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【中國科學報】星際來客“奧陌陌”身世大公開

2020-04-15 中國科學報 丁佳
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數值模擬得到的奧陌陌 張韻供圖

  人類發現的第一個星際天體的起源剛剛被揭曉了。

  北京時間4月13日,《自然—天文》在線發布了中國科學院國家天文臺博士后張韻與美國加州大學圣克魯茲分校教授林潮的研究論文,揭示了一種叫做奧陌陌的星際天體的形成機制及其成為星際天體的過程。論文提出的新模型表明,奧陌陌可能是被原行星系統中恒星的潮汐作用撕碎并甩出的碎片,數值模擬結果首次全面系統地復現了奧陌陌的所有特征。

  至此,這顆闖入太陽系的小天體,終于揭開了其神秘面紗。

  神秘的“不速之客”

  2017年10月,天文學家發現了一顆闖入太陽系的系外小天體,國際天文學聯合會將其命名為“奧陌陌”(1I/‘Oumuamua)。作為人類觀測到的首個星際天體,奧陌陌的到來引起了全球廣泛關注。與此同時,奧陌陌獨特的性質也引發了學術界對原有星際天體形成和演化機制的重新討論。

  奧陌陌長約100米,長短軸比例為6:1~10:1,遠遠大于已知太陽系內小天體的長短軸比例,具有極其特殊的狹長外形。奧陌陌在運動過程中伴隨著快速旋轉,并且它的自轉軸還不固定。

  最開始,天文學家希望利用觀測的手段驗證奧陌陌屬于彗星的猜想。但是,他們調用了幾乎所有的天文望遠鏡,都沒有發現它有向外噴射氣體和塵埃的跡象,從而推測奧陌陌是一顆小行星,而不是現有理論推測出來的彗星。

  2018年,人類派出了有史以來最大的太空紅外望遠鏡斯皮策太空望遠鏡,試圖再次捕捉奧陌陌的身影,卻以失敗告終。這位神秘來客,帶著它的所有謎團,似乎就這么消失了。

  然而,好奇的天文學家可不會就此罷休。在奧陌陌消失兩年后,關于它的形狀和非引力加速度的謎團仍未解開,它的起源和成為星際天體的過程令天文學家們十分困惑,甚至還有科學家猜測奧陌陌與外星生物的存在有所關聯。

  平凡里的不平凡

  “奧陌陌的光譜性質顯示,它在原來的行星系統中曾經受到恒星的強烈熱輻射。這個特征可以通過近距飛越恒星產生。而如此近距離的接觸可能使得奧陌陌的母體被恒星的潮汐作用撕裂,并將奧陌陌甩出原系統。”論文第一作者與通訊作者張韻說,“正是這一個最平凡的性質啟發了我們著手研究潮汐撕裂星際天體形成理論。”

  通過使用超級計算機對天體近距飛越恒星過程中的結構和熱力學演化展開高分辨率的數值模擬研究,研究人員發現,恒星的潮汐力會將天體撕碎成許多的細長型碎片,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的特征,長短軸的比例大多數高于5:1,有些甚至高于10:1。在潮汐撕碎過程中,這些碎片的表面因恒星熾熱灼烤而熔化。當遠離恒星時,熔化的表面重新凝結,使碎片的整體結構具有很強的黏結力,從而可以維持所形成的細長形狀的結構穩定性。

  恒星的熱輻射同時也會加熱這些碎片內部,使得它們體內的可揮發性氣體消耗殆盡。因此,它們的光譜性質具有小行星的特征,并失去了明顯的彗星活動表現。

  耶魯大學天文系教授格雷戈里·拉夫林評論稱,這項研究非常巧妙地運用行星系統演化過程的普遍現象解釋了奧陌陌所有的特征,顯示了星際間物質擴散的高效性,為人類理解行星系統的形成和演化提供了關鍵線索。“由于這些星際天體在被甩出前反復經過原行星系統的宜居帶,組成生命的有機物質可能通過這些天體在星際間傳播。這為人類探索生命起源的奧秘提供了新的思路。”

  還有更多的“奧陌陌們”嗎?

  通過分析可能的母體來源及數量分布,研究人員發現,從數千米直徑的彗星到地球大小的行星,都有可能是類奧陌陌星際天體在被潮汐作用撕碎甩出前的母體,所產生的星際天體數量恰好可以解釋奧陌陌的出現概率。

  “類似奧陌陌的星際天體穿越太陽系不應該是一個偶然事件。從概率上估計,每個太陽系周圍的恒星系統平均至少產生百萬億數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生概率。”張韻說。

  由于潮汐力的強度隨著恒星密度的增大而增強,這種潮汐撕裂現象能夠發生在密度較大的矮恒星附近。可對于太陽而言,其密度相對較低,不足以產生這樣的現象,因此太陽系內并未發現類似奧陌陌的小天體。

  奧陌陌國際空間科學研究所共同負責人馬修·奈特評價稱:“在奧陌陌之后,我們不得不徹底改變自身對于星際天體的認知。這項研究提出的星際天體形成機制出色地解釋了關于奧陌陌的所有謎團。我們期待在未來幾年內會發現新的星際天體,看看它們是否具有類似奧陌陌的性質。這將是非常有趣的。如果是這樣,則表明這個機制描述的過程是普遍的。”

  奈特的愿望也許在不遠的將來就能實現。隨著中國和國際上各個巡天望遠鏡的建設和投入使用,未來將會在太陽系內發現更多的星際天體。到那時,人類將會更深入地了解這些天體的性質,對星際天體的數量也會有更精確的評估。

  相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41550-020-1065-8

  (原載于《中國科學報》 2020-04-15 第1版 要聞)
打印 責任編輯:侯茜

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