科學好故事 | 神秘的太陽系深空訪客

2021年07月23日09:54

  來源:BBC

  作者:Zaria Gorvett

  翻譯:任天

  幾十年來,天文學家一直在尋找太陽系里的系外天體,然後,兩個這樣的天體似乎同時就出現在他們眼前。2017年10月,美國夏威夷哈雷阿卡拉天文台的望遠鏡上出現了一個小小的亮點。研究人員發現,這個天體來自織女星(一顆距離地球約237萬億公里的恒星)方向,其軌道十分奇特,並且正以每小時90000公里的速度在太空中翻滾。它的形狀可能像一根拉長的雪茄,也可能是一個像宇宙飛船一樣的圓盤。當天文學家發現它的時候,它剛剛疾速掠過太陽,進行了一次順滑的髮夾彎道飛行,然後朝另一個方向飛馳而去。

奧陌陌是已知第一個經過太陽系的星際天體,最初被認為是彗星,但長時間觀測研究後發現不具有彗髮結構,但它也不是小行星
奧陌陌是已知第一個經過太陽系的星際天體,最初被認為是彗星,但長時間觀測研究後發現不具有彗髮結構,但它也不是小行星

  這一神秘天體被命名為“奧陌陌”(Oumuamua,發音為oh-moo-uh-moo-uh-uh),在夏威夷語中的意思是“第一位來自遠方的使者”。夏威夷大學的天文學家羅伯特·沃利克是率先探測到了這個天體,並從它的速度得知,這在物理學上是一個全新的事物。這不是普通的彗星或小行星,而是來自遙遠的未知恒星系的星際訪客。毫無疑問,這是一次歷史性的發現,人類首次在太陽系內發現了系外天體。

奧陌陌的亮度被發現是定期波動的,表明它在運行時可能在不斷翻滾,其形狀可能是高度拉長或盤狀
奧陌陌的亮度被發現是定期波動的,表明它在運行時可能在不斷翻滾,其形狀可能是高度拉長或盤狀

  對於一個起源於太陽系以外的天體而言,奧陌陌是相當奇怪的。科學家的關注點主要有兩個。首先是它遠離太陽的加速度,這很難與關於其組成成分的許多觀點相吻合。其次是它奇特的形狀,據估計,它的長度是寬度的10倍。在奧陌陌之前,已知最細長的太空物體的長度只有其寬度的3倍。

奧陌陌的長度只有400米至800米,只有在靠近太陽時才能被觀測到
奧陌陌的長度只有400米至800米,只有在靠近太陽時才能被觀測到

  在隨後的幾年里,無論是學術期刊還是新聞媒體,都對奧陌陌的真實“身份”進行了各種猜測。它是否可能是一塊固態氫?抑或是一大塊宇宙“積塵”?還是像哈佛天文學家阿維·勒布所推測的,它是一個由外星智慧文明建造的人工建築?

  意外的訪客

  幾十年來,科學家們一直懷疑,某些不受恒星引力約束的“星際旅行者”可能會定期造訪我們的太陽系,其中不少天體甚至很可能已經在恒星之間漫遊了數十億年。然而,儘管天文學家每天晚上都通過數以百計的專業儀器掃瞄天空,但無論是南極被白雪覆蓋的望遠鏡,還是智利安第斯山脈被太陽炙烤的阿塔卡馬大型毫米波陣列,都從未發現這樣的天體。

  奧陌陌出現後不久,意想不到的事情發生了:天文學家又發現了一個類似的星際訪客。

  2019年8月30日,工程師兼業餘天文學家根納季·鮑里索夫在克里米亞瑙奇尼的個人天文台,使用他自己製作的望遠鏡觀察到,有一個物體正在黎明前的天空中移動。在第一眼看到這個天體時,他就意識到了它的特別之處:它的移動方向與存在於太陽系主要小行星帶的彗星完全不同。

  該彗星的正式名稱為“2I/鮑里索夫”(2I/Borisov),通常稱為鮑里索夫彗星。天文學家懷疑它是一顆“流浪彗星”,即不圍繞恒星運轉的彗星。那麼,這些星際訪客從何而來?它們能否提供關於其他恒星系的信息?我們多久才能見到它們一次?

  要找到這些問題的答案,首先要瞭解它們都是由什麼構成的。

  彗星?小行星?還是……

  奧陌陌還沒有被明確歸類為彗星或小行星——它完全可能是其他的東西——但科學家通常認為大多數星際天體屬於前者,這是講得通的,因為目前存在於在太陽系最深處的一些彗星在被太陽引力捕獲之前,很可能就是星際彗星。

  然而,大多數彗星都具有彗尾。在接近太陽時,由冰物質組成的彗核會被加熱,釋放出內部的凍結氣體和塵埃,形成我們看到的彗發和彗尾。你或許已經猜到了,奧陌陌沒有彗尾。這特別令人困惑,因為它的路徑已經進入了太陽系深處,正朝太陽飛去,只差0.26個天文單位——大約是地球到太陽距離的四分之一。

  隨著數據的補充,越來越多的奇異現象出現了。起初,科學家認為這可能意味著奧陌陌就是一顆岩石小行星,但後來更多的觀察結果卻出乎他們的意料。

  它在遠離太陽的時候具有很不尋常的加速度,這令科學家十分困惑。彗星在與太陽近距離接觸後返回時,加速是很正常的,但這隻是因為它們的彗尾能提供動力——噴射出來的氣體給了它們推力,就像火箭的引擎一樣。

  除了太陽的引力,還有其他東西在把它推開,為瞭解釋這種推力,需要這個物體蒸發大約十分之一的質量。

  一種推測是,奧陌陌可能是一座“氫冰山”,即一個巨大的冰凍氫塊,可以形成一個從地球上看不見的彗尾。

  然而,並不是所有人都認同這一觀點。首先,還沒有人在太空中看到過“氫冰塊”,氫冰塊不可能保持足夠長時間的低溫,以形成一個像奧陌陌這麼大的物體。考慮到氫的冰點(零下259攝氏度)僅略高於宇宙的環境溫度,它似乎不太可能在星際空間飛行幾億年後還能保存下來。正如一位研究者所言,它在“被星光烤熟”後就會分崩離析。

  考慮到這些令人困惑的問題,認為奧陌陌是外星智慧文明產物的觀點看起來似乎變得更加可信。致力於搜尋地外智慧生物的SETI協會對此就很感興趣,該組織的科學家將望遠鏡指向了奧陌陌,試圖接收任何可能的無線電信號。

  如果以外星智慧產物來解釋的話,奧陌陌從太陽接收到的推力或許就是太陽光在其表面的反射造成的——就像風推動船帆一樣;這也意味著,奧陌陌的表面應該薄而平坦,而且具有很高的反射性。對於體積如此之小的天體而言,奧陌陌的亮度確實很高,但當然,大自然不會造帆,所有有觀點提出它可能是人工起源的。

和勘測者3號探測器一樣,勘測者2號本來也打算登陸月球,而發射該探測器的宇宙神-半人馬運載火箭在成功發射至太空之後,很快就與地面失去了聯繫,其助推器在太空中漂浮了幾十年
和勘測者3號探測器一樣,勘測者2號本來也打算登陸月球,而發射該探測器的宇宙神-半人馬運載火箭在成功發射至太空之後,很快就與地面失去了聯繫,其助推器在太空中漂浮了幾十年

  另一個物體“2020-SO”在2020年9月從太陽那裡獲得了同樣神秘的加速度。該物體最初也是由發現奧陌陌的同一台望遠鏡發現的,後來證實,它其實是1966年發射“勘測者2號”(Surveyor II)航天器的火箭助推器。勘測者2號探測器是為了確定月球的地形能夠讓阿波羅飛船在月球進行軟著陸而發射的,後來在登陸時失去控制,最終在月球表面撞毀。而發射該探測器的宇宙神-半人馬運載火箭在成功發射至太空之後,很快就與地面失去了聯繫,其助推器在太空中漂浮了幾十年。正如前面提到的外星“光帆”,2020-SO也具有一個平坦的高反射性表面,可以接收光線並推動自身前進。

  最終,SETI協會沒有發現任何外星智慧生命的跡象,不過這並不能排除奧陌陌屬於一個早已死亡的宇宙文明的可能性。

  最終,今年早些時候,研究人員提出了一個理論,似乎可以解釋奧陌陌的怪異特性,而不需要歸因於任何外星技術。他們從排除法開始。例如,如果奧陌陌釋放出任何氣體的話,這些氣體中不可能包括一氧化碳、水或二氧化碳,因為天文學家會觀察到這些它們。

冥王星的史波尼克高原冰川主要由氮冰構成,其中包含了數千個小坑,可能是水冰昇華形成的
冥王星的史波尼克高原冰川主要由氮冰構成,其中包含了數千個小坑,可能是水冰昇華形成的

  這些氣體必須是以往沒有人考慮過的東西;它也不可能是氫,因為宇宙的溫度太高了,氮冰可能提供了奧陌陌所需要的推力——而且在冥王星上之前觀察到了這種情況。為了證實這一理論,研究人員計算了奧陌陌表面的光亮程度,並將其與氮冰的反射率進行了比較,發現兩者差不多是吻合的。

  研究小組得出結論,奧陌陌很可能是一塊氮冰,是從一顆圍繞年輕恒星的類冥王星系外行星表面剝落下來的。根據太陽系柯伊伯帶附近的數千顆類似天體的演化歷史,他們推測這塊氮冰的脫落時間可能是在5億年前。

  最終,海王星穿過了這一區域並噴射出大量物質,這一切發生在太陽系很早期的時候,奧陌陌可能從那時起就一直在寒冷、空曠的深空中旅行。

  雖然奧陌陌在許多年前就已經到達了太陽系的最邊緣,但它要經過很長一段時間才能到達最初被發現時所處的太陽系中心地帶,並在靠近的過程中逐漸消耗質量。這解釋了它不尋常的形狀,以及一下子劇烈加速的原因,因為蒸發的氮冰會形成一個看不見的彗尾,推動它疾速飛行。地球大氣層主要成分是氮,而且是透明的,氮氣很難探測到。

  同樣,並不是所有人都接受這個理論。

  首先,有人懷疑奧陌陌起源的類冥王星行星是否有足夠大的表面積,使得我們能發現其一部分碎片在統計學上是可信的。研究團隊計算得出,銀河系中的恒星需要有自身100倍的質量,才能讓我們看到一座脫落的“氮冰山”。冥王星的表層只有其體積的百分之幾,所以這根本說不通。

奧陌陌和“2020-SO”都是夏威夷的泛星計劃望遠鏡發現的,該望遠鏡已經發現了數千個太空物體
奧陌陌和“2020-SO”都是夏威夷的泛星計劃望遠鏡發現的,該望遠鏡已經發現了數千個太空物體

  但如果這個理論被證明是正確的,奧陌陌或許就能提供一個一窺其他恒星系的罕見機會。目前,我們只能間接地觀測環繞其他恒星運行的行星,包括觀測它們在恒星前面經過時擋住了多少光,或者觀察它們經過恒星附近時引力扭曲光的方式。之所以不能直接觀察這些行星,主要是因為它們與地球的距離實在太過遙遠。以我們目前的技術,要穿越4.2光年到達最近的恒星比鄰星,需要數千年的時間。如果像旅行者號——目前正在探索太陽系外的深空——這樣的航天器現在離開地球,將在75100年後才能到達那裡。

  在我們的有生之年,到達另一顆太陽系外行星是不可能的,但大自然可以讓這些行星的一部分來到我們附近,讓我們得以近距離觀察。

  奧陌陌在進入太陽系時的體積仍然相當大,這一事實表明,它仍然是其母行星的原始碎片,在冰冷的太空真空中保存了5億年。在這段時間里,它很可能從未與其他恒星近距離接觸過,直到偶然遇到了太陽。它很可能在不到一光年的距離內穿過數十個恒星系,但如果像靠近太陽這樣靠近過其他恒星,它就不大可能存留下來了。

  特別值得一提的是,奧陌陌是一座氮冰山的可能性,恰恰表明其他恒星系很可能與我們的太陽系十分相似。

  這告訴我們,在其他行星系統的外部區域,也有像冥王星這樣更大的天體。計算結果甚至表明,這些冰呈淡紅色,類似於在冥王星含甲烷的氮冰川上發現的冰層,它們足夠大,而且足夠熱,可以分離出不同的物質,形成有差別的分層結構。

  在奧陌陌之前,科學家對其他行星系統的外圍情況完全不瞭解,因為那裡的天體太遙遠了,不能在鄰近恒星的映襯下形成足夠明顯的輪廓。我們只知道那些離我們更近的天體,因為它們會更頻繁地經過恒星,並擋住更多的星光。

  甚至氮本身也是新聞。在太陽系中,氮十分常見,但在發現奧陌陌之前,科學家並不確定氮在宇宙其他區域是否也如此常見。

鮑里索夫彗星的一氧化碳含量異常豐富,表明它可能來自於一顆較冷的恒星附近,或者其他具有不同化學成分的恒星系
鮑里索夫彗星的一氧化碳含量異常豐富,表明它可能來自於一顆較冷的恒星附近,或者其他具有不同化學成分的恒星系

  相對“無聊”的彗星

  幸運的是,對鮑里索夫彗星的研究要比奧陌陌容易得多。它被認為是迄今為止發現的第一顆星際彗星。和那些徘徊在太陽系外邊緣的物體一樣,鮑里索夫彗星被認為是由水、灰塵和一氧化碳等組成的混合物。它有一條可見的彗尾,這或多或少符合科學家的預期。可以說,鮑里索夫彗星讓奧陌陌看起來更奇怪了。

  鮑里索夫彗星被認為是從一個以紅矮星為中心的古老恒星系中脫離出來的。紅矮星是銀河系恒星中最昏暗和最豐富的類型。根據鮑里索夫彗星的速度和軌道,一個國際研究小組初步計算出它可能起源於“羅斯573”(Ross 573,現在是一顆白矮星)的周圍。他們認為,大約在91萬年前,這顆彗星附近的三個大天體發生了劇烈碰撞,將其拋入太空,此時鮑里索夫彗星距離羅斯573約0.22光年(2萬億公里)。

  然而,我們不知道鮑里索夫彗星來自哪個特定的恒星系統,它已經旅行了太長時間,無法追溯到一個單獨的系統,但由於鮑里索夫彗星看起來更像一顆太陽系彗星,我們預計它來自其母系統內的彗星雲,無論該系統位於哪裡。

受到2014年在一顆超新星中發現的塵埃雲的啟發,一些科學家提出奧陌陌可能是一個巨大的“塵埃團”
受到2014年在一顆超新星中發現的塵埃雲的啟發,一些科學家提出奧陌陌可能是一個巨大的“塵埃團”

  “不可能”的計算結果

  在一些專家思考奧陌陌和鮑里索夫彗星為何如此不同的同時,另一些研究者則在思考到底有多少類似它們的天體。

  太陽系中會有規律地噴射出彗星,同樣的過程也會發生在銀河系的其他地方,這是合乎邏輯的假設——但也完全是假設。

  即使在奧陌陌被發現之後,它的到訪依然像其本身一樣令人困惑。在我們的一生中,這樣的事情很可能只會發生一次。同樣地,太陽系中可能充滿了來自更遙遠星系的碎片,它們是如此黯淡,只有當它們的軌道路徑恰好經過太陽附近時才會顯現出來。

  現在,科學家們已經發現了兩個星際天體,他們的預感或多或少得到了證實。但是,準確估計這些天體有多常見——以及我們預期能看到它們的頻率——仍然極為棘手。

  早在任何星際天體被發現之前,研究人員事就在2009年進行了一次初步計算,以瞭解找到一個單獨天體的可能性。他們的估計基於銀河系中恒星的密度,以及每個恒星向更廣闊宇宙所噴射物質的可能數量,然後將其與地球上最強大望遠鏡的靈敏度進行比較。最終,他們得出的結論是,在望遠鏡的整個運行生涯中,找到這樣一個天體的概率“非常小”——在千分之一到十萬分之一之間。像奧陌陌這樣的星際天體可能是非常罕見的,科學家幾乎不應該看到它。

  然而,科學家還是發現了它。基於對奧陌陌的成功探測,一個研究團隊計算出,在每個以地球到太陽的距離為邊的三維空間單位中,在任何給定的時間,我們都有機會在其中發現大約5個大小相似的宇宙物體。

  這表明星系中星際物質的密度要比以前認為的高得多。同時這也暗示著,這些天體並不是在行星形成期間的年輕恒星系中單獨產生的,而是在恒星的整個生命週期中都會出現——否則它們不會那麼常見。

  與此同時,在發現鮑里索夫彗星之後進行的最新研究表明,太陽系中任何時候都存在大約50個寬度至少50米的星際天體。這一點很重要,因為不是所有的星際天體都像奧陌陌和鮑里索夫彗星一樣無害。現在認為,導致恐龍滅絕的小行星是一個來自於太陽系內部的天體,但星際小行星和星際彗星的破壞力可能更大,因為它們的運行速度明顯快於那些繞太陽運行的小行星和彗星。

正在智利建造的大型綜合巡天望遠鏡(LSST)將是地球上最強大的望遠鏡,使用三個鏡片,其中主鏡直徑8.4米,第一副鏡和第二副鏡的口徑分別是3.4米和5.0米
正在智利建造的大型綜合巡天望遠鏡(LSST)將是地球上最強大的望遠鏡,使用三個鏡片,其中主鏡直徑8.4米,第一副鏡和第二副鏡的口徑分別是3.4米和5.0米

  搜索更多的深空訪客

  隨著技術的發展和新設備的應用,研究人員有望逐步揭開有關星際天體的諸多謎題。在智利,一座正在建設中的新天文台將為我們提供強大的探測能力,以搜尋這些天體的微弱光芒。

  薇拉·魯賓天文台以著名女性天文學家薇拉·魯賓命名,位於智利北部科金博大區的帕穹山山頂,海拔2682米。該天文台預計將於2022年或2023年投入使用,其大型綜合巡天望遠鏡(LSST)具有8.4米主鏡,並擁有迄今為止為天文學領域建造的最大的數碼相機。它將對夜空進行夜間觀測,搜尋直徑至少140米——大約是奧陌陌的三分之二,鮑里索夫彗星的七分之一——的近地天體。

  許多天文學家樂觀地認為,薇拉·魯賓天文台將會找到下一個星際天體,以及太陽系中神秘的假想行星——第九行星。我們需要看到更多像奧陌陌這樣的天體,然後就可以分析相關的統計數據,最終對這些天體的實際數量有正確的估計。

  當下一個星際天體進入太陽系時,希望薇拉·魯賓天文台的望遠鏡能夠將其識別出來,並儘可能早地發出警告,以便我們有時間發射航天器加以攔截,並進行更近距離的觀察。2016年9月發射的Osiris-Rex(又稱為歐里西斯號)任務已經成功到達了被稱為“貝努”的小行星101955,距離地球超過3.21億公里。目前該探測器正在返回途中,預計2023年將帶著圖片和樣本回到地球。

  這將告訴我們它是人工製造的,還是自然形成的,當然,如果它看起來是人造的話,那將會非常有趣。我們可以在上面著陸,也許還可以讀到‘X星球製造’的標籤。

  不過,無論發生什麼,希望科學界能保持開放的心態,特別是如果第三次發現的星際天體仍與奧陌陌一樣神秘的話。如果我們發現了以前從未見過的東西,讓我們收集更多的數據,弄清楚它的本質,因為這樣我們就會對製造這些物品的場所或工廠有新的瞭解。(任天)

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