張韻和林潮通過數(shù)值模擬得到的奧陌陌。 （國家天文臺(tái) 張韻/圖）
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(gè)此前從未被記錄在冊的小天體。經(jīng)過此后一個(gè)多月的觀測，天文學(xué)家最終根據(jù)這個(gè)小天體前所未有的軌道確認(rèn)它來自太陽系之外。這個(gè)天體成為有史以來天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)來自太陽系外的天體。
天文學(xué)家通常會(huì)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(gè)小天體卻令他們感到困惑。他們發(fā)現(xiàn)，這個(gè)天體沒有彗星靠近太陽時(shí)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(gè)小天體不是一顆彗星。因?yàn)檫@個(gè)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(gè)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(yuǎn)大于太陽系內(nèi)已知小天體的長短軸比例，同時(shí)它在運(yùn)動(dòng)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(fù)責(zé)為新發(fā)現(xiàn)的天體命名的國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)（IAU）創(chuàng)造了一個(gè)不同于彗星（C）和小行星（A）的新類別——星際天體（I）——來給這個(gè)天體命名。這個(gè)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(gè)，I代表星際（Interstellar）。作為這個(gè)天體的發(fā)現(xiàn)者，夏威夷哈雷阿卡拉天文臺(tái)的天文學(xué)家用當(dāng)?shù)卣Z言中的’Oumuamua命名它，這個(gè)詞在當(dāng)?shù)卣Z言中的意思是“第一位來自遠(yuǎn)方的使者”。全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)天文學(xué)名詞審定委員會(huì)隨后確認(rèn)這個(gè)天體的中文名稱為“奧陌陌”。
未解的謎團(tuán)
奧陌陌是天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)星際天體，因此他們對奧陌陌的到來實(shí)際上準(zhǔn)備不足。當(dāng)他們發(fā)現(xiàn)的時(shí)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(yuǎn)鏡的視野中，天文學(xué)家希望用斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡在紅外波段進(jìn)行追蹤的努力也以失敗而告終。根據(jù)計(jì)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(tuán)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(gè)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(jī)會(huì)對星際天體的形成和演化機(jī)制進(jìn)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(gè)星際天體，后來這個(gè)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(jìn)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(jìn)行了長達(dá)幾個(gè)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(diǎn)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(gè)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(tái)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(rèn)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(jìn)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(tái)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(jì)算機(jī)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(xì)長型碎片，同時(shí)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(gè)理論也能給出解釋。他們認(rèn)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(yuǎn)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(shí)表示：“類似奧陌陌的星際天體穿越太陽系不應(yīng)該是一個(gè)偶然事件，從概率上估計(jì)，每個(gè)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。”林潮也認(rèn)為，奧陌陌只是冰山一角，天文學(xué)家在未來將有機(jī)會(huì)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(rèn)為這項(xiàng)研究非常巧妙地運(yùn)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(kuò)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(tuán)隊(duì)共同負(fù)責(zé)人馬修·奈特（Matthew Knight）也認(rèn)為這項(xiàng)出色的研究“用一個(gè)單獨(dú)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(shí)隔一個(gè)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(dá)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(bào)》（Astrophysical Journal Letters）上。在他們看來，奧陌陌其實(shí)就是一個(gè)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(jìn)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(dá)數(shù)萬個(gè)太陽的質(zhì)量，跨度達(dá)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?yàn)闅湟跇O低的溫度下才能結(jié)成氫冰，這個(gè)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(shí)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(shí)間可以形成奧陌陌這個(gè)尺寸的天體。
拉夫林和塞利格曼認(rèn)為這個(gè)理論可以解釋奧陌陌的加速行為以及它奇怪的細(xì)長條狀。他們的計(jì)算表明，奧陌陌的形成時(shí)間不超過1億年，在靠近太陽的過程中因?yàn)槭軣崮p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(rèn)為是生命演化必需物質(zhì)的有機(jī)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(gè)直接了解星際分子云內(nèi)部情況的機(jī)會(huì)。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(jìn)行準(zhǔn)確的探測；同時(shí)，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(gè)階段提供了關(guān)鍵的新線索。”
到目前為止，圍繞在奧陌陌身上的謎團(tuán)尚未完全解開。而且，奧陌陌已經(jīng)永遠(yuǎn)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(jìn)行驗(yàn)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(jìn)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(jī)會(huì)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(jìn)行驗(yàn)證。例如，歐洲航天局正在開發(fā)彗星攔截器（Comet Interceptor），這臺(tái)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(jìn)行訪問并收集數(shù)據(jù)。同時(shí)，正在智利建設(shè)的薇拉·魯賓天文臺(tái)（Vera Rubin Observatory）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(gè)奧陌陌的到來。
南方周末特約撰稿 鞠強(qiáng)
