Oorts sky

Hypotese

I 1932 postulerte den estiske astronomen Ernst Öpik at langperiodiske kometer stammet fra en sky som gikk i bane helt mot ytterkanten av solsystemet. I 1950 ble denne tanken uavhengig gjenopplivet av den nederlandske astronomen Jan Hendrik Oort som et hjelpemiddel for å løse et paradoks: i løpet av solsystemets eksistens er kometbaner ustabile; til slutt sier dynamikken at en komet må kollidere med enten solen eller en planet, ellers blir den kastet ut av solsystemet på grunn av planetarisk påvirkning. Videre betyr deres isete sammensetning at etterhvert som de gjentatte ganger nærmer seg solen, vil stråling gradvis koke bort isene helt til kometen splittes eller utvikler en isolerende kappe som hindrer videre utgassing. Oort resonerte seg derfor frem til at en komet ikke kan ha blitt dannet i en slik bane, og dermed må ha blitt holdt i et ytre reservoar gjennom nesten hele dens eksistens.
Det finnes to hovedklasser av kometer. Kortperiodiske (også kalt ekliptiske kometer) og langperiodiske (også kalt nær-isotropiske kometer). Ekliptiske kometer har relativt smale baner, under 10 AE, og følger det ekliptiske planet – det vil si det samme planet som planetene ligger i. Nesten alle isotropiske kometer har svært store baner i størrelser på tusener av AE, og de dukker opp hvor som helst på himmelen. Oort bemerket seg at det var en topp i antallet nær-isotropiske kometer ved aphel (deres lengste avstand fra solen) på drøyt 20 000 AE. Dette antydet et reservoar ved den avstanden med en sfærisk, isotropisk fordeling. Disse relativt sjeldne kometene med baner på ca. 10 000 AE har sannsynligvis gått en eller flere runder gjennom solsystemet og fått sine baner trukket innover av gravitasjonen til planetene.

Struktur og sammensetning

Oorts sky antas å okkupere et stort område fra et sted mellom 2 000 og 5 000 AE (0,03 og 0,08 ly) til så langt som 50 000 AE (0,79 ly) fra solen. Noen estimater plasserer den ytre grensen et sted mellom 100 000 og 200 000 AE (1,58 og 3,16 ly). Regionen kan deles inn i en kuleskall-formet ytre Oorts sky på 20 000–50 000 AE (0,32–0,79 ly), og en skiveformet indre Oorts sky på 2 000–20 000 AE (0,03–0,32 ly).
Den ytre Oorts sky er bare svakt bundet til solen og fører langperiodiske kometer (og muligens Halley-typer) på innsiden av Neptuns bane. Den indre Oorts sky er også kjent som Hills sky, oppkalt etter J.G. Hills som foreslo eksistensen i 1981. Modeller forutsier at den indre skyen skal ha flere titalls eller hundretalls så mange kometkjerner som den ytre haloen; den ses som en mulig kilde for nye kometer i den relativt tynne ytre skyen siden sistnevnte gradvis tømmes. Hills sky forklarer den kontinuerlige eksistensen av Oorts sky etter milliarder av år.
Ytre Oorts sky antas å inneholde flere billioner enkeltobjekter større enn omtrent 1 km, hvorav flere milliarder med absolutte størrelsesklasser lyssterkere enn 11 – tilsvarende en omtrentlig diameter på 20 km) og med typisk titalls millioner av kilometer mellom objektene. Den totale massen er ikke med sikkerhet kjent, men, antatt ant Halleys komet er en passende prototype for alle kometer i ytre Oorts sky, er den samlede estimerte massen 3×10²⁵ kg – eller drøyt fem ganger massen av jorden. Tidligere var anslagene så høye som opp til 380 ganger jordens masse, men forbedret kunnskap om størrelsesfordelingen blant langperiodiske kometer har ført til mye lavere estimater. Massen til indre Oorts sky er ikke kjent.
Hvis analyser av kometer er representative for det hele, består det store flertallet av Oorts sky-objekter av varierte volatiler som vann, metan, etan, karbonmonoksid og hydrogencyanid. Oppdagelsen av objektet 1996 PW, en asteroide i en bane mer typisk for en langperiodisk komet, antyder dog at skyen også kan inneholde steinete objekter. Analyser av karbon- og nitrogenisotopforholdene i både Oorts sky og kometer i Jupiter-famlien viser lite forskjell mellom de to, til tross for vidt forskjellige opphavsregionene. Dette antyder at begge stammer fra den opprinnelige protosolare skyen, og dette er en konklusjon som også støttes av studier av kornstørrelsen i kometer fra Oorts sky, og av studier av nedslaget av Tempel 1.

Opprinnelse

Oorts sky antas å være en rest etter den opprinnelige protoplanetariske skiven som dannet seg rundt solen for omtrent 4,6 milliarder år siden. Den mest utbredte aksepterte hypotesen er at objekter i Oorts sky i utgangspunktet fortettet seg mye nærmere solen som en del av samme prosess som dannet planetene og asteroidene, men at gravitasjonell påvirkning fra de unge gassplanetene, slik som Jupiter, førte objektene inn i ekstremt lange elliptiske eller parabolske baner. Nyere forskning har blitt sitert av NASA i å hypotisere at et stort antall av objektene i Oorts sky er produktet av et «bytte» av materie mellom sonen og dens søsterstjerner etter at de ble dannet og drev fra hverandre. Det er også foreslått at mange – muligens flertallet – av objektene i Oorts sky ikke ble dannet nær solen. Simuleringer av utviklingen til Oorts sky fra begynnelsen av solsystemet til i dag antyder at skyens masse hadde en topp rundt 800 millioner år etter dannelsen. På det tidspunktet begynte takten i akkresjonen og kollisjonene å avta og utarmingen ble etterhvert større enn tilførselen.
Modeller utarbeidet av Julio Ángel Fernández antyder at den spredte skiven, som er hovedkilden for periodiske kometer i solsystemet, også kan være hovedkilden for objekter i Oorts sky. Ifølge modellene ferdes omtrent halvparten av objektene i den spredte skiven utover mot Oorts sky, mens en fjerdedel er vendt innover mot Jupiters bane og den siste fjerdedelen sendes ut i hyperbolske baner. Det er mulig at den spredte skiven fremdeles forsyner Oorts sky med materiale. En tredjedel av den spredte skivens populasjon ender sannsynligvis opp i Oorts sky etter 2,5 milliarder år.
Datamodeller antyder at kollisjoner mellom kometrester under perioden for dannelsen spiller en langt større rolle enn det som tidligere var antatt. Ifølge disse modellene var antallet kollisjoner tidlig i solsystemets historie så høyt at kometer ble ødelagt før de nådde frem til Oorts sky. Derfor er den kumulative massen til Oorts sky langt mindre enn det som en gang var antatt. Den estimerte massen av skyen er bare en liten del av de 50–100 jordmassene med utkastet materiale.
Gravitasjonell vekselvirkning med nærliggende stjerner og galaktiske tidevannskrefter endret kometbanene slik at de ble mer sirkulære. Dette forklarer den nesten sirkulære formen til ytre Oorts sky. På den annen side har Hills sky, som er sterkere bundet til solen, enda til gode å oppnå en sirkulær form. Nyere studier har vist at dannelsen av Oorts sky grovt sett er kompatibel med hypotesen om at solsystemet ble dannet som en del av en integrert hop på 200–400 stjerner. Disse tidlige stjernene spilte sannsynligvis en rolle i skyens dannelse, siden antallet nære stjernepasseringer innenfor hopen var mye høyere enn i dag, og førte til langt mer hyppige påvirkninger.
I juni 2010 foreslo Harold F. Levison, og andre, med basis i forbedrede datasimuleringer at solen «fanget kometer fra andre stjerner mens den var i fødehopen». Resultatene antyder at «en betydelig del av kometer i Oorts sky, kanskje over 90 %, kommer fra protoplanetariske skiver av andre stjerner».

Kometer

Kometer antas å ha to separate utgangspunkt i solsystemet. Kortperiodiske kometer (de med baner opp mot 200 år) er generelt akseptert å ha dukket opp fra Kuiperbeltet eller den spredte skiven – to sammenkoblede flate skiver med isete rester utenfor Neptuns bane ved 30 AE og som samlet går forbi 100 AE fra solen. Langperiodiske kometer, slik som Hale-Bopp, hvis bane er tusener av år, antas å komme fra Oorts sky. Banene i Kuiperbeltet er relativt stabile, slik at svært få  kometer antas å komme derifra. Den spredte skiven, derimot, er dynamisk aktiv og det er langt større sannsynlighet at det er der kometer kommer fra. Kometer passerer gjennom den spredte skiven og inn i området til de ytre planetene, hvor de blir det som kalles kentaurer. Disse kentaurene sendes så lengre innover og blir kortperiodiske kometer.
Det er hovedsakelig to typer kortperiodiske kometer. De som tilhører Jupiter-familien, det vil si de med store halvakse mindre enn 5 AE, og de som tilhører Halley-familien. Kometer i Halley-familien, oppkalt etter prototypen – Halleys komet, er uvanlige i det at samtidig som de er kortperiodiske kometer ligger opprinnelsen i Oorts sky, og ikke i den spredte skiven. Basert på banene, antas det de var langperiodiske kometer som ble innfanget av gravitasjonen til kjempeplanetene og sendt innover i solsystemet. Denne prosessen kan også ha ført til de nåværende banene til en betydelig andel av kometene i Jupiter-familien, selv om hoveddelen av slike kometer antas å komme fra den spredte skiven.
Oort bemerket seg at antallet kometer som returnerte var langt mindre enn det hans modell forutsa. Grunnen til dette er enda ikke kjent. Ingen kjente dynamiske prosesser kan forklare hvorfor observasjonen av periodiske kometer faller. Hypoteser for hvorfor inkluderer ødeleggelsen av kometer på grunn av tidevannskrefter, nedslag eller oppvarming; tap av alle volatiler som gjør noen kometer usynlige, eller dannelsen av en ikke-volatil skorpe på overflaten. Dynamiske observasjoner av Oorts sky har vist at forekomsten er flere ganger så høy i regionen ved de ytre plantene enn den er blant de indre planetene. Denne forskjellen kan komme av gravitasjonell påvirkning fra Jupiter, som fungerer som et slags skjold som fanger opp innkommende kometer og gjør at de kolliderer med seg, akkurat som med Shoemaker-Levy 9 i 1994.

Tidevannseffekter

De fleste av kometene som observeres nær solen antas å ha fått sine nåværende posisjoner gjennom gravitasjonell forvrengning av Oorts sky på grunn av tidevannskrefter fra Melkeveien. Akkurat som månens tidevannskrefter bøyer og endrer formen på jordens hav, der tidevannet heves og senkes, fører galaktiske tidevannskrefter til at banene til legemer i det ytre solsystemet blir endret og dradd mot det galaktiske sentrumet. I de kartlagte delene av solsystemet er disse påvirkningene neglisjerbare sammenlignet med gravitasjonen fra solen. I de ytre grensene av solsystemet, derimot, er solens gravitasjon svakere og gradienten av Melkeveiens gravitasjonsfelt spiller en langt større og merkbar rolle. På grunn av denne gradienten kan galaktiske tidevannskrefter deformere en ellers kulehode-formet Oorts sky, og strekke skyen i retning av det galaktiske senteret og komprimere den langs de to andre aksene. Disse små galaktiske påvirkningene kan være tilstrekkelig til å løsrive medlemmer av Oorts sky fra de opprinnelige banene og sende dem mot solen. Punktet hvor solens gravitasjon overgås av påvirkningen fra de galaktiske tidevannskreftene kalles tidevanns-trunkeringsradien. Den ligger ved en radius på 100 000–200 000 AE og markerer den ytre grensen av Oorts sky.
Noen forskere teoretiserer at de galaktiske tidevannskreftene kan ha bidratt til dannelsen av Oorts sky ved å øke perihelet – den nærmeste avstanden til solen – til planetesimalene med stor aphel. Virkningene av de galaktiske tidevannskreftene er ganske komplekse, og avhenger veldig av oppførselen til hvert enkelt objekt i et planetsystem. Kumulativt, derimot, kan virkningen være kanske betydelig: opp til 90 % av alle kometer som kommer fra Oorts sky kan være et resultat av galaktiske tidevannskrefter. Statistiske modeller av de observerte banene til langperiodiske kometer taler for at galaktiske tidevannskrefter er de viktigste årsakene til at banene perturberes mot det indre solsystemet.

Forstyrrelser fra stjerner og hypoteser om stjernefølgesvenn

Foruten de galaktiske tidevannskreftene, antas hovedmekanismen bak kometene som kommer inn i solsystemet å være vekselvirkning mellom solens Oorts sky og gravitasjonsfeltene til nærliggende stjerner eller gigantiske molekylskyer. Solens bane gjennom Melkeveiens plan fører den noen ganger inn i relativt nærhet til andre stjernesystemet. For eksempel, i løpet av de neste 10 millioner år er Gliese 710 den stjernen vi kjenner til med størst sannsynlighet for å påvirke Oorts sky. Denne prosessen bidrar også til å spre objekter ut av det ekliptiske planet, og kan potensielt også forklare skyens sirkulære fordeling.
I 1984 postulerte fysikeren Richard A. Muller at solen har en hittil uoppdaget følgesvenn, som enten er en brun eller rød dverg, i en elliptisk bane innenfor Oorts sky. Dette objektet, kjent som Nemesis, var hypotisert å passere gjennom en del av Oorts sky omtrent hvert 26. millioner år og føre til bombardering av det indre solsystemet med kometer. Imidlertid har til dags dato ingen bevis for Nemesis blitt funnet, og mange bevislinjer (slik som kratertelling), har sådd tvil om eksistensen. Nyere vitenskapelige analyser støtter ikke lengre tanken om at utryddelser på jorden skjer med jevne, gjentakende intervaller, og Nemesis-hypotesen er derfor ikke lengre nødvendig.
En lignende hypotese ble fremmet av astronomen John J. Matese ved University of Louisiana i Lafayette i 2002. Han hevder i hypotesen at det kommer kometer til det indre solsystemet fra en spesiell region i Oorts sky til at det kan forklares med galaktiske tidevannskrefter eller påvirkninger fra stjerner alene. Han hevder også at den mest sannsynlige årsaken er et objekt med masse omtrent som Jupiter i en fjern bane. Denne hypotetiske gasskjempeplaneten har blitt kalt Tyche. En såkalt «all sky»-undersøkelse som bruker parallaksemålinger for å kartlegge lokale stjerneavstander – Wise-oppdraget – har som et deloppdrag å bidra til enten å bekrefte eller avkrefte Tyche-hypotesen.

Endret newtonsk dynamikk i Oorts sky

Det har blitt foreslått at ved denne avstanden fra solen opplever objektene som utgjør Oorts sky akselerasjoner i størrelsesorden 10⁻¹⁰ m s⁻², og dermed skulle være innenfor området hvor endret newtonsk dynamikk (MOND) inntreffer. Hypotesen ble foreslått for å forklare avviket i galaksers rotasjonskurve og forbindes i dag først og fremst med mørk materie, men den sier at akselerasjonen slutter å være proporsjonal med kraften ved svært lave akselerasjoner. Hvis dette stemmer, vil det ha stor betydning for formasjonen og strukturen til Oorts sky. Flertallet av kosmologene anser imidlertid ikke MOND som en gyldig hypotese.

Fremtidig utforskning

Romsonder har enda ikke nådd frem til området for Oorts sky. Et foreslått oppdrag innebærer å bruke et fartøy drevet av solseil og som vil bruke rundt 30 år på å nå frem.