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「太阳系」神秘的星际访客

「太阳系」神秘的星际访客
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近距飞越恒星潮汐撕裂过程 。 张韵/国家天文台
「太阳系」神秘的星际访客
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迄今银河系中自转最快恒星 ， 红五星是该星 ， 黄色圆是太阳 。 国家天文台供图
「太阳系」神秘的星际访客
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数值模拟得到的奥陌陌 。 张韵/国家天文台
如果你是因为外星人或外星文明 ， 而对天文产生了兴趣 ， 那么 ， 这个叫“奥陌陌”的小家伙 ， 或许能在一定程度上满足你对天文探索的诸多想象 。
奥陌陌是一个闯入太阳系的天体 ， 也是人类在太阳系探测到的第一个系外造访的星际天体 。 不过 ， 它究竟是什么 ， 是一艘外星飞船 ， 一颗来自外星系的彗星 ， 还是一颗小行星？这个问题曾经难倒全球无数天文学家 。
最近 ， 天文学家交出了最新答卷：这位星际访客 ， 很可能是一个行星天体的碎块 。 给出这一结论的是中国科学院国家天文台博士后张韵与美国加州大学圣克鲁兹分校教授林潮 ， 他们把研究结果发表在国际学术期刊《自然-天文》上 ， 其中提到他们通过数值模拟 ， 第一次全面系统地复现了奥陌陌的所有特征 。
有关奥陌陌的身世之谜 ， 就此完全揭开了吗？
“看不见”的客人
在破解这个天文问题的过程中 ， 天文学家像侦探破案一样 ， 一边给出猜测 ， 一边进行验证 。 而破案的第一步 ， 则是锁定嫌疑人 。
2017年10月 ， 这个长约100米、长短轴比例为6∶1到10∶1的小天体 ， 以每秒25.5公里的速度第一次闯入太阳系 ， 随后一度达到44公里/秒 。
这个速度引起了天文学家的注意 。 更让人惊讶的是 ， 这位星际访客的运动轨迹沿双曲线运行 ， 而这 ， 明显不同于普通太阳系的小行星或彗星 。 天文学家初步判断 ， 这个家伙来自太阳系之外 。
从绝对大小来看 ， 这个“不速之客”并不大 ， 但相对而言 ， 它已经远远大于太阳系内那些小天体的长短轴比例 ， 具有极其特殊的狭长外形 。 也因此 ， 有人用雪茄状来形容它的样子 。
那一年 ， 国际天文学界给它取了名字 ， 叫“奥陌陌” ， 意思是“远方的信使” 。 作为人类发现的第一个星际天体 ， 奥陌陌的到来 ， 引起了全球广泛关注 。
它到底是谁？
彗星？这是其中一种猜测 。 张韵说 ， 在奥陌陌之前 ， 现有的行星系统理论认为 ， 彗星更容易被其原有行星系统“甩出” 。 从人类过往的观测经验来看 ， 由于彗星比同尺寸的小行星更为明亮 ， 可观测到的星际天体 ， 大多也是彗星 。
要把猜测转化成结论 ， 天文学家需要做的是：验证 。
【「太阳系」神秘的星际访客】全球不少天文学家都行动了起来 ， 他们希望利用观测的手段 ， 来验证奥陌陌属于彗星这一猜想 。
然而 ， 即便调用了几乎所有的天文望远镜 ， 天文学家仍未发现这位星际访客身上有任何彗星的影子——从中并不能找到向外喷射气体和尘埃的迹象 。
于是天文学家有了一个新的推测：奥陌陌 ， 有没有可能是一颗小行星 。
但令他们无奈的是 ， 奥陌陌是一个“看不见的客人”——人类仅凭现有的技术 ， 难以捕捉其运动速度和亮度 ， 只能得到一个粗略的光谱 ， 其中并没有物体反射率的详细信息 。
2018年 ， 天文学家派出了人类有史以来最大的太空红外望远镜——斯皮策太空望远镜 ， 试图再次捕捉奥陌陌的身影 。 然而 ， 这个以太阳轨道运行、与奥陌陌飞行路径最近、被寄予厚望的人类探测器 ， 最终却以失败告终 。
“它已飞得太远了 ， 人类任何望远镜都无法探测 。 ”斯皮策望远镜团队科学家这样解释 。
就这样 ， 奥陌陌渐行渐远 ， 在人们还未看清它之前 ， 这位神秘的星际访客 ， 似乎就这样“消失”了 。
诸多未解之谜
天文学家自然不愿意放过这个千载难逢的机会 ， 从某种意义上说 ， 在奥陌陌之前 ， 人类还从未有如此近距离的机会了解太阳系以外的东西 。
在奥陌陌消失两年后 ， 关于它的诸多谜团仍未解开 。 比如 ， 它的运行轨迹——这位访客似乎来去自如 ， 不受太阳系束缚 ， 目前正沿着双曲线轨迹运行 ， 几年后 ， 或许就会穿过太阳系 ， 一去不复返 。
在对奥陌陌轨道数据进行统计研究之后 ， 天文学家发现 ， 只有引入一个相当大的非引力项 ， 才能使其轨迹得到合理解释 。 换言之 ， 这位星际访客之所以可以加速离开太阳系 ， 是受一种非引力的动力影响 。
这再次让天文学家想到了彗星——彗星向外释放气体的行为 ， 能够提供这样的一个非引力加速度 。 然而 ， 这样的解释 ， 又和人们对奥陌陌“不是一颗彗星”的猜测相悖 。
还有一种解释 ， 就是借助太阳光压 ， 奥陌陌有了非引力加速度 ， 不过这也只是对具有超大面积-质量比的物体才有效——这便需要奥陌陌具有超乎寻常的疏松结构 。
“侦破”进程一时间陷入僵局 。 有关奥陌陌的起源和成为星际天体的过程 ， 也令天文学家们十分困惑 ， 甚至还有科学家猜测 ， 奥陌陌或许与外星生物存在某种关联 。
“它 ， 有没有可能是被原来所在的恒星‘甩’出去的？”张韵作了一个大胆的假设 。
根据奥陌陌的光谱性质 ， 天文学家发现 ， 这个访客在它原来所在的行星系统中 ， 曾经受到恒星的强烈热辐射 ， 而这个特征可以通过近距离飞越恒星产生 。 张韵说 ， 如此近距离的接触 ， 可能会让奥陌陌的母体 ， 被恒星的潮汐作用撕裂 ， 并将奥陌陌甩出原系统 。
“正是这个看似最平凡的性质 ， 启发了我们着手研究潮汐撕裂星际天体形成理论 。 ”张韵说 。
就这样 ， 最新一次的“侦破”开始了 。
神秘面纱被揭开
率先登场的是超级计算机 ， 其强大的算力帮助天文学家做了数值模拟 ， 结果发现 ， 恒星的潮汐力 ， 的确会将天体撕碎成许多的细长型碎片 ， 同时 ， 潮汐的作用 ， 还会让一部分碎片的速度增大 ， 以至于超过恒星的逃逸速度 。 换句话说 ， 这些被撕碎的碎片 ， 就会逃离恒星 ， 从而成为一个星际天体 。
相应地 ， 超级计算机也“画出”了这些碎片的样子：其长短轴的比例 ， 大多数高于5∶1 ， 有些甚至高于10∶1 。 这就在某种程度上 ， 解释了奥陌陌极其特殊的狭长外形 。
更为重要的是 ， 数值模拟结果显示 ， 在潮汐撕碎的过程中 ， 这些碎片的表面 ， 将受到恒星炽热灼烤 ， 最终熔化 ， 而当远离恒星时 ， 这些熔化的表面 ， 将会重新凝结 。 这一过程 ， 最终让碎片的整体结构具有很强的黏结力 ， 从而维持其所形成的细长结构的稳定性 。
潮汐撕裂星际天体形成理论 ， 就像是一颗救命稻草 ， 天文学家抓住这个破解密码的钥匙之后 ， 进展异常顺利 。 曾经困扰人类的诸多问题 ， 似乎都一一浮出了水面——
根据数值模拟 ， 恒星的热辐射会加热这些碎片内部 ， 其结果是 ， 这些碎片体内可挥发性的气体将消耗殆尽 。
“正因为这样 ， 这些碎片失去了明显的彗星活动表现 ， 而它们的光谱性质 ， 则具有小行星的特征 。 ”张韵说 。
至于这些星际访客的非引力加速度 ， 也有了一个解释 。
根据热力学分析 ， 一些升华温度较高的可挥发性物质——比如水冰 ， 能够在地下数十厘米的地方保存完好 。 这些水冰 ， 对于奥陌陌的旅行 ， 可是起了大作用 。
张韵说 ， 在奥陌陌的太阳系短途旅行中 ， 这些剩余的水冰 ， 就会被太阳的热辐射激活喷发 ， 从而提供了人类所观测到的非引力加速度 。
至此 ， 奥陌陌的神秘面纱基本被揭开了 ， 如果用一句话来说 ， 这位星际访客很可能就是太阳系之外一个行星天体的碎块——一个被原行星系统中恒星的潮汐作用撕碎并甩出的碎片 。
耶鲁大学天文系教授格雷戈里·拉夫林用“非常巧妙”的字眼来形容这一研究 ， 他认为 ， 该研究运用行星系统演化过程的普遍现象 ， 解释了奥陌陌的所有特征 ， 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 。
还有更多的奥陌陌吗？
一个奥陌陌走了 ， 还会不会有更多的奥陌陌前来？甚至 ， 太阳系在自己内部会不会“甩出”奥陌陌？这些是奥陌陌留给天文学家的新问题 。
张韵的观点是 ， 由于潮汐力的强度随着恒星密度的增大而增强 ， 这种潮汐撕裂现象能够发生在密度较大的矮恒星附近 。 不过对太阳而言 ， 其密度相对较低 ， 不足以产生这样的现象 ， 相应地 ， 人类在太阳系内也并未发现产生过类似奥陌陌的小天体 。
不过 ， 在张韵看来 ， 类似奥陌陌的星际天体穿越太阳系 ， 并非一个偶然事件 。
“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 。 ”张韵说 。
事实上 ， 通过分析可能的母体来源及数量分布 ， 天文学家发现 ， 从数千米直径的彗星 ， 到地球大小的行星 ， 都有可能是类似奥陌陌星际天体在被潮汐作用撕碎甩出前的母体 ， 而这些母体所产生的星际天体数量 ， 恰好可以解释奥陌陌的出现概率 。
“在奥陌陌之后 ， 人们不得不彻底改变自身对于星际天体的认知 。 ”奥陌陌国际空间科学研究所共同负责人马修·奈特认为 ， 这项最新的研究出色地解释了关于奥陌陌的谜团 。
他的一个期待是 ， 未来几年天文学家可以发现新的星际天体 ， 看看它们是否具有类似奥陌陌的性质 。 “这将是非常有趣的 。 如果是这样 ， 那么将表明如今这个机制描述的过程是普遍的 。 ”马修·奈特说 。
张韵也认为 ， 随着中国和国际上各个巡天望远镜的建设和投入使用 ， 未来将会在太阳系内发现更多的星际天体 ， 天文学家也将会更深入了解这些天体的性质 ， 对星际天体的数量有着更精确的评估 。
那时 ， 人类会不会有更多新的发现 ， 尤其是在生命起源、外星生物方面有所突破？
正如雷戈里·拉夫林所说：由于这些星际天体在被甩出去之前 ， 反复经过原行星系统的宜居带 ， 这意味着 ， 那些组成生命的有机物质 ， 很可能会通过这些天体 ， 在星际之间进行传播 。 而这些 ， 将为人类探索生命起源的奥秘提供新的思路 。
责任编辑：梁国胜 堵力
【「太阳系」神秘的星际访客】流程编辑：于璧嘉


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