首個星際天體起源之謎新解

南方周末特約撰稿 鞠強

張韻和林潮通過數(shù)值模擬得到的奧陌陌。國家天文臺　?　張韻　?圖

★奧陌陌是天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的第一個來自太陽系之外的天體，最新研究認為，奧陌陌可能是被原行星系統(tǒng)中恒星的潮汐作用撕碎并甩出的碎片，也有研究認為它其實就是一座巨大的氫分子冰山。

2017年10月19日晚，美國夏威夷大學(xué)的天文學(xué)家羅伯特·威里克（Robert Weryk）發(fā)現(xiàn)了一個此前從未被記錄在冊的小天體。經(jīng)過此后一個多月的觀測，天文學(xué)家最終根據(jù)這個小天體前所未有的軌道確認它來自太陽系之外。這個天體成為有史以來天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的第一個來自太陽系外的天體。

天文學(xué)家通常會將新發(fā)現(xiàn)的小天體歸類到彗星或者小行星中，但是這個小天體卻令他們感到困惑。他們發(fā)現(xiàn)，這個天體沒有彗星靠近太陽時的典型特征，即沒有發(fā)現(xiàn)它向外噴射氣體和塵埃的跡象，因此初步推斷這個小天體不是一顆彗星。因為這個天體太小太暗，天文學(xué)家很難直接確定它的外形和尺寸。他們根據(jù)天體的光度變化推測這個天體有著類似雪茄的奇特外形，長度約100米，長短軸比例為6∶1-10∶1，遠大于太陽系內(nèi)已知小天體的長短軸比例，同時它在運動過程中伴隨著快速旋轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)軸也不固定，天文學(xué)家還沒有在太陽系中發(fā)現(xiàn)類似形狀的小天體。

此后，負責(zé)為新發(fā)現(xiàn)的天體命名的國際天文學(xué)聯(lián)合會（IAU）創(chuàng)造了一個不同于彗星（C）和小行星（A）的新類別——星際天體（I）——來給這個天體命名。這個系外來客的正式科學(xué)名稱是“1I/2017 U1”，其中1I中的1代表這類天體中的第一個，I代表星際（Interstellar）。作為這個天體的發(fā)現(xiàn)者，夏威夷哈雷阿卡拉天文臺的天文學(xué)家用當?shù)卣Z言中的Oumuamua命名它，這個詞在當?shù)卣Z言中的意思是“第一位來自遠方的使者”。全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會天文學(xué)名詞審定委員會隨后確認這個天體的中文名稱為“奧陌陌”。

未解的謎團

奧陌陌是天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的第一個星際天體，因此他們對奧陌陌的到來實際上準備不足。當他們發(fā)現(xiàn)的時候，奧陌陌已經(jīng)在飛離我們的路上。很快，又小又暗的奧陌陌就消失在光學(xué)望遠鏡的視野中，天文學(xué)家希望用斯皮策太空望遠鏡在紅外波段進行追蹤的努力也以失敗而告終。根據(jù)計算，奧陌陌現(xiàn)在已經(jīng)飛出土星的軌道，并將在大約1萬年之后飛出太陽系。

奧陌陌已經(jīng)消失在深空中，但是籠罩在它身上的謎團卻引發(fā)天文學(xué)家持續(xù)的研究。雖然天文學(xué)家沒有觀察到奧陌陌如彗星一樣噴射氣體和塵埃的跡象，但是觀測顯示奧陌陌在離開太陽系的過程中處于加速狀態(tài)，同它謎一般的外形一樣，這個加速度的來源也有待破解。

發(fā)現(xiàn)奧陌陌后，天文學(xué)家第一次有機會對星際天體的形成和演化機制進行直接的研究。2019年8月，業(yè)余天文學(xué)家根納季·鮑里索夫（Gennady Borisov）發(fā)現(xiàn)了第二個星際天體，后來這個天體以他的名字命名為2I/Borisov彗星。不過與奧陌陌相比，在這顆彗星進入太陽系的途中，天文學(xué)家就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了它并對它進行了長達幾個月的觀測。觀測結(jié)果顯示，2I/Borisov彗星雖然來自太陽系外，但是與太陽系內(nèi)的其他彗星相比沒有什么特別的不同。這樣一來，研究星際天體的天文學(xué)家仍然把重點放在奧陌陌身上。

奧陌陌消失之后，各種解釋層出不窮，其中包括哈佛大學(xué)天文學(xué)系主任阿維·萊博（Avi Leob）等人提出的聳人聽聞的“光帆飛船說”。系外智慧生命飛船這種說法暫且不論，其他的解釋也沒有哪個得到廣泛的接受。因此，天文學(xué)界對奧陌陌起源和演化的爭論一直沒有停止。

撕碎的碎片

2020年4月13日，中國科學(xué)院國家天文臺博士張韻和清華大學(xué)高等研究院訪問教授林潮在《自然·天文》（Nature Astronomy）上發(fā)表論文，給出了他們的解釋。他們認為，新模型表明奧陌陌可能是被原行星系統(tǒng)中恒星的潮汐作用撕碎并甩出的碎片，他們進行的數(shù)值模擬的結(jié)果全面系統(tǒng)地復(fù)現(xiàn)了奧陌陌的特征。

張韻在國家天文臺官網(wǎng)上簡要介紹了研究的主要思路和結(jié)論。他們使用超級計算機對天體近距離飛越恒星過程中的結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)演化展開高分辨率的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)恒星的潮汐力可以將天體撕碎成許多細長型碎片，同時潮汐作用可使部分碎片的速度增大至超過恒星的逃逸速度，使它們成為星際天體。這些碎片具有翻滾旋轉(zhuǎn)的特征，長短軸的比例大多數(shù)高于5∶1，有些甚至能夠高于10∶1，這也符合奧陌陌的觀測特征，可以解釋奧陌陌奇特的外形。

對于奧陌陌加速度的來源，這個理論也能給出解釋。他們認為雖然恒星的熱輻射使得奧陌陌內(nèi)部的一氧化碳等可揮發(fā)性氣體消耗殆盡，但是一些升華溫度較高的可揮發(fā)性物質(zhì)（如水冰等）能夠在地下數(shù)十厘米處保存完好。在奧陌陌遠離太陽的過程中，這些剩余的水冰可被太陽的熱輻射激活噴發(fā)，提供觀測到的奧陌陌的加速度。

張韻同時表示：“類似奧陌陌的星際天體穿越太陽系不應(yīng)該是一個偶然事件，從概率上估計，每個太陽系周圍的恒星系統(tǒng)平均至少可以產(chǎn)生百萬億數(shù)量級的類似星際天體，才能夠解釋奧陌陌闖入太陽系事件的發(fā)生概率?！绷殖币舱J為，奧陌陌只是冰山一角，天文學(xué)家在未來將有機會觀測到大量的同類天體。

耶魯大學(xué)天文學(xué)教授格雷戈里·拉夫林（Gregory Laughlin）認為這項研究非常巧妙地運用行星系統(tǒng)演化過程的普遍現(xiàn)象解釋了奧陌陌的特征，顯示了星際間物質(zhì)擴散的高效性，為人類理解行星系統(tǒng)的形成和演化提供了關(guān)鍵線索。奧陌陌國際空間科學(xué)研究團隊共同負責(zé)人馬修·奈特（Matthew Knight）也認為這項出色的研究“用一個單獨的模型就得以解釋奧陌陌一系列與眾不同的特性”，令人印象深刻。

氫分子冰山

時隔一個多月，拉夫林和他在耶魯大學(xué)的學(xué)生、目前在芝加哥大學(xué)擔(dān)任博士后研究員的達瑞爾·塞利格曼（Darryl Seligman）在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv上發(fā)布了一篇論文，給出了另一種不同的解釋。他們的論文正式發(fā)表在《天體物理雜志快報》（Astrophysical Journal Let-ters）上。在他們看來，奧陌陌其實就是一個巨大的氫分子冰山。

在這篇論文中，他們通過重建奧陌陌的軌跡以及它在飛行過程中的受力情況發(fā)現(xiàn)，水冰被陽光加熱后噴射到太空中產(chǎn)生的推力太小，不足以解釋奧陌陌的加速，而其他類型的冰則可能產(chǎn)生足以解釋加速現(xiàn)象的噴射，其中最有效的就是氫。這就需要奧陌陌中的氫此前也是以固體的形式存在。

二人進而提出，像奧陌陌這樣的氫冰塊最初誕生在星際分子云內(nèi)部。這些由氣體和塵埃組成的分子云的質(zhì)量可達數(shù)萬個太陽的質(zhì)量，跨度達到數(shù)百光年。氫是宇宙中最常見的元素，但是氫極少以固體的形式存在，因為氫要在極低的溫度下才能結(jié)成氫冰，這個溫度大約為6K，也就是大約-267℃。而在這些黑暗的分子云的中心，尚沒有恒星形成，可以免受恒星發(fā)出的輻射的影響，因此溫度可以冷卻到僅比絕對零度高出幾度，這樣的低溫足以使氫結(jié)冰。同時這些結(jié)冰的粒子附著在星際塵埃的小顆粒上，經(jīng)過數(shù)千年的時間可以形成奧陌陌這個尺寸的天體。

拉夫林和塞利格曼認為這個理論可以解釋奧陌陌的加速行為以及它奇怪的細長條狀。他們的計算表明，奧陌陌的形成時間不超過1億年，在靠近太陽的過程中因為受熱磨損而變成現(xiàn)在的形狀，這就像是一塊肥皂經(jīng)過多次使用之后變成長條狀一樣。

天文學(xué)家對星際分子云充滿興趣。星際分子云內(nèi)部存在原恒星核，是孕育恒星的場所。但由于被厚厚的星際氣體和塵埃所包裹，天文學(xué)家無法使用光學(xué)手段探測內(nèi)部區(qū)域。不過，射電天文學(xué)家已經(jīng)在分子云內(nèi)部探測到被認為是生命演化必需物質(zhì)的有機分子，包括甲醇和乙醛。因此，研究星際分子云對我們理解生命的起源和演化有著重要的意義。

如果他們的解釋正確，奧陌陌這樣的天體就為天文學(xué)家提供了一個直接了解星際分子云內(nèi)部情況的機會。拉夫林在耶魯大學(xué)官網(wǎng)上表示：“這些由氫組成的冰山狀天體的存在，使我們能夠?qū)π纬珊阈堑臍怏w云的內(nèi)部條件進行準確的探測；同時，天文學(xué)家對恒星和與之相伴的行星的誕生過程的早期階段仍然不甚了解，這些氫分子冰山為他們理解這個階段提供了關(guān)鍵的新線索?！?/p>

到目前為止，圍繞在奧陌陌身上的謎團尚未完全解開。而且，奧陌陌已經(jīng)永遠消失在我們的視線里，天文學(xué)家提出的種種理論都無法在它身上進行驗證。奧陌陌之后，除去行為符合預(yù)期的2I/Borisov彗星外，天文學(xué)家尚未發(fā)現(xiàn)新的星際天體，也就無法進行有針對性的觀測。所以，天文學(xué)家目前能做的更多是基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)的模擬和猜測。

不過，隨著下一代探測設(shè)備的建設(shè)和投入使用，他們將有機會發(fā)現(xiàn)更多的星際天體，從而加深對這類天體的性質(zhì)的理解，并且對現(xiàn)有的理論進行驗證。例如，歐洲航天局正在開發(fā)彗星攔截器（Comet Interceptor），這臺設(shè)備將被放置在地球附近的太空中，未來如果有星際天體飛越太陽的話，它就可以對這些天體進行訪問并收集數(shù)據(jù)。同時，正在智利建設(shè)的薇拉·魯賓天文臺（Vera Rubin Observa-tory）將于2022年正式投入使用，它將有能力探測到極暗的天體，幫助天文學(xué)家尋找隱匿在深空中的系外來客。因此，我們也許不用等待太久，就可以見證下一個奧陌陌的到來。