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神秘的星際訪客

人類在太陽系探測到的第一個系外造訪星際天體奧陌陌

2020-04-21 中國青年報 邱晨輝
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近距飛越恒星潮汐撕裂過程。張韻/國家天文臺

迄今銀河系中自轉最快恒星,紅五星是該星,黃色圓是太陽。國家天文臺供圖

數值模擬得到的奧陌陌。張韻/國家天文臺

  如果你是因為外星人或外星文明,而對天文產生了興趣,那么,這個叫“奧陌陌”的小家伙,或許能在一定程度上滿足你對天文探索的諸多想象。

  奧陌陌是一個闖入太陽系的天體,也是人類在太陽系探測到的第一個系外造訪的星際天體。不過,它究竟是什么,是一艘外星飛船,一顆來自外星系的彗星,還是一顆小行星?這個問題曾經難倒全球無數天文學家。

  最近,天文學家交出了最新答卷:這位星際訪客,很可能是一個行星天體的碎塊。給出這一結論的是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,他們把研究結果發表在國際學術期刊《自然-天文》上,其中提到他們通過數值模擬,第一次全面系統地復現了奧陌陌的所有特征。

  有關奧陌陌的身世之謎,就此完全揭開了嗎?

  “看不見”的客人

  在破解這個天文問題的過程中,天文學家像偵探破案一樣,一邊給出猜測,一邊進行驗證。而破案的第一步,則是鎖定嫌疑人。

  2017年10月,這個長約100米、長短軸比例為6∶1到10∶1的小天體,以每秒25.5公里的速度第一次闖入太陽系,隨后一度達到44公里/秒。

  這個速度引起了天文學家的注意。更讓人驚訝的是,這位星際訪客的運動軌跡沿雙曲線運行,而這,明顯不同于普通太陽系的小行星或彗星。天文學家初步判斷,這個家伙來自太陽系之外。

  從絕對大小來看,這個“不速之客”并不大,但相對而言,它已經遠遠大于太陽系內那些小天體的長短軸比例,具有極其特殊的狹長外形。也因此,有人用雪茄狀來形容它的樣子。

  那一年,國際天文學界給它取了名字,叫“奧陌陌”,意思是“遠方的信使”。作為人類發現的第一個星際天體,奧陌陌的到來,引起了全球廣泛關注。

  它到底是誰?

  彗星?這是其中一種猜測。張韻說,在奧陌陌之前,現有的行星系統理論認為,彗星更容易被其原有行星系統“甩出”。從人類過往的觀測經驗來看,由于彗星比同尺寸的小行星更為明亮,可觀測到的星際天體,大多也是彗星。

  要把猜測轉化成結論,天文學家需要做的是:驗證。

  全球不少天文學家都行動了起來,他們希望利用觀測的手段,來驗證奧陌陌屬于彗星這一猜想。

  然而,即便調用了幾乎所有的天文望遠鏡,天文學家仍未發現這位星際訪客身上有任何彗星的影子——從中并不能找到向外噴射氣體和塵埃的跡象。

  于是天文學家有了一個新的推測:奧陌陌,有沒有可能是一顆小行星。

  但令他們無奈的是,奧陌陌是一個“看不見的客人”——人類僅憑現有的技術,難以捕捉其運動速度和亮度,只能得到一個粗略的光譜,其中并沒有物體反射率的詳細信息。

  2018年,天文學家派出了人類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。然而,這個以太陽軌道運行、與奧陌陌飛行路徑最近、被寄予厚望的人類探測器,最終卻以失敗告終。

  “它已飛得太遠了,人類任何望遠鏡都無法探測。”斯皮策望遠鏡團隊科學家這樣解釋。

  就這樣,奧陌陌漸行漸遠,在人們還未看清它之前,這位神秘的星際訪客,似乎就這樣“消失”了。

  諸多未解之謎

  天文學家自然不愿意放過這個千載難逢的機會,從某種意義上說,在奧陌陌之前,人類還從未有如此近距離的機會了解太陽系以外的東西。

  在奧陌陌消失兩年后,關于它的諸多謎團仍未解開。比如,它的運行軌跡——這位訪客似乎來去自如,不受太陽系束縛,目前正沿著雙曲線軌跡運行,幾年后,或許就會穿過太陽系,一去不復返。

  在對奧陌陌軌道數據進行統計研究之后,天文學家發現,只有引入一個相當大的非引力項,才能使其軌跡得到合理解釋。換言之,這位星際訪客之所以可以加速離開太陽系,是受一種非引力的動力影響。

  這再次讓天文學家想到了彗星——彗星向外釋放氣體的行為,能夠提供這樣的一個非引力加速度。然而,這樣的解釋,又和人們對奧陌陌“不是一顆彗星”的猜測相悖。

  還有一種解釋,就是借助太陽光壓,奧陌陌有了非引力加速度,不過這也只是對具有超大面積-質量比的物體才有效——這便需要奧陌陌具有超乎尋常的疏松結構。

  “偵破”進程一時間陷入僵局。有關奧陌陌的起源和成為星際天體的過程,也令天文學家們十分困惑,甚至還有科學家猜測,奧陌陌或許與外星生物存在某種關聯。

  “它,有沒有可能是被原來所在的恒星‘甩’出去的?”張韻作了一個大膽的假設。

  根據奧陌陌的光譜性質,天文學家發現,這個訪客在它原來所在的行星系統中,曾經受到恒星的強烈熱輻射,而這個特征可以通過近距離飛越恒星產生。張韻說,如此近距離的接觸,可能會讓奧陌陌的母體,被恒星的潮汐作用撕裂,并將奧陌陌甩出原系統。

  “正是這個看似最平凡的性質,啟發了我們著手研究潮汐撕裂星際天體形成理論。”張韻說。

  就這樣,最新一次的“偵破”開始了。

  神秘面紗被揭開

  率先登場的是超級計算機,其強大的算力幫助天文學家做了數值模擬,結果發現,恒星的潮汐力,的確會將天體撕碎成許多的細長型碎片,同時,潮汐的作用,還會讓一部分碎片的速度增大,以至于超過恒星的逃逸速度。換句話說,這些被撕碎的碎片,就會逃離恒星,從而成為一個星際天體。

  相應地,超級計算機也“畫出”了這些碎片的樣子:其長短軸的比例,大多數高于5∶1,有些甚至高于10∶1。這就在某種程度上,解釋了奧陌陌極其特殊的狹長外形。

  更為重要的是,數值模擬結果顯示,在潮汐撕碎的過程中,這些碎片的表面,將受到恒星熾熱灼烤,最終熔化,而當遠離恒星時,這些熔化的表面,將會重新凝結。這一過程,最終讓碎片的整體結構具有很強的黏結力,從而維持其所形成的細長結構的穩定性。

  潮汐撕裂星際天體形成理論,就像是一顆救命稻草,天文學家抓住這個破解密碼的鑰匙之后,進展異常順利。曾經困擾人類的諸多問題,似乎都一一浮出了水面——

  根據數值模擬,恒星的熱輻射會加熱這些碎片內部,其結果是,這些碎片體內可揮發性的氣體將消耗殆盡。

  “正因為這樣,這些碎片失去了明顯的彗星活動表現,而它們的光譜性質,則具有小行星的特征。”張韻說。

  至于這些星際訪客的非引力加速度,也有了一個解釋。

  根據熱力學分析,一些升華溫度較高的可揮發性物質——比如水冰,能夠在地下數十厘米的地方保存完好。這些水冰,對于奧陌陌的旅行,可是起了大作用。

  張韻說,在奧陌陌的太陽系短途旅行中,這些剩余的水冰,就會被太陽的熱輻射激活噴發,從而提供了人類所觀測到的非引力加速度。

  至此,奧陌陌的神秘面紗基本被揭開了,如果用一句話來說,這位星際訪客很可能就是太陽系之外一個行星天體的碎塊——一個被原行星系統中恒星的潮汐作用撕碎并甩出的碎片。

  耶魯大學天文系教授格雷戈里·拉夫林用“非常巧妙”的字眼來形容這一研究,他認為,該研究運用行星系統演化過程的普遍現象,解釋了奧陌陌的所有特征,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。

  還有更多的奧陌陌嗎?

  一個奧陌陌走了,還會不會有更多的奧陌陌前來?甚至,太陽系在自己內部會不會“甩出”奧陌陌?這些是奧陌陌留給天文學家的新問題。

  張韻的觀點是,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。不過對太陽而言,其密度相對較低,不足以產生這樣的現象,相應地,人類在太陽系內也并未發現產生過類似奧陌陌的小天體。

  不過,在張韻看來,類似奧陌陌的星際天體穿越太陽系,并非一個偶然事件。

  “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。

  事實上,通過分析可能的母體來源及數量分布,天文學家發現,從數千米直徑的彗星,到地球大小的行星,都有可能是類似奧陌陌星際天體在被潮汐作用撕碎甩出前的母體,而這些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。

  “在奧陌陌之后,人們不得不徹底改變自身對于星際天體的認知。”奧陌陌國際空間科學研究所共同負責人馬修·奈特認為,這項最新的研究出色地解釋了關于奧陌陌的謎團。

  他的一個期待是,未來幾年天文學家可以發現新的星際天體,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,那么將表明如今這個機制描述的過程是普遍的。”馬修·奈特說。

  張韻也認為,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,天文學家也將會更深入了解這些天體的性質,對星際天體的數量有著更精確的評估。

  那時,人類會不會有更多新的發現,尤其是在生命起源、外星生物方面有所突破?

  正如雷戈里·拉夫林所說:由于這些星際天體在被甩出去之前,反復經過原行星系統的宜居帶,這意味著,那些組成生命的有機物質,很可能會通過這些天體,在星際之間進行傳播。而這些,將為人類探索生命起源的奧秘提供新的思路。

打印 責任編輯:侯茜

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