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 首个星际天体起源之谜新解——奥陌陌 
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註冊時間: 週三 8月 31, 2011 7:40 pm
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文章 首个星际天体起源之谜新解——奥陌陌
首个星际天体起源之谜新解
作者:南方周末特约撰稿 鞠强
责任编辑:朱力远 网络编辑:阿柴

奥陌陌是天文学家发现的第一个来自太阳系之外的天体,最新研究认为,奥陌陌可能是被原行星系统中恒星的潮汐作用撕碎并甩出的碎片,也有研究认为它其实就是一座巨大的氢分子冰山。

(本文首发于2020年7月16日《南方周末》)

2017年10月19日晚,美国夏威夷大学的天文学家罗伯特·威里克(Robert Weryk)发现了一个此前从未被记录在册的小天体。经过此后一个多月的观测,天文学家最终根据这个小天体前所未有的轨道确认它来自太阳系之外。这个天体成为有史以来天文学家发现的第一个来自太阳系外的天体。

天文学家通常会将新发现的小天体归类到彗星或者小行星中,但是这个小天体却令他们感到困惑。他们发现,这个天体没有彗星靠近太阳时的典型特征,即没有发现它向外喷射气体和尘埃的迹象,因此初步推断这个小天体不是一颗彗星。因为这个天体太小太暗,天文学家很难直接确定它的外形和尺寸。他们根据天体的光度变化推测这个天体有着类似雪茄的奇特外形,长度约100米,长短轴比例为6∶1-10∶1,远大于太阳系内已知小天体的长短轴比例,同时它在运动过程中伴随着快速旋转,自转轴也不固定,天文学家还没有在太阳系中发现类似形状的小天体。

此后,负责为新发现的天体命名的国际天文学联合会(IAU)创造了一个不同于彗星(C)和小行星(A)的新类别——星际天体(I)——来给这个天体命名。这个系外来客的正式科学名称是“1I/2017 U1”,其中1I中的1代表这类天体中的第一个,I代表星际(Interstellar)。作为这个天体的发现者,夏威夷哈雷阿卡拉天文台的天文学家用当地语言中的’Oumuamua命名它,这个词在当地语言中的意思是“第一位来自远方的使者”。全国科学技术名词审定委员会天文学名词审定委员会随后确认这个天体的中文名称为“奥陌陌”。

未解的谜团

奥陌陌是天文学家发现的第一个星际天体,因此他们对奥陌陌的到来实际上准备不足。当他们发现的时候,奥陌陌已经在飞离我们的路上。很快,又小又暗的奥陌陌就消失在光学望远镜的视野中,天文学家希望用斯皮策太空望远镜在红外波段进行追踪的努力也以失败而告终。根据计算,奥陌陌现在已经飞出土星的轨道,并将在大约1万年之后飞出太阳系。

奥陌陌已经消失在深空中,但是笼罩在它身上的谜团却引发天文学家持续的研究。虽然天文学家没有观察到奥陌陌如彗星一样喷射气体和尘埃的迹象,但是观测显示奥陌陌在离开太阳系的过程中处于加速状态,同它谜一般的外形一样,这个加速度的来源也有待破解。
发现奥陌陌后,天文学家第一次有机会对星际天体的形成和演化机制进行直接的研究。2019年8月,业余天文学家根纳季·鲍里索夫(Gennady Borisov)发现了第二个星际天体,后来这个天体以他的名字命名为2I/Borisov彗星。不过与奥陌陌相比,在这颗彗星进入太阳系的途中,天文学家就已经发现了它并对它进行了长达几个月的观测。观测结果显示,2I/Borisov彗星虽然来自太阳系外,但是与太阳系内的其他彗星相比没有什么特别的不同。这样一来,研究星际天体的天文学家仍然把重点放在奥陌陌身上。

奥陌陌消失之后,各种解释层出不穷,其中包括哈佛大学天文学系主任阿维·莱博(Avi Leob)等人提出的耸人听闻的“光帆飞船说”。系外智慧生命飞船这种说法暂且不论,其他的解释也没有哪个得到广泛的接受。因此,天文学界对奥陌陌起源和演化的争论一直没有停止。

撕碎的碎片

2020年4月13日,中国科学院国家天文台博士张韵和清华大学高等研究院访问教授林潮在《自然·天文》(Nature Astronomy)上发表论文,给出了他们的解释。他们认为,新模型表明奥陌陌可能是被原行星系统中恒星的潮汐作用撕碎并甩出的碎片,他们进行的数值模拟的结果全面系统地复现了奥陌陌的特征。

张韵在国家天文台官网上简要介绍了研究的主要思路和结论。他们使用超级计算机对天体近距离飞越恒星过程中的结构和热力学演化展开高分辨率的数值模拟,发现恒星的潮汐力可以将天体撕碎成许多细长型碎片,同时潮汐作用可使部分碎片的速度增大至超过恒星的逃逸速度,使它们成为星际天体。这些碎片具有翻滚旋转的特征,长短轴的比例大多数高于5∶1,有些甚至能够高于10∶1,这也符合奥陌陌的观测特征,可以解释奥陌陌奇特的外形。

对于奥陌陌加速度的来源,这个理论也能给出解释。他们认为虽然恒星的热辐射使得奥陌陌内部的一氧化碳等可挥发性气体消耗殆尽,但是一些升华温度较高的可挥发性物质(如水冰等)能够在地下数十厘米处保存完好。在奥陌陌远离太阳的过程中,这些剩余的水冰可被太阳的热辐射激活喷发,提供观测到的奥陌陌的加速度。

张韵同时表示:“类似奥陌陌的星际天体穿越太阳系不应该是一个偶然事件,从概率上估计,每个太阳系周围的恒星系统平均至少可以产生百万亿数量级的类似星际天体,才能够解释奥陌陌闯入太阳系事件的发生概率。”林潮也认为,奥陌陌只是冰山一角,天文学家在未来将有机会观测到大量的同类天体。

耶鲁大学天文学教授格雷戈里·拉夫林(Gregory Laughlin)认为这项研究非常巧妙地运用行星系统演化过程的普遍现象解释了奥陌陌的特征,显示了星际间物质扩散的高效性,为人类理解行星系统的形成和演化提供了关键线索。奥陌陌国际空间科学研究团队共同负责人马修·奈特(Matthew Knight)也认为这项出色的研究“用一个单独的模型就得以解释奥陌陌一系列与众不同的特性”,令人印象深刻。

氢分子冰山

时隔一个多月,拉夫林和他在耶鲁大学的学生、目前在芝加哥大学担任博士后研究员的达瑞尔·塞利格曼(Darryl Seligman)在预印本网站arXiv上发布了一篇论文,给出了另一种不同的解释。他们的论文正式发表在《天体物理杂志快报》(Astrophysical Journal Letters)上。在他们看来,奥陌陌其实就是一个巨大的氢分子冰山。

在这篇论文中,他们通过重建奥陌陌的轨迹以及它在飞行过程中的受力情况发现,水冰被阳光加热后喷射到太空中产生的推力太小,不足以解释奥陌陌的加速,而其他类型的冰则可能产生足以解释加速现象的喷射,其中最有效的就是氢。这就需要奥陌陌中的氢此前也是以固体的形式存在。

二人进而提出,像奥陌陌这样的氢冰块最初诞生在星际分子云内部。这些由气体和尘埃组成的分子云的质量可达数万个太阳的质量,跨度达到数百光年。氢是宇宙中最常见的元素,但是氢极少以固体的形式存在,因为氢要在极低的温度下才能结成氢冰,这个温度大约为6K,也就是大约-267℃。而在这些黑暗的分子云的中心,尚没有恒星形成,可以免受恒星发出的辐射的影响,因此温度可以冷却到仅比绝对零度高出几度,这样的低温足以使氢结冰。同时这些结冰的粒子附着在星际尘埃的小颗粒上,经过数千年的时间可以形成奥陌陌这个尺寸的天体。

拉夫林和塞利格曼认为这个理论可以解释奥陌陌的加速行为以及它奇怪的细长条状。他们的计算表明,奥陌陌的形成时间不超过1亿年,在靠近太阳的过程中因为受热磨损而变成现在的形状,这就像是一块肥皂经过多次使用之后变成长条状一样。
天文学家对星际分子云充满兴趣。星际分子云内部存在原恒星核,是孕育恒星的场所。但由于被厚厚的星际气体和尘埃所包裹,天文学家无法使用光学手段探测内部区域。不过,射电天文学家已经在分子云内部探测到被认为是生命演化必需物质的有机分子,包括甲醇和乙醛。因此,研究星际分子云对我们理解生命的起源和演化有着重要的意义。

如果他们的解释正确,奥陌陌这样的天体就为天文学家提供了一个直接了解星际分子云内部情况的机会。拉夫林在耶鲁大学官网上表示:“这些由氢组成的冰山状天体的存在,使我们能够对形成恒星的气体云的内部条件进行准确的探测;同时,天文学家对恒星和与之相伴的行星的诞生过程的早期阶段仍然不甚了解,这些氢分子冰山为他们理解这个阶段提供了关键的新线索。”

到目前为止,围绕在奥陌陌身上的谜团尚未完全解开。而且,奥陌陌已经永远消失在我们的视线里,天文学家提出的种种理论都无法在它身上进行验证。奥陌陌之后,除去行为符合预期的2I/Borisov彗星外,天文学家尚未发现新的星际天体,也就无法进行有针对性的观测。所以,天文学家目前能做的更多是基于现有数据的模拟和猜测。

不过,随着下一代探测设备的建设和投入使用,他们将有机会发现更多的星际天体,从而加深对这类天体的性质的理解,并且对现有的理论进行验证。例如,欧洲航天局正在开发彗星拦截器(Comet Interceptor),这台设备将被放置在地球附近的太空中,未来如果有星际天体飞越太阳的话,它就可以对这些天体进行访问并收集数据。同时,正在智利建设的薇拉·鲁宾天文台(Vera Rubin Observatory)将于2022年正式投入使用,它将有能力探测到极暗的天体,帮助天文学家寻找隐匿在深空中的系外来客。因此,我们也许不用等待太久,就可以见证下一个奥陌陌的到来。


週六 8月 01, 2020 5:30 pm
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