радиусе от 100 000 до 200 000 а.е. и отмечает внешнюю границу облака Оорта. [11]
Некоторые ученые предполагают, что галактический прилив, возможно, способствовал формированию облака Оорта за счет увеличения перигелий ( наименьших расстояний до Солнца) планетезималей с большими афелиями (наибольшими расстояниями до Солнца). [49] Эффекты галактического прилива довольно сложны и во многом зависят от поведения отдельных объектов внутри планетной системы. Однако в совокупности эффект может быть весьма значительным: до 90% всех комет, исходящих 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 смещаются в сторону внутренней части Солнечной системы. [51]
Помимо галактического прилива , основным пусковым механизмом отправки комет во внутреннюю часть Солнечной системы считается взаимодействие солнечного облака Оорта с гравитационными полями близлежащих звезд [4] или гигантскими молекулярными облаками . [46] Орбита Солнца через плоскость Млечного Пути иногда приближает его к другим звездным системам . 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 эффект). [52] В течение следующих 10 миллионов лет известной звездой с наибольшей вероятностью возмутить облако Оорта будет Глизе 710 . [53] Этот процесс может также рассеять объекты облака Оорта за пределы плоскости эклиптики, что потенциально также объясняет его сферическое распределение. [53] [54]
В 1984 году физик Ричард А. Мюллер предположил, что у Солнца есть еще не обнаруженный спутник, либо коричневый карлик , либо 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 никаких доказательств существования Немезиды обнаружено не было, а многие свидетельства (например, 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 промежутки времени. [57] Таким образом, гипотеза Немезиды больше не нужна для объяснения текущих предположений. [57]
Несколько похожая гипотеза была выдвинута астрономом Джоном Дж. Матезом из Университета Луизианы в Лафайете в 2002 году. Он утверждает, что во внутреннюю часть Солнечной системы из определенной области постулируемого облака Оорта прибывает больше комет, чем можно объяснить галактическими явлениями. только приливы или звездные возмущения, и что наиболее вероятной причиной может быть объект массой Юпитера на далекой орбите. [58] Этот гипотетический газовый гигант получил прозвище Тихе . Миссия WISE , обзор всего неба с использованием измерений параллакса для уточнения расстояний до местных звезд, смогла доказать или опровергнуть гипотезу Тихе. [57] В 2014 году НАСА объявило, что исследование WISE исключило любой объект, как они его определили. [59]
Космические зонды еще не достигли района облака Оорта. «Вояджер-1» , 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 для его прохождения потребуется около 30 000 лет. через это. [64] [65] Однако примерно в 2025 году радиоизотопные термоэлектрические генераторы на «Вояджере-1» перестанут обеспечивать достаточную мощность для работы любого из его научных инструментов, что предотвратит дальнейшие исследования « Вояджера-1». Остальные четыре зонда, в настоящее время покидающие Солнечную систему, либо уже перестали функционировать, либо, по прогнозам, перестанут функционировать до того, как достигнут облака Оорта.
В 1980-х годах существовала концепция зонда, который мог бы достичь 1000 а.е. за 50 лет, под названием TAU ; Среди его задач будет поиск облака Оорта. [66]
В «Объявлении о возможностях программы Discovery» 2014 года была предложена обсерватория для обнаружения объектов в облаке Оорта (и поясе Койпера) под названием «Миссия Уиппла» . [67] Он будет следить за далекими звездами с помощью фотометра в поисках транзитов на расстоянии до 10 000 а.е. [67] Обсерватория была предложена для работы на гало-орбите вокруг L2 с предполагаемой 5-летней миссией. [67] Было также высказано предположение, что обсерватория «Кеплер» могла обнаруживать объекты в облаке Оорта. [68]
«Вояджер-1» покидает пределы Солнечной системы со скоростью 17 километров в секунду.