奧爾特云（Oort Cloud）是一個包圍著太陽系的假想球形云狀天體群。1950年，由荷蘭天文學(xué)家奧爾特（JanHendrick Oort）提出，并以其名字命名。奧爾特云是由大多數(shù)彗星成群集中而成，其距離太陽最近處在2000至5000天文單位（0.03-0.08光年），最遠(yuǎn)處在50000天文單位（0.79光年），最大半徑差不多為1光年。
20世紀(jì)初，人類已經(jīng)意識到彗星有兩種主要分類，這些彗星的起源尚不清楚，其中長周期彗星最初被認(rèn)為沿著假定的拋物線軌道運行。1932年，愛沙尼亞天文學(xué)家恩斯特·奧皮克（Ernst ?pik）提出長周期彗星是來自太陽系的外層邊緣的云團。1950年，荷蘭天文學(xué)家奧爾特通過對19顆長周期彗星半長徑的統(tǒng)計分析，提出了“奧爾特云”假說。20世紀(jì)80年代初，研究者開始修正奧爾特的理論。直到1991年，科學(xué)家們在奧爾特理論上補充了另外一種觀點，根據(jù)這種觀點，奧爾特星云內(nèi)層外有一個更大的天體，內(nèi)環(huán)猶如一個水庫，源源不斷地為外環(huán)提供新的彗星。現(xiàn)代的成像技術(shù)無法直接觀察奧爾特云，但奧爾特云已被認(rèn)為是補充大多數(shù)長周期彗星和哈雷型彗星的來源。
學(xué)界認(rèn)為奧爾特云大約是50億年前形成太陽及其行星的星云之殘余物質(zhì)，而胡利奧·昂海爾·費爾南德斯（Julio ángel Fernández）認(rèn)為離散盤也有可能是奧爾特云天體的來源。關(guān)于奧爾特云的成因主要有潮汐效應(yīng)、恒星攝動、伴星假說這3種說法。奧爾特云可以分為一個圓盤狀的內(nèi)奧爾特云以及一個球狀的外奧爾特云，其中絕大多數(shù)天體都是由冰組成，如水、甲烷、乙烷、一氧化碳等。
奧爾特云的外部界限定義了太陽系的宇宙邊界，但當(dāng)今的太空探測器尚未到達(dá)奧爾特云區(qū)域，有人認(rèn)為開普勒天文臺未來有可能探測奧爾特云中的天體。
定義
奧爾特云是一個包圍著太陽系的假想球形云狀天體群。大多數(shù)彗星成群集中在離太陽2萬至15萬天文單位地區(qū)形成一個彗星云，叫做“奧爾特云”。
研究歷程
研究背景
到了20世紀(jì)初，人們已經(jīng)意識到彗星有兩類主要的分類：短周期彗星（也稱為黃道彗星）和長周期彗星（也稱為近似等向性彗星）。黃道彗星的軌道相對較小，與黃道平面接近，并且在距離太陽不遠(yuǎn)的地方很少被發(fā)現(xiàn)，大約在太陽50天文單位（海王星的軌道平均約為30天文單位，177P/巴納德的近日點約為48天文單位）附近形成柯伊伯懸崖。另一方面，長周期彗星在非常大的軌道上運行，距離太陽數(shù)千天文單位，并且是等向分布的。這意味著長周期彗星從天空的每個方向出現(xiàn)，無論是在黃道平面上方還是下方。這些彗星的起源尚不清楚，許多長周期彗星最初被認(rèn)為沿著假定的拋物線軌道運行，使它們成為來自星際空間的一次性訪客。
早期研究
1907年，阿明·奧托·洛伊施納（Armin Otto Leuschner）提出，那些被認(rèn)為具有拋物線軌道的彗星實際上沿著極大的橢圓軌道運動。經(jīng)過很長一段時間后，這些彗星將重新進(jìn)入內(nèi)太陽系，而在此期間地球天文學(xué)家無法觀測到它們。1932年，愛沙尼亞天文學(xué)家恩斯特·奧皮克（Ernst ?pik）提出長周期彗星是來自太陽系的外層邊緣的云團。1950年，荷蘭天文學(xué)家奧爾特（JanHendrick Oort）指出恩斯特推論有矛盾的地方，即一個彗星不停地來回太陽系內(nèi)部與外部，終會被多種因素所摧毀，其生命周期絕不會如太陽系的年齡長。該云團所受的太陽輻射較弱，非常穩(wěn)定，存在數(shù)百萬顆以上的彗星核，可以不停地產(chǎn)生新彗星，去取代被摧毀的彗星。
奧爾特于1950年發(fā)表了題為《環(huán)繞太陽系的彗星云結(jié)構(gòu)和關(guān)于其起源的假說》的長篇論文。他通過對19顆長周期彗星半長徑的統(tǒng)計分析，認(rèn)為它們來自于距太陽2萬天文單位~15萬天文單位的空間區(qū)域，這一區(qū)域稱原彗星云區(qū)。奧爾特認(rèn)為，該彗星云區(qū)內(nèi)約有1900億顆彗星，但總質(zhì)量小于地球質(zhì)量。由于該彗星云區(qū)已處于太陽和最近的恒星之間，恒星的攝動可以使少量彗星的軌道改變，進(jìn)入太陽系內(nèi)部。當(dāng)這些彗星與木星等大行星相遇時，有一些被攝動而變?yōu)檩^短周期的彗星，而另有一些則可能進(jìn)入拋物線或雙曲線軌道而永遠(yuǎn)離開太陽系。此外，奧爾特還認(rèn)為彗星云離太陽的距離已與近距恒星相近，但這并不表明彗星來自恒星際空間，因為太陽在恒星際空間運動時該彗星云始終跟隨著太陽，它是太陽系的一部分。
奧爾特的彗星云假說從根本上改變了人們對太陽系尺度的估計，該假說后來廣為研究者們所接受，已成為太陽系結(jié)構(gòu)和彗星起源問題的一個重要假說，而彗星云也被人們稱為“奧爾特云”。
快速發(fā)展
奧爾特的研究建立在對彗星的多年觀察之上。彗星出現(xiàn)的時間間隔意味著大多數(shù)彗星都有很長的環(huán)形運動軌跡。奧爾特認(rèn)為彗星源于帶外行星1X1012mi（1mi≈1.609 km）以外的云狀區(qū)域。該區(qū)域非常遙遠(yuǎn)，太陽無法將其納入太陽系中。
20世紀(jì)80年代初，研究者開始修正奧爾特的理論。他們認(rèn)為奧爾特星云漂浮在太陽系邊緣，極易受附近恒星引力的影響。根據(jù)研究者的計算，有時這些力量會將彗星從奧爾特星云拖至星際空間，使它們更接近太陽。接著，木星的引力要么將它們推向更小的軌道，要么將它們逐出太陽系。只有5%的彗星曾返回過它們的家園，奧爾特星云中的彗星數(shù)量逐漸減少。但這一理論似乎與每年在地球上空觀察到的穩(wěn)定劃過的一系列彗星不一致。為解決這一矛盾，科學(xué)家們在1991年提出了另一種觀點，即奧爾特星云內(nèi)層外有一個更大的天體，內(nèi)環(huán)就像一個水庫，不斷向外環(huán)提供新的彗星。
現(xiàn)代研究
在望遠(yuǎn)鏡發(fā)明后的4個世紀(jì)里，奧爾特星云中只有很小一部分彗星進(jìn)入過太陽系。彗星受到寒冷的高層宇宙空間的保護(hù)，被認(rèn)為是太陽系形成時早期星云的殘骸。90377號小行星塞德娜被認(rèn)為可能是奧爾特星云的天體，其軌道介于76~850個天文單位之間，比預(yù)計的軌道接近太陽，有可能來自奧爾特星云內(nèi)層。如果該推測正確，那么奧爾特云的距離一定比估計的接近太陽，密度也會較高。也有說法指出太陽形成時原是星團的一員。此外，海爾-博普彗星也可能源自奧爾特云。
2010年6月，哈羅德·F·萊維森（Harold F. Levison）等人基于增強的計算機模擬提出，太陽在形成的星團中“捕獲了來自其他恒星的彗星”。他們的研究結(jié)果表明，奧爾特云的相當(dāng)大一部分彗星，或許超過90%，來自其他恒星的原行星盤。2020年7月，阿米爾·西拉吉（Amir Siraj）和阿維·洛布（Avi Loeb）發(fā)現(xiàn)，太陽在形成的星團中捕獲彗星的假設(shè)可以解釋外奧爾特云與散亂盤天體觀察比率的理論矛盾，并且還可以增加捕獲第九行星的可能性。
現(xiàn)代的成像技術(shù)無法直接觀測奧爾特云，但云層被認(rèn)為是補充大多數(shù)長周期彗星和哈雷型彗星的來源，這些彗星在進(jìn)入內(nèi)太陽系后最終因靠近太陽而被消耗。對于許多半人馬和木星家族彗星來說，奧爾特云也可能具有相同的功能。
結(jié)構(gòu)與組成
結(jié)構(gòu)
奧爾特云所占空間極大，其距離太陽最近處在2000～5000天文單位（0.03～0.08光年），最遠(yuǎn)處在50000天文單位（0.79光年）。最遠(yuǎn)處距離在某些文獻(xiàn)中的估值為100000～200000天文單位（1.58～3.16光年）。奧爾特云分為兩個區(qū)域：一個半徑為20000～50000天文單位（0.32～0.79光年）的球形外層云團，和一個半徑為2000～20000天文單位（0.03～0.32光年）的環(huán)形內(nèi)層云團，這兩個區(qū)域都在日球?qū)又獾男请H空間中。從地球到奧爾特云，一束光需要經(jīng)歷一年半時間。
外奧爾特云受太陽系內(nèi)部的牽制較弱，是長周期彗星（有可能也是哈雷類彗星）在進(jìn)入海王星軌道以內(nèi)之前的起源地。外層天體中，大于1千米的可能有上兆個（萬億個），而絕對星等大于11（即直徑約為20千米以上）的有幾十億個，各自之間相距數(shù)千萬千米之遙。奧爾特云的總質(zhì)量尚不確定，但如果假設(shè)外層中的彗星核均與哈雷彗星質(zhì)量相仿，估計其總質(zhì)量為3×1025千克，約等于地球質(zhì)量的5倍。
內(nèi)奧爾特云（內(nèi)層）又稱希爾斯云，以1981年提出其存在的杰克·G·希爾斯（Jack G. Hills）命名，理論模型預(yù)測，內(nèi)奧爾特云所含的彗星核數(shù)量比外層多幾十甚至幾百倍。稀薄的外層會隨時間漸漸消失，一些學(xué)者認(rèn)為，內(nèi)層會不斷為外層補充新的彗星，是奧爾特云在形成后數(shù)十億年仍然存在的原因。截止2023年，尚未公布對內(nèi)奧爾特云質(zhì)量的估計。
組成
天文學(xué)家們根據(jù)對彗星的實質(zhì)觀察推測，奧爾特云中的絕大多數(shù)天體都是由冰組成的，如水冰、甲烷、乙烷、一氧化碳和氫氰酸。但1996PW的外觀符合D-型小行星的分類，但其軌道卻屬于長周期彗星。它的發(fā)現(xiàn)，使一些理論學(xué)家猜想，奧爾特云可能還含有1%到2%的小行星。分析指出，長周期彗星和木星族彗星的碳和氮同位素比差異不大，盡管兩者的起源地點截然不同，這也表明兩類彗星都源自于原太陽星云。對奧爾特云彗星顆粒大小的研究以及對屬于木星族的坦普爾1號彗星實施撞擊后的研究結(jié)果，都支持這一結(jié)論。
起源
奧爾特云大約是46億年前太陽系形成早期的原行星盤殘余物質(zhì)。學(xué)界較為接受的說法是，奧爾特云的物體最初與太陽距離更近，與形成行星和小行星的過程相同。形成后，與年輕的氣態(tài)巨行星（如木星）之間的強大引力相互作用將這些物體逐出太陽系內(nèi)部，使其擁有極為寬闊的橢圓或拋物線軌道，隨后又被經(jīng)過的恒星和巨大分子云的攝動調(diào)整成長期脫離氣態(tài)巨行星區(qū)域的軌道。美國航空航天局認(rèn)為不少甚至是大部分的奧爾特云天體都是從太陽及其鄰近恒星形成時交換的物質(zhì)產(chǎn)生的，而不是在靠近太陽的地方形成。奧爾特云從太陽系誕生到現(xiàn)在的演變的模擬表明，奧爾特云的質(zhì)量在形成后約8億年達(dá)到峰值，因為吸積和碰撞的速度減慢，消耗開始超過供應(yīng)。
胡利奧·昂海爾·費爾南德斯（Julio ángel Fernández）所建立的模型顯示，周期彗星的主要來源離散盤，也有可能是不少奧爾特云天體的來源。根據(jù)此模型，離散的天體當(dāng)中，有一半左右向外移至奧爾特云，而四分之一向內(nèi)移動到木星軌道，四分之一被噴射到雙曲軌道上。離散盤可能仍在為奧爾特云提供物質(zhì)。而計算機模型表明，彗星碎片在形成期間的碰撞所起的作用比之前想象的要大得多。根據(jù)此模型，太陽系形成時彗星碎片之間的碰撞極為頻繁，以至大部分彗星在抵達(dá)奧爾特云之前就被撞碎了。因此奧爾特云目前的累積質(zhì)量要小于曾經(jīng)的估計。云團的估計質(zhì)量只是噴射物質(zhì)的50-100個地球質(zhì)量的一小部分。
與附近恒星和銀河潮汐的引力相互作用改變了彗星的軌道，使它們更加圓形化，并能長期處于太陽的遠(yuǎn)方，這解釋了外奧爾特云近乎球形的形狀。另一方面，內(nèi)奧爾特云與太陽的結(jié)合更加牢固，因此沒有獲得球形形狀。有研究表明，奧爾特云的形成過程符合太陽系在一個星團中與200至400顆恒星共同形成的假說。這些早期恒星很可能在奧爾特云的形成過程中發(fā)揮了作用，因為星團內(nèi)部接近的恒星經(jīng)過數(shù)量遠(yuǎn)高于現(xiàn)在，導(dǎo)致攝動更為頻繁。
成因
潮汐效應(yīng)
大多數(shù)靠近太陽的彗星似乎是通過銀河系的潮汐力對奧爾特云的引力攝動而達(dá)到其當(dāng)前軌道。正如月球的潮汐力使地球的海洋變形，引起潮汐的漲落一樣，銀河系的潮汐也扭曲了外太陽系天體的軌道。在太陽系已探測到的區(qū)域，這些效應(yīng)與太陽的引力相比微不足道，但在太陽引力影響較弱的遙遠(yuǎn)地區(qū)，銀河系的引力場就會有明顯的作用。銀河系的潮汐力沿著指向銀河中心的軸拉伸云，沿著另外兩個軸壓縮云；這些小的攝動可以改變奧爾特云中物體的軌道，使它們靠近太陽。銀河系潮汐力的影響超越太陽引力之處，稱為“潮汐截斷半徑”。它位于10萬至20萬天文單位的半徑處，這也是奧爾特云外邊界線的半徑。
有學(xué)者猜想，銀河潮汐有可能通過增加高遠(yuǎn)日點微行星的近日點距離，促使奧爾特云的形成。銀河系潮汐力的效應(yīng)較為復(fù)雜，且在較大程度上取決于行星系統(tǒng)內(nèi)各個物體的行為。但它的累積效應(yīng)影響顯著：源自奧爾特云的所有彗星中，高達(dá)90%可能是銀河潮汐的結(jié)果。對長周期彗星軌道的統(tǒng)計模型也指出，銀河潮汐是彗星軌道移入內(nèi)太陽系的主要原因。
恒星攝動
將彗星送入內(nèi)太陽系的主要觸發(fā)因素被認(rèn)為是奧爾特云與附近恒星或巨型分子云的引力場之間的相互作用。在太陽圍繞銀心運轉(zhuǎn)的時候，會與其他恒星系統(tǒng)的距離相對較近。例如，7萬年前舒爾茨星（Scholz's star）曾在奧爾特云中穿過，因其低質(zhì)量和高相對速度，所以影響不大。在未來的1千萬年內(nèi)最有可能靠近并擾動奧爾特云的恒星是格利澤710。此過程有可能將奧爾特云物體散射出黃道面，這也有可能解釋這些天體的球形分布結(jié)構(gòu)。
伴星假說
1984年，物理學(xué)家理查德·A·穆勒 （Richard A. Muller）提出了涅墨西斯星的假說，即在奧爾特云內(nèi)的橢圓軌道上有一顆尚未被發(fā)現(xiàn)的褐矮星或紅矮星正在繞太陽公轉(zhuǎn)，但并未有證據(jù)證明該伴星的存在。而撞擊坑計數(shù)等證據(jù)則反而降低了其存在的可能性。2002年，天文學(xué)家約翰·J·馬蒂斯（John J. Matese）也提出了相似的假說，他認(rèn)為，從奧爾特云某個特定區(qū)域進(jìn)入內(nèi)太陽系的彗星，其觀測上的數(shù)目不能完全由銀河潮汐和恒星攝動所解釋，更多的彗星從假設(shè)的奧爾特云特定區(qū)域進(jìn)入內(nèi)太陽系，最可能的原因是一個質(zhì)量相當(dāng)于木星的天體存在于遙遠(yuǎn)的軌道上。這個假設(shè)中的氣體巨行星被昵稱為“小行星258”。廣域紅外中國空間站工程巡天望遠(yuǎn)鏡探測衛(wèi)星（WISE）任務(wù)利用視差測量全天的恒星距離，有能力證實堤喀的存在。2014年，美國航空航天局宣布，WISE巡天排除了任何符合其定義的物體。
研究意義
奧爾特云的外部界限定義了太陽系的宇宙邊界。因得益于天體力學(xué)的幫助，自然界在奧爾特云這一彗星庫中保存了一批太陽系形成時的物質(zhì)樣品。通過研究這個彗星庫以及凍結(jié)在它的冰質(zhì)成員中的宇宙化學(xué)資料，研究人員們正逐漸獲知關(guān)于太陽系起源的線索。當(dāng)前奧爾特云尚無直接的觀測證據(jù)，其理論僅是假設(shè)。但塞德娜的發(fā)現(xiàn)，可能會證實奧爾特云理論。若該理論被證實，那太陽系大行星成長的邊疆將因此擴展數(shù)億倍。
未來展望
尚未有人類制造的空間探測器抵達(dá)奧爾特云。在正在離開太陽系的探測器中，就算是行進(jìn)速度最快、距離最遠(yuǎn)的旅行者1號探測器，也要在300年后才會到達(dá)奧爾特云，要穿越它更需要3萬年的時間。另外，旅行者1號所攜帶的放射性同位素?zé)犭姍C在2025年前后就無法再為同行的科學(xué)儀器提供足夠的電力，所以不能用來對奧爾特云做任何實質(zhì)性的探索。在2014年的發(fā)現(xiàn)計劃機會公告中，提出了一個探測奧爾特云（和柯伊伯帶）中天體的天文臺，稱為“惠普爾任務(wù)”。其將使用光度計監(jiān)測遙遠(yuǎn)的恒星，尋找高達(dá)10000天文單位之外的凌星現(xiàn)象。這個觀測站計劃圍繞L2拉格朗日點軌道飛行，擬定為5年任務(wù)。還有人認(rèn)為開普勒天文臺有可能探測奧爾特云中的天體。
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