彗星短暂而壮丽的一生

耶稣诞生像中的光的余辉毫无疑问是一颗彗星，并很有可能是哈雷彗星。

如果你有机会前往意大利城市帕多瓦，一定要参观一下斯科洛文尼教堂（Scrovegni Chapel）。这个从14世纪早期完好保存到现在的瑰宝里，收藏了由文艺复兴早期的艺术家乔托（Giotto）所画的一组宏伟壁画。在那里，有我最喜欢的、也是我所有物理学同事都珍爱的一幅壁画，那就是《博士来拜》（The Adoration of the Magi，见图7-1）。这幅画描绘了一颗耀眼的彗星掠过耶稣诞生时的场景。也许，正如艺术史学家罗伯特·奥尔森（Roberta Olson）所说，彗星取代的是大卫王之星（Star of David）这个人们更为熟悉的构图元素。而就在这幅画完成的几年之前，人们就曾目睹了这个异常明亮的壮丽天体。独立于寓言的意图之外，耶稣诞生像中的光的余辉毫无疑问是一颗彗星，并很有可能是哈雷彗星，在地球上那一块区域的任何人都应该会看到。1301年9月和10月，巨大的彗尾扩散在天空中很大的范围内，形成一幅壮观的景象，尤其是在那样一个还没有电灯的时代。

图7-1

乔托绘制的《博士来拜》，耶稣诞生像之上有一颗彗星。

我想，在14世纪早期，意大利人向天空凝视并欣赏到的天体奇观，也同样让今天的我们惊叹。古希腊和古代中国文明的证据表明，至少在意大利人开始观测的两千年前，人们就已经在观测和欣赏彗星了。亚里士多德甚至试图探究彗星的本质，并将其解释为上层大气中的一种现象，干燥、炎热的物质会在那里燃烧。

自古希腊时代以来，我们对彗星的研究已经取得了很大进展。基于数学模型和更好的观测数据，最新研究告诉我们，彗星是冷的，没有任何东西在燃烧。一旦足够接近太阳，它们所包含的挥发性物质将很容易转化为蒸气或者液态水。

在前文，我们已经探索了来自太阳系的小行星及其本质，接下来让我们转向彗星。彗星源于被称为散盘（scattered disk）的遥远区域，跨越了柯伊伯带和位于太阳系外部区域的奥尔特云。彗星也存在于其他恒星系，但这里我们的重点将放在那些我们了解最多、源于太阳系的彗星。

尽管我们现在知道，彗星来自遥远的太空区域，只有极少数彗星能够沿着接近地球的轨道运动，然而第谷·布拉赫（Tycho Brache）早在16世纪就得出结论：彗星位于地球大气层以外。这是早期科学理解上的一个重要里程碑。第谷整合了不同地方观察者的观测结果，得到了1577年大彗星的视差，从而确定了彗星到地球的距离至少是月地距离的4倍。实际距离肯定是被低估了，但在当时对于彗星的研究来说这是一个巨大的飞跃。

当牛顿意识到彗星沿着倾斜轨道运动时，他得到了另外一个重要的推论。用他的引力平方反比定律，也就是说对于距离两倍远的天体，引力的强度变为原来的1/4，牛顿证明了天空中的物体必须遵循椭圆、抛物线或双曲线轨道。当牛顿用一个抛物线拟合1680年大彗星的路径点时，抛物线完美地把所有观测数据点都连接了起来。这表明，人们一直看到并且相信是不同种类的物体，实际上沿着一个单一轨道运动，是同一个物体的足迹。尽管彗星的轨迹实际上是一个拉长的椭圆，但路径的形状与抛物线非常接近，因此牛顿对于单一运动物体的推论仍然正确。

在早期时候，被发现的第一批彗星以出现年份被命名。但到了20世纪初，命名的惯例有所改变，改为以预言轨道的人的名字命名。例如，德国天文学家约翰·恩克（Johann F.Encke）、业余天文学家威廉·冯·比拉（Wilhelm von Biela），两位都有以其名字命名的彗星。

虽然早在20世纪之前就被辨认出来，哈雷彗星也是以对其轨道有着最好理解、预言了其回归的人的名字命名的。1705年，运用牛顿定律并考虑了木星和土星的扰动，作为牛顿的朋友以及出版商，埃德蒙·哈雷预测，一颗已经在1378年、1456年、1531年、1607年、1682年出现过的彗星，会在1758—1759年之间再次出现。哈雷第一个提出了彗星的周期运动，而且他是正确的。三位法国数学家做了更加精确的计算，预测的日期精确到了1759年的一个月内。今天我们可以做类似的计算：到2061年，人类才能再次一睹哈雷彗星的归来之貌。

到20世纪后期，彗星的命名惯例再次改变：以发现者的名字命名。然而，当彗星的发现成为基于先进观测工具的集体努力时，彗星就以观测仪器的名字来命名。目前被发现的彗星大约有5 000颗，但对彗星总数的合理估计认为，它至少是这个数目的1 000倍，真实的数目也可能会更多，或许高达一万亿。

了解彗星的性质和成分需要对物质的状态有所了解。物质的相态包括固体、液体和气体，对于水而言就是冰、水和水蒸汽。每一个相态下，原子的排列方式不同。固体冰的结构最有规律，而气态水蒸气最随机。当相变发生，液体转换成气体（当水沸腾时），或固体转变成液体（当冰块融化时），物质成分并不会发生改变，因为所有的原子和分子都没有发生变化。但这种物质的性质变得非常不同。物质的形态取决于它的温度和成分。对于任何特定的物体，温度和成分决定了它的沸点和熔点。

听说最近有人试图利用物质的不同状态，把一瓶水带过机场的安全检查，我觉得非常有趣。他把水冻成冰，并认为他瓶子里的固态冰没有违抗任何液体禁令。不过，交通安全管理局的人并不这么认为。如果那位管理局的人学过物理学，他可能会说服这位乘客，只有那些在标准温度和压力下呈固态的物质是允许的。然而，我敢肯定他不会这么说^[16]。

熔点和沸点是所有结构的关键，因为它们确定了材料所处的状态。一些元素，例如氢和氦，具有极低的沸点和熔点。例如，氦在绝对零度以上4度就变成液体。行星科学家称不论物质实际处于什么状态，熔点低于100开尔文的这些元素为气体。而那些具有低熔点，但并非如气体熔点那样低的物质，再一次被行星科学家称为冰。当然物质是否真的是冰也同样取决于实际的温度。这就是为什么木星和土星被称为气态巨行星，而天王星和海王星有时被称为冰态巨行星。在这两种情况中，它们的内部实际上都是热的、稠密的流体。

气体（在行星科学家所使用的意义上）是挥发物的一种，是具有低沸点的元素和化合物，例如氮、氢、二氧化碳、氨、甲烷、二氧化硫和水，这些物质可能存在于行星里或者大气里。具有低熔点的材料将更容易变成气体。你也许见过由冷液氮制成的冰激凌（不少餐厅和快餐车上都会卖这种冰激凌，不过我不大喜欢它们的口味）。如果你看到过任何这种例子，你会注意到，氮原子在常温下是如何很容易地以气体状态逃逸。

月球含有很少的低挥发性物质，主要是由硅酸盐组成，还有少量氢、氮或碳。彗星含有丰富的挥发物，从而形成了明显的尾巴。彗星起源于远远超出木星轨道的太阳系外部区域。那里，水和甲烷仍然处于寒冷和冰冻状态。在这些远离太阳的非常寒冷的区域，冰不能转变为气态，冰依然是冰。只有当彗星经过内太阳系时，它们接收到更多太阳热量时，彗星里挥发性的物质蒸发，和灰尘一起，在彗核的周围形成一个被叫作彗发（coma）的大气。这一圈大气比彗核大很多，跨越数千甚至数百万公里，有时甚至会增长到太阳的大小。较大尺寸的尘埃颗粒会留在彗发中，而较轻的尘埃则被太阳的辐射和带电粒子的辐射推送至彗星尾部。彗星包括彗发、它围绕着的彗核以及吹散的尾巴。

流星雨是由彗星在其身后留下的固态碎片形成的，它也是彗星的壮观证据。在一颗彗星穿越过地球轨道之后，一些被抛出的物质会出现地球的轨道上。然后地球会定期经过这些碎片，从而创造出非常壮观的周期性流星雨。斯威夫特-塔特尔（Swift-Tuttle）彗星的碎片是英仙座流星雨的起源，发生在每年8月初。我曾无意间在美国阿斯彭某个晴朗的夜空看到过，阿斯彭有一个经常举办暑期研讨班的物理中心。另一个例子是猎户座流星雨，发生在每年10月，是由哈雷彗星散落的碎片产生的。

流星雨

在一颗彗星穿越过地球轨道之后，一些被抛出的物质会出现地球的轨道上。然后，地球会定期经过这些碎片，从而创造出非常壮观的周期性流星雨。

彗星是我们可以用肉眼看到的最壮观的天文现象之一。大部分彗星都是非常暗的，但那些诸如哈雷彗星一样不用望远镜都可以看到的明亮彗星，也许会时不时地（比如10年内）经过地球附近。彗星围绕太阳运动，它的明亮离子尾巴和分离的尘埃尾巴通常会指向不同的方向。这些明亮的尘埃和气体的痕迹是彗星名字的由来，这个源自希腊的词语意思为“留着长头发”。尘埃彗尾一般遵循彗星的路径，而离子彗尾指向远离太阳的方向。当太阳的紫外辐射撞击彗发的时候形成离子彗尾，将电子从一些原子中撕离。这些电离粒子在所谓的磁层中会形成磁场。

太阳风在彗星的这种外观中起着重要作用。太阳辐射会产生光子，让地球上的我们感受到热和光。而太阳发出的带电粒子，也就是电子和质子，构成了太阳风。20世纪50年代，德国科学家路德维希·比尔曼（Ludwig Biermann）以及另一名独立进行研究的德国人保罗·阿纳特（Paul Ahnert），进行了仔细观测，发现一个彗星的明亮离子彗尾始终指向远离太阳的方向。比尔曼当时就提出，是太阳产生的粒子“推动”了彗尾，使其指向那个方向。用比喻来说，是太阳风把离子彗尾“吹”到了那里。通过对这个过程的研究，科学家们学到了有关彗星和太阳两者的知识，并让我对这个神秘名字的由来豁然开朗。

彗尾能够扩展数千万公里。彗核的大小当然要小得多，但和典型的小行星相比较还是相当大的。彗核没有足够的引力使它们变成圆形，因此其形状很不规则，整体的尺寸从几百米到几十公里不等。这有可能是观察偏差，因为更大的更容易被发现，但是应用足够灵敏的设备寻找更小彗星的搜寻工作，到目前为止还是没有什么进展。

就可见度而言，彗星有彗发和彗尾是一件很好的事情。因为彗核的反射率非常低，这使得它极难被看到。观看那些不发光的物体（比如你和我）最常用的方法就是通过反射光。举一个著名的例子，哈雷彗星核的反射率大约只有1/25，这和沥青或木炭的反射率差不多，而后两者十分暗淡。其实彗核反射得更少。事实上彗星表面似乎是太阳系中最暗的^[17]。易挥发、较轻的化合物在太阳的热量消失之后，留下的是颜色更深、更大的有机化合物。这个暗的物质吸收光线，从而加热冰状物，挥发出去的气体就形成了彗尾。木炭和彗星之间反射率的相似并非巧合，因为焦油沥青也是由石油中大的有机分子构成的。现在，想象在天空中数十亿公里远的地方有一大块沥青。如果不付出大量努力把它们搜寻出来，那么这些很暗的天体无疑将会默默无闻地消失掉。

彗星在太阳系外部区域的时候，很暗并且是冰冻的，光学辐射是极其微弱的。在彗星接近太阳之前，观察它们的唯一方法是通过它们发出的红外光。当它们进入内太阳系时，彗发和彗尾形成，使得彗星较为容易被看到。灰尘会反射阳光，离子会使气体发光，从而产生我们更容易观察到的亮光。即便如此，大多数彗星都只有用望远镜才能看到。

和彗星本身相比，彗星的具体化学成分更难被观测出来。地球上发现的陨石给我们提供了一些线索，这些陨石会运送彗星上的一些实体物质到地球上。科学家们也已经注意到彗星有各种颜色，并且观察了它们的一些谱线。利用这些稀有线索，科学家们得到的结论是：彗核由水冰、灰尘、卵石状岩石和包括二氧化碳、一氧化碳、甲烷和氨的冷冻气体组成。彗核表面看起来是岩石状的，而冰藏在地表以下一点的地方。

虽然牛顿那个时代的天文观测条件很有限，他还是在17世纪就非常准确地解释了彗星。虽然牛顿误认为彗星是紧凑、坚实的固体，但他认识到彗星的尾巴是已经被太阳加热的稀薄蒸汽流。在认识彗星的成分方面，哲学家伊曼努尔·康德在1755年做了一项更好的工作。他推测，彗星的彗尾是由易挥发性物质蒸发而形成的。在20世纪50年代，哈佛大学天文系的弗雷德·惠普尔（Fred Whipple）曾发现过6颗彗星，辨认出彗星中的主要成分为冰，而灰尘和岩石是次要的组成成分，从而产生了“脏雪球”模型（dirty snowball），他也因此而出名。虽然到目前为止，我们并不完全清楚彗星的组成，但我们的认识不断在更新。

对于彗星而言，一个更加让人感兴趣的特点是，它包含有机化合物，例如甲醇、氰化氢、甲醛、乙醇和乙烷，以及长链碳氢化合物和氨基酸（氨基酸是生命的前身）。甚至地球上陨石中被发现含有的DNA和RNA成分，据推测也可能来自小行星或者彗星。那些携带水和氨基酸并且定期撞击地球的天体，值得我们关注。

彗星迷人的结构和与生命的可能关联，使其成为许多太空任务的目标。第一个研究彗星的空间探测器飞过慧尾以及彗核的表面，收集并分析了灰尘颗粒，也拍了照片，但是距离太远且分辨率不够高，因此不能提供很详细的信息。1985年，美国国家航空航天局的国际彗星探险者任务在得到欧洲的一些资助之后重新定向，成为第一个接近彗尾的空间探测器，不过是在距离3 000公里的地方。不久之后，由俄罗斯发射的两次维加（Vega）太空飞行任务、日本的彗星号（Suisei）探测器任务，以及欧洲的乔托号（正是以《博士来拜》的作者乔托之名命名）宇宙飞船共同组成的哈雷舰队（Halley Armada），试图更好地研究彗核和彗发。值得注意的是，乔托超越了所有其他任务，该飞船接近了哈雷彗星的核心，距离不到600公里。

更近的一些试图直接探索彗星及其构成的任务，结果也很好。2004年初，星尘号（Stardust）空间探测器收集并分析了来自怀尔德2号彗星的彗发尘埃颗粒，并于2006年把样本送回地球进行研究。样本显示，彗星并非主要由星际间普通物质组成，这和对形成于遥远奥尔特云的物体的预期不同。彗星主要由来自太阳系内被加热的物质组成。科学家发现彗星含有铁和硫化铜，而如果没有液态水，这些是无法形成的。这意味着，彗星的温度最初比较温暖，也即形成于接近太阳的地方。这一结果进一步表明，彗星和小行星的成分并非总是像科学家原本预想的那样不同。

Deep Imapct ^[18]不仅是一部电影的名字，也是一个太空探测器的名字。在2005年它发送了一个撞击器，希望进入到坦普尔1号彗星的内部。此探测器的设计目的就是研究彗星的内部，并拍摄撞击坑，虽然撞击产生的尘埃云使图像有一些模糊。探测器发现了结晶物质，而结晶物质需要在比彗星目前的温度更极端的温度下才能形成。这表明，要么这些物质是从内太阳系区域进入彗星的，要么是因为彗星最初形成的区域离它现在所处位置很遥远。

最近的彗星探测更加令人兴奋。欧洲航天局有一个非常出色的进展。他们于2004年发射了名为罗塞塔的探测器。这个飞船围绕67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星运行。随后他们又将一个名为“菲莱”（Philae）的直接探测器降落在此彗星表面，目的是近距离研究彗核的组成和内部区域。2014年11月，菲莱号发生了“大事件”：它的确着陆了，但并不如计划般顺利，而是在反弹了几次之后，降落到了一个不太稳定的位置。这一事件，毫无疑问是紧张刺激的，但已经完成了相当一部分科学目标。虽然打钻任务没有成功，对于菲莱号探测器而言，即使降落在了计划之外的位置，也缺少准备就绪的附着机制，但它还是比以往任何时候都更详细地研究了彗星的形状和大气。

罗塞塔现在围绕彗星运行，随着彗星进入内太阳系，探测器将继续绕转。这整个任务已经是一个颇为壮观的成就。考虑到它的发射是在莱特兄弟第一架飞机首飞之后的100年内发生的，因此更加令人印象深刻。

即使有了很大的进展，但除了更好地确定了它们的构成成分，有关彗星的许多有趣问题依然没有得到解答。所以天文学家想更深入了解彗星的轨道以及彗星形成的方式。我们并不指望得到一个统一的解释，因为证据表明彗星的种类区别很大。根据绕太阳一周所需要的旅行时间，彗星分为短周期和长周期两种类型。区分短周期和长周期的分界线被定为200年，但总的说来周期从几年到几百万年不等。

彗星起源于海王星之外，而这些海外天体（指位于海王星轨道之外的天体）的聚集地位于距离太阳不等的不同轨道带上。其中靠里的区域产生了短周期彗星，即柯伊伯带和散盘；靠外的区域是假设的奥尔特云，产生长周期彗星。天体物理学家提出还有一个额外区域，这个区域位于散盘和奥尔特云之间，即分离天体（detached objects，但在这里我们不会着重讨论它）。

在很大程度上，对彗星起源的内部区域和外部区域的分类，与彗星的轨道周期有些重叠。我们最常看到的彗星是短周期彗星，如哈雷彗星。它们在一定的周期内回归，并常被人看到。短周期彗星来自靠近地球的区域，而长周期彗星主要是从遥远的地方到达地球。我们偶尔也会看到长周期彗星，但只有当它们进入内太阳系的时候才会被看到，这可能是由遥远的奥尔特云受到扰动而引起的。太阳的引力对这些彗星的束缚力很弱。因此，即使是小的扰动也能够使物体偏离它们的轨道，向内并朝太阳飞来。甚至是类似哈雷的短周期彗星，也有可能最初是从一个更遥远的长周期轨道被踢出，成为内太阳系中的一个运行周期较短的彗星。

短周期彗星可分为两个子类：轨道周期大于20年的哈雷族彗星，以及轨道周期较短的木星族彗星。在短周期轨道上可能也有一些小行星或者休眠彗星或者死彗星，但极少有小行星的轨道周期大于20年。长周期彗星的轨道椭率更大，意味着与短周期相比，它们的轨道被拉得更长。这是有道理的，因为彗星只有在太阳附近的时候才能被我们看到。尽管短周期彗星在相对靠近太阳附近的区域绕转，而那些既能被看到又有很长周期的彗星就应该有如下轨道：轨道向内延伸靠近太阳，但之后又远远向外延伸，形成很长的路径，从而旅行一圈需要很长的时间。长周期彗星的轨道似乎也更接近黄道面（黄道面是行星运动的平面），并且都在朝同一个大方向绕行。

一旦进入内太阳系，这些物体的命运将取决于可能的进一步扰动。木星是已知的相对最大的本地微扰源，因为它的质量是所有其他行星总质量的两倍多。所以内太阳系的新彗星就可能会进入一个新的轨道运行，或者它们只出现一次，之后就会被踢出太阳系或与行星发生碰撞。一个例子是苏梅克-列维（Shoemaker-Levy）彗星，在1994年，这颗彗星撞毁在木星上的事件非常出名，场面也是非常壮观。

现在让我们考虑这样的区域，它们包含了冰冷的小太阳系天体。如果这些小天体受到扰动进入内太阳系，就将变成彗星。我们的第一个主题将是柯伊伯带（见图7-2）。它本身并不是短周期彗星的储备地（散盘才是），但是它是散盘的一个重要标志。

对我来说，柯伊伯带最有趣的地方是，早在20世纪40年代和50年代它就被预言存在，但直到最近才被发现。1992年，天文学家决定必须修正我们之前对太阳系的理解，以加快对柯伊伯带的探索。而在当时，很多人都学过有关太阳系的知识，并且认为它们有着坚实的基础。即使你从来没有听说过柯伊伯带，但你可能熟悉其中的几个天体，它包括三个矮行星，其中就有以前被认为是行星的冥王星。虽然离柯伊伯带很远，海王星的卫星海卫一崔顿（Triton）和土星的卫星菲比（Phoebe）的大小和成分也表明，它们曾经也是在这个区域内形成的，之后被经过的行星拉离。

一个天文单位大约是1.5亿公里，是地球和太阳之间的大致距离。柯伊伯带的位置与太阳的距离比日地距离远30多倍，大约为30～55天文单位。它含有大量的小行星，其中大部分是位于柯伊伯带上，也就是距离太阳大约42～48天文单位。在垂直方向上，这个区域延伸在黄道面之外大约10°之内，虽然平均位置仅具有几度的倾角。其厚度使得它更加像甜甜圈的形状，而不是带形。即便如此，它那颇有误导性的名字还是被保留了下来。

图7-2

柯伊伯带，位于海王星之外，包含作为其最大天体的冥王星。散盘位于柯伊伯带稍微向外，包含质量更重的天体阋神星。

说柯伊伯带的名字有误导性还有另外一个原因。之前对柯伊伯带性质的猜测有很多并且十分多样化，因此，到底是谁对这个概念的提出功劳最大，我们并不十分清楚。在20世纪20年代它被发现之后不久，许多天文学家都怀疑冥王星并不孤单。早在1930年，科学家们就引入了各种有关海外天体的假说，但天文学家肯尼斯·埃奇沃斯（Kenneth Edgeworth）在这方面可能最应该受到赞誉。1943年，他认为，在早期太阳系海王星以外区域的物质过于稀疏，无法形成行星，因而会形成一组较小的物体。他继续推测，有时这些对象的其中一个会进入内太阳系，成为一颗彗星。

科学家们现在所青睐的情形非常类似于埃奇沃斯所提出来的理论。初期太阳的盘凝结成比行星更小的物体，有时也被称为星子。杰拉德·柯伊伯（Gerard Kuiper，柯伊伯带因他而得名）在相对较晚的时候，也就是在1951年，提出了他的假设。另外，柯伊伯的答案当时也并不是完全正确。他认为，柯伊伯带是一个短暂的结构，到今天应该已经消失了，这是因为他认为冥王星要比我们现在所知道的实际大小要大，并因此能够像其他行星一样清空它附近的区域。由于冥王星其实比柯伊伯所预期的小很多，所以这个现象并没有发生。因此，那些位于冥王星所在区域的许多其他天体和柯伊伯带的确存活下来了。

埃奇沃斯的功劳与柯伊伯一起通过“埃奇沃斯-柯伊伯带”的命名被认可，但这个名字太长了，人们常用其简称。就像“瑞典国家银行纪念阿尔弗雷德·诺贝尔经济科学奖”常被称为“诺贝尔经济学奖”，因为全称太复杂了。可能你很少听到这个天文学术语的全称，虽然它恰当地承认了埃奇沃斯的贡献。

根据埃奇沃斯和柯伊伯的建议，科学家意识到，彗星本身能够给我们提供柯伊伯带存在的线索。20世纪70年代发现了太多的短周期彗星，无法全部用奥尔特云（奥尔特云是很多距离遥远彗星的储备库，我们稍后讨论）来解释。短周期彗星出现在太阳系的平面附近，而不是像奥尔特云的彗星一样，围绕太阳呈球状分布。在此结果的基础上，天文学家胡里奥·费尔南德斯（Julio Fernandez）认为，彗星可能由位于一个带状区域来解释，这个区域就是我们现在知道的柯伊伯带所在地。

尽管有所有这些猜测，但发现它还是要求观测灵敏度达到必要的精度。因为要找到小的、远的、又不发光的天体非常不易，直到1992年和1993年年初，柯伊伯带内才首次发现除了冥王星之外的天体。珍妮·刘（Jane Luu）和大卫·朱维特（David Jewitt）开始他们的研究时，朱维特还是麻省理工学院的教授，而珍妮·刘还是个学生。他们在亚利桑那州基特峰国家天文台（KPNO）和智利托洛洛山美洲际天文台（CTIO）进行了探测。在朱维特搬到夏威夷大学之后，他们可以使用学校的一台直径为2.24米的望远镜继续研究。这个望远镜位于休眠火山莫纳克亚山（Mauna Kea）的山顶，这里是一个美丽的景点，有着非常晴朗的天空（如果你来夏威夷的大岛上，这里非常值得游览）。在5年的寻找之后，他们发现了两个柯伊伯带天体，第一个在1992年夏天发现，另一个在次年年初。从那时起，许多其他类似天体被发现，尽管它们几乎可以肯定仅仅代表所有存在天体的非常小的一部分。我们现在知道，柯伊伯带包含千余“居民”，它们被称为柯伊伯带天体（KBOs）。但是计算认为，那里可能有多达10万个直径大于100公里的天体。

尽管冥王星失去了行星的地位，它仍然很特殊，这就是为什么它早于柯伊伯带中其他天体被发现。根据我们现在了解的其附近物体的质量，冥王星比后来大家所预期的要大。^[19]这一个天体似乎占据柯伊伯带的总质量的百分之几，并且极有可能是那里同类天体中最大的一个。事实上，柯伊伯带的总质量比较低，这对它起源的研究也是一个有趣线索。尽管估算的质量范围是地球质量的4%～10%，然而太阳系的形成模型给出的柯伊伯带的质量大约是地球质量的30倍。如果它的质量一直这么低，那么直径大于100公里的物体就不会加入进去的，这就和冥王星的存在是矛盾的。这告诉我们超过99%的预测的质量，现在都已经不在那里了。要么柯伊伯带天体形成于距离太阳更近的其他的地方，要么有什么东西让大部分质量疏散到其他地方去了。

和冥王星具有相似轨道的许多其他天体被称为冥族小天体（plutinos），它们位于距离太阳略小于40天文单位的地方，其高度偏心轨道意味着它们的距离随轨道变化。冥族小天体是共振柯伊伯带天体，其运行轨道相对于海王星有一个固定的比例。例如冥族小天体，在海王星绕太阳运行三圈的时间里可以绕太阳运行两圈。这一固定比例防止天体过于靠近海王星，因此它们能逃脱海王星更强的引力场，否则它们将被踢出该区域。有趣的是，国际天文学联合会要求冥族小天体要像冥王星一样，也必须以地狱诸神的名字命名。我们知道至少存在1 000个这样的天体。不过，鉴于目前人类有限的观测巡天能力，科学家认为真实存在的应该更多。

然而，柯伊伯带占主导地位的类群并不包括冥族小天体，而是属于经典柯伊伯带天体。通过观测巡天已经发现很多这样的天体。Pan-STARRS巡天项目现在所有的时间都用于搜寻太阳系内明显移动的任何物体，很可能会找到更多。经典柯伊伯带中的天体具有稳定轨道，不会被海王星扰动——即使没有共振轨道以使它保持在一个固定远的距离。这些颜色偏红的经典天体的相当一部分都有很圆的轨道。第二大种类轨道更偏心并且更倾斜，最大达到约30°，但这类天体数目少得多。这使得柯伊伯带内剩余一些相对空旷的不稳定区域，只包含近期才进入的一些天体。

曾经位于柯伊伯带内的天体，有可能是很多我们观察到的彗星的前身，或者至少与这些彗星有关。因此，它们的成分基本上和彗星一样就并不令人惊讶了。它们大部分由冰状物质构成，包含甲烷、氨和水。物质以冰态而不是气体存在是由于柯伊伯带的位置以及由位置导致的低温（大约50开尔文，这比水的冰点要低200℃）导致的。新视野号探测器将收集到许多有关冥王星和柯伊伯带的信息。在科学家完成这些数据分析之后，我们就应该能够知道得更多。

柯伊伯带内的轨道是稳定的，因此彗星不是源自于那里。柯伊伯带的永久居民不会向太阳靠近。相反，短周期彗星是从散盘产生的，散盘是一个相对空旷的包含冰状的小行星的区域，与柯伊伯带重叠，但是延伸得更远，距离太阳一直到100天文单位或者更远的地方。散盘包含的天体的轨道会受海王星扰动而变得不稳定。散盘天体与柯伊伯带天体的差别在于，前者天体具有更大的偏心率、更大的位置范围，以及更大的倾角，最高达到约30°。同时，散盘天体也更不稳定。散盘天体具有中等到高的偏心率，这意味着它们的轨道是拉伸的形状，而不是圆形。它们的偏心率非常高，即使那些最大轨道非常远离海王星的天体，当它们的轨道足够接近海王星时，就会受到其引力场的影响。这就是为什么海王星的影响有时能将散盘天体发送到内太阳系里面。在那里，这些天体被加热，释放出气体和尘埃，从而被识别为彗星。

阋神星，作为已知的大小与冥王星相当的一个小行星，位于柯伊伯带之外的散盘中，并且是被人类识别出的第一个散盘天体。

为了找到它，在莫纳克亚山上天文学家使用了电荷耦合器件（CCD，数码相机所用技术的高级版本），以及更好的计算机处理方法。这些技术使得更加遥远的天体也能够被观察到，并促成了阋神星在1996年被发现。几年后天文学家又发现三个散盘天体。另外一个散盘天体，毫无诗意地被命名为1995TL8（48639），它是在1995年被发现的，但在之后才被分类为散盘天体的。自那之后又有几百个散盘天体被发现。它们的总数可能和柯伊伯带天体数量相当，但因为距离更远，观察它们更为困难。

柯伊伯带天体和散盘天体包含类似的化合物。像其他类海王星天体一样，散盘天体密度很低，并主要由类似水和甲烷的冰冻易挥发物组成。许多人认为，柯伊伯带天体和散盘天体产生于同一区域。但由于引力的相互作用，主要是与海王星的作用，将其中一些天体送到柯伊伯带稳定轨道。还有一些向内进入被称为半人马的天体区域。这一区域位于木星和海王星的轨道之间。剩余的天体则由引力相互作用，发送到散盘的不稳定轨道上去。

几乎可以肯定的是，柯伊伯带和散盘的大部分结构取决于靠外行星的引力作用。在某个时刻，木星看来是向内并朝向太阳系的中心漂移，而土星、天王星和海王星则向外移动。木星和土星利用彼此来稳定自己的轨道。木星围绕太阳的速度正好是土星的两倍。但是，这两个行星使天王星和海王星变得不稳定，使它们进入不同的轨道。海王星的轨道偏心率更大，在更远的地方运行。在到达其最终目的地的途中，海王星可能将很多星子散射到更偏心的轨道，并将其他许多星子散射进入更内部的轨道。后者在内部轨道上可能被木星的影响再次散射或者弹出。这会使柯伊伯带不到百分之一的天体幸存下来，而大多数已经被散射出去。

一个很有竞争性的提议是，柯伊伯带首先形成，而散盘中的天体来自柯伊伯带。在这个提议中，在许多方面与前面一个提议类似，海王星和外部行星将一些物体散射进入偏心和倾斜的轨道，要么向着内太阳系区域，要么向外进入太阳系更远的地方。然后一些从柯伊伯带向外散射的物体就变成散盘天体。另一些可能成为半人马天体。这能解决一个谜题，半人马天体有着不稳定的轨道，并只能在它们的领地停留几百万年。但它是如何能存在到今天的呢？柯伊伯带可能为它们提供了补充。彗星，也同样只有有限的（但光荣的）生命。太阳的热量逐渐侵蚀它们，使它们易于挥发的表面不断蒸发。如果没有新天体的持续加入，我们周围的彗星将不复存在。

散盘是短周期彗星的储备库，而奥尔特云则是长周期彗星的假定源头，是一个巨大的球状分布的由冰冷微行星构成的“云”，也许包含一万亿小的行星（见图7-3）。奥尔特云是以荷兰天文学家简·奥尔特的名字命名的。有几个重要成就都是他的功劳，至少有两个物理专有名词带有他的名字。奥尔特一个最著名的成就是在1932年建立的一种方法，可以测量星系中的物质总量，包括暗物质的质量。

奥尔特的另一个重要工作成就是对现在被称为奥尔特云的推断。20世纪30年代，天文学家恩斯特·奥匹克（Ernst J.Öpik）首次提出这样一个作为长周期彗星起源的云的存在。到1950年，奥尔特根据理论和观测的双重证据，推测出这样一个由许多远距天体组成的球形云的存在。首先，他观测到来自各个方向的长周期彗星有着非常大的轨道，这表明彗星的起源地要比柯伊伯带远得多。奥尔特进一步认识到，如果彗星一直在其目前的轨道上，它们的轨道不可能存在足够长的时间，以致到今天还能被观测到。因为彗星的轨道是不稳定的，所以行星的扰动会导致它们最终与太阳或某颗行星碰撞，或者被完全送出太阳系。此外，在彗星消失之前不可能永远持续扩散气体，彗星因为太多次靠近太阳飞过，就会失去活力，不再产生气体。奥尔特的假设是，我们现在所说的奥尔特云补充了新鲜彗星的供应，因此今天仍然可以观察到这些新的彗星。

图7-3

太阳系遥远区域的奥尔特云位于行星和柯伊伯带的领地之外，延伸范围在1000～50000天文单位之间。

到奥尔特云的可能距离是非常远的。目地距离为1个天文单位。海王星，作为最遥远的行星，到太阳的距离是30天文单位。天文学家认为，奥尔特云与太阳的距离或许从接近1000天文单位延伸直到超过50000天文单位，比我们迄今考虑过的任何天体都要远很多。奥尔特云离太阳的距离，达到了太阳到与其距离最近的恒星——比邻星（Proxima Centauri）的相当一部分，后者大约是27万天文单位（4.2光年）。从奥尔特云发出的光几乎需要一年时间才能到达地球。

在太阳系遥远边缘的物体有着微弱的引力束缚能，这能够解释为什么它们很容易受小引力的扰动影响，从而导致我们可以观察到彗星。轻轻的扰动就可以将它们推出原来的轨道，进入内太阳系，从而产生长周期彗星。当某个行星进一步改变了它们向内的轨迹，对这些弱束缚物体的扰动就可能导致产生短周期彗星。所以奥尔特云可能是造成所有长周期彗星的原因，如最近观察到的海尔-波普彗星（Hale-Bopp）。奥尔特云甚至也是造成一些短周期彗星的原因，哈雷彗星也许是其中之一。此外，尽管大多数木星族短周期彗星可能来自散盘，但其中一些彗星含有的碳和氮同位素的比值，类似于那些来自奥尔特云中的长周期彗星，这表明那里也是一个起源地。最后，甚至更具有破坏性的可能性是，在奥尔特云中受扰动的天体可以进入内太阳系，并和某个行星碰撞，也许是地球，从而形成了彗星撞击。稍后我会再讨论这个有趣的可能性。

长周期彗星提供了奥尔特云“居民”的性质线索。与其他彗星一样，它们含有水、甲烷、乙烷和一氧化碳。但奥尔特云中的某些成分可能是岩石质的，在成分上更类似于小行星。虽然被称为“云”，彗星的储备地似乎也有结构，包括一个甜甜圈似的环形内部区域（有时也称为希尔斯云，这是出于对杰克·希尔斯[Jack Hills]的尊重，他在1981年提出了这个单独的内部区域），以及一个由彗核构成的球形外部区域，它延伸到非常远的地方。

尽管尺寸巨大，外奥尔特云的总质量可能仅仅是地球质量的5倍。然而，它最有可能包含了数十亿个直径大约为200公里的天体，以及上万亿个直径大于1 000米的天体。模型表明，奥尔特云的内部区域一直延伸至大约2万天文单位，可能包含了比这个数目更多倍的物体。这个内云可能为外奥尔特云提供了天体来源，以补偿弱束缚的外奥尔特云的损失。如果没有内云，整个奥尔特云也无法存活下来。

由于奥尔特云过于遥远，我们无法去现场查看这些冰冷的天体。观察太阳系遥远边界的小天体非常困难，因为它们反射的光极少。奥尔特云距离太阳比柯伊伯带远1 000倍，对于像奥尔特云这样距离极远的物体，目前的观测条件不可能看到。所以奥尔特云仍然是一个假想，因为没有人观测得到它的结构，或者它所包含的物体。尽管如此，奥尔特云还是被认为是太阳系的一个相当确定的组成部分。来自天空各个方向的长周期彗星的轨迹令人信服地证明了它的存在，以及彗星在这个遥远地区的起源。

奥尔特云可能是从原行星盘产生的。原行星盘最终导致了太阳系许多结构的出现。彗星碰撞、银河潮汐，以及与其他恒星的相互作用，都可能对奥尔特云的形成作出了贡献，尤其是在过去当这些相互作用被认为更加频繁时。在宇宙充满活力的早期，在接近太阳的地方形成的物体可能受到气态巨行星的影响从而向外移动，并创造了奥尔特云，或者奥尔特云中的物体族群可能是从散盘里的不稳定物体形成的。

当然，我们目前还不知道所有答案，但最新的观测工作和理论研究，让我们获得了更多有关太阳系外边缘的知识。也许我们不应该感到惊讶，因为那将是一个迷人的、充满活力的地方。