神秘的太阳系深空访客

2021/7/23 9:59:39 来源:新浪科技 作者:任天 责编:远洋

几十年来,天文学家一直在寻找太阳系里的系外天体,然后,两个这样的天体似乎同时就出现在他们眼前。2017 年 10 月,美国夏威夷哈雷阿卡拉天文台的望远镜上出现了一个小小的亮点。研究人员发现,这个天体来自织女星(一颗距离地球约 237 万亿公里的恒星)方向,其轨道十分奇特,并且正以每小时 90000 公里的速度在太空中翻滚。它的形状可能像一根拉长的雪茄,也可能是一个像宇宙飞船一样的圆盘。当天文学家发现它的时候,它刚刚疾速掠过太阳,进行了一次顺滑的发夹弯道飞行,然后朝另一个方向飞驰而去。

▲ 奥陌陌是已知第一个经过太阳系的星际天体,最初被认为是彗星,但长时间观测研究后发现不具有彗发结构,但它也不是小行星

这一神秘天体被命名为“奥陌陌”(Oumuamua,发音为 oh-moo-uh-moo-uh-uh),在夏威夷语中的意思是“第一位来自远方的使者”。夏威夷大学的天文学家罗伯特・沃利克是率先探测到了这个天体,并从它的速度得知,这在物理学上是一个全新的事物。这不是普通的彗星或小行星,而是来自遥远的未知恒星系的星际访客。毫无疑问,这是一次历史性的发现,人类首次在太阳系内发现了系外天体。

▲ 奥陌陌的亮度被发现是定期波动的,表明它在运行时可能在不断翻滚,其形状可能是高度拉长或盘状

对于一个起源于太阳系以外的天体而言,奥陌陌是相当奇怪的。科学家的关注点主要有两个。首先是它远离太阳的加速度,这很难与关于其组成成分的许多观点相吻合。其次是它奇特的形状,据估计,它的长度是宽度的 10 倍。在奥陌陌之前,已知最细长的太空物体的长度只有其宽度的 3 倍。

▲ 奥陌陌的长度只有 400 米至 800 米,只有在靠近太阳时才能被观测到

在随后的几年里,无论是学术期刊还是新闻媒体,都对奥陌陌的真实“身份”进行了各种猜测。它是否可能是一块固态氢?抑或是一大块宇宙“积尘”?还是像哈佛天文学家阿维・勒布所推测的,它是一个由外星智慧文明建造的人工建筑?

意外的访客

几十年来,科学家们一直怀疑,某些不受恒星引力约束的“星际旅行者”可能会定期造访我们的太阳系,其中不少天体甚至很可能已经在恒星之间漫游了数十亿年。然而,尽管天文学家每天晚上都通过数以百计的专业仪器扫描天空,但无论是南极被白雪覆盖的望远镜,还是智利安第斯山脉被太阳炙烤的阿塔卡马大型毫米波阵列,都从未发现这样的天体。

奥陌陌出现后不久,意想不到的事情发生了:天文学家又发现了一个类似的星际访客。

2019 年 8 月 30 日,工程师兼业余天文学家根纳季・鲍里索夫在克里米亚瑙奇尼的个人天文台,使用他自己制作的望远镜观察到,有一个物体正在黎明前的天空中移动。在第一眼看到这个天体时,他就意识到了它的特别之处:它的移动方向与存在于太阳系主要小行星带的彗星完全不同。

该彗星的正式名称为“2I/鲍里索夫”(2I/Borisov),通常称为鲍里索夫彗星。天文学家怀疑它是一颗“流浪彗星”,即不围绕恒星运转的彗星。那么,这些星际访客从何而来?它们能否提供关于其他恒星系的信息?我们多久才能见到它们一次?

要找到这些问题的答案,首先要了解它们都是由什么构成的。

彗星?小行星?还是……

奥陌陌还没有被明确归类为彗星或小行星 —— 它完全可能是其他的东西 —— 但科学家通常认为大多数星际天体属于前者,这是讲得通的,因为目前存在于在太阳系最深处的一些彗星在被太阳引力捕获之前,很可能就是星际彗星。

然而,大多数彗星都具有彗尾。在接近太阳时,由冰物质组成的彗核会被加热,释放出内部的冻结气体和尘埃,形成我们看到的彗发和彗尾。你或许已经猜到了,奥陌陌没有彗尾。这特别令人困惑,因为它的路径已经进入了太阳系深处,正朝太阳飞去,只差 0.26 个天文单位 —— 大约是地球到太阳距离的四分之一。

随着数据的补充,越来越多的奇异现象出现了。起初,科学家认为这可能意味着奥陌陌就是一颗岩石小行星,但后来更多的观察结果却出乎他们的意料。

它在远离太阳的时候具有很不寻常的加速度,这令科学家十分困惑。彗星在与太阳近距离接触后返回时,加速是很正常的,但这只是因为它们的彗尾能提供动力 —— 喷射出来的气体给了它们推力,就像火箭的引擎一样。

除了太阳的引力,还有其他东西在把它推开,为了解释这种推力,需要这个物体蒸发大约十分之一的质量。

一种推测是,奥陌陌可能是一座“氢冰山”,即一个巨大的冰冻氢块,可以形成一个从地球上看不见的彗尾。

然而,并不是所有人都认同这一观点。首先,还没有人在太空中看到过“氢冰块”,氢冰块不可能保持足够长时间的低温,以形成一个像奥陌陌这么大的物体。考虑到氢的冰点(零下 259 摄氏度)仅略高于宇宙的环境温度,它似乎不太可能在星际空间飞行几亿年后还能保存下来。正如一位研究者所言,它在“被星光烤熟”后就会分崩离析。

考虑到这些令人困惑的问题,认为奥陌陌是外星智慧文明产物的观点看起来似乎变得更加可信。致力于搜寻地外智慧生物的 SETI 协会对此就很感兴趣,该组织的科学家将望远镜指向了奥陌陌,试图接收任何可能的无线电信号。

如果以外星智慧产物来解释的话,奥陌陌从太阳接收到的推力或许就是太阳光在其表面的反射造成的 —— 就像风推动船帆一样;这也意味着,奥陌陌的表面应该薄而平坦,而且具有很高的反射性。对于体积如此之小的天体而言,奥陌陌的亮度确实很高,但当然,大自然不会造帆,所有有观点提出它可能是人工起源的。

▲ 和勘测者 3 号探测器一样,勘测者 2 号本来也打算登陆月球,而发射该探测器的宇宙神-半人马运载火箭在成功发射至太空之后,很快就与地面失去了联系,其助推器在太空中漂浮了几十年

另一个物体“2020-SO”在 2020 年 9 月从太阳那里获得了同样神秘的加速度。该物体最初也是由发现奥陌陌的同一台望远镜发现的,后来证实,它其实是 1966 年发射“勘测者 2 号”(Surveyor II)航天器的火箭助推器。勘测者 2 号探测器是为了确定月球的地形能够让阿波罗飞船在月球进行软着陆而发射的,后来在登陆时失去控制,最终在月球表面撞毁。而发射该探测器的宇宙神-半人马运载火箭在成功发射至太空之后,很快就与地面失去了联系,其助推器在太空中漂浮了几十年。正如前面提到的外星“光帆”,2020-SO 也具有一个平坦的高反射性表面,可以接收光线并推动自身前进。

最终,SETI 协会没有发现任何外星智慧生命的迹象,不过这并不能排除奥陌陌属于一个早已死亡的宇宙文明的可能性。

最终,今年早些时候,研究人员提出了一个理论,似乎可以解释奥陌陌的怪异特性,而不需要归因于任何外星技术。他们从排除法开始。例如,如果奥陌陌释放出任何气体的话,这些气体中不可能包括一氧化碳、水或二氧化碳,因为天文学家会观察到这些它们。

▲ 冥王星的史波尼克高原冰川主要由氮冰构成,其中包含了数千个小坑,可能是水冰升华形成的

这些气体必须是以往没有人考虑过的东西;它也不可能是氢,因为宇宙的温度太高了,氮冰可能提供了奥陌陌所需要的推力 —— 而且在冥王星上之前观察到了这种情况。为了证实这一理论,研究人员计算了奥陌陌表面的光亮程度,并将其与氮冰的反射率进行了比较,发现两者差不多是吻合的。

研究小组得出结论,奥陌陌很可能是一块氮冰,是从一颗围绕年轻恒星的类冥王星系外行星表面剥落下来的。根据太阳系柯伊伯带附近的数千颗类似天体的演化历史,他们推测这块氮冰的脱落时间可能是在 5 亿年前。

最终,海王星穿过了这一区域并喷射出大量物质,这一切发生在太阳系很早期的时候,奥陌陌可能从那时起就一直在寒冷、空旷的深空中旅行。

虽然奥陌陌在许多年前就已经到达了太阳系的最边缘,但它要经过很长一段时间才能到达最初被发现时所处的太阳系中心地带,并在靠近的过程中逐渐消耗质量。这解释了它不寻常的形状,以及一下子剧烈加速的原因,因为蒸发的氮冰会形成一个看不见的彗尾,推动它疾速飞行。地球大气层主要成分是氮,而且是透明的,氮气很难探测到。

同样,并不是所有人都接受这个理论。

首先,有人怀疑奥陌陌起源的类冥王星行星是否有足够大的表面积,使得我们能发现其一部分碎片在统计学上是可信的。研究团队计算得出,银河系中的恒星需要有自身 100 倍的质量,才能让我们看到一座脱落的“氮冰山”。冥王星的表层只有其体积的百分之几,所以这根本说不通。

▲ 奥陌陌和“2020-SO”都是夏威夷的泛星计划望远镜发现的,该望远镜已经发现了数千个太空物体

但如果这个理论被证明是正确的,奥陌陌或许就能提供一个一窥其他恒星系的罕见机会。目前,我们只能间接地观测环绕其他恒星运行的行星,包括观测它们在恒星前面经过时挡住了多少光,或者观察它们经过恒星附近时引力扭曲光的方式。之所以不能直接观察这些行星,主要是因为它们与地球的距离实在太过遥远。以我们目前的技术,要穿越 4.2 光年到达最近的恒星比邻星,需要数千年的时间。如果像旅行者号 —— 目前正在探索太阳系外的深空 —— 这样的航天器现在离开地球,将在 75100 年后才能到达那里。

在我们的有生之年,到达另一颗太阳系外行星是不可能的,但大自然可以让这些行星的一部分来到我们附近,让我们得以近距离观察。

奥陌陌在进入太阳系时的体积仍然相当大,这一事实表明,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 亿年。在这段时间里,它很可能从未与其他恒星近距离接触过,直到偶然遇到了太阳。它很可能在不到一光年的距离内穿过数十个恒星系,但如果像靠近太阳这样靠近过其他恒星,它就不大可能存留下来了。

特别值得一提的是,奥陌陌是一座氮冰山的可能性,恰恰表明其他恒星系很可能与我们的太阳系十分相似。

这告诉我们,在其他行星系统的外部区域,也有像冥王星这样更大的天体。计算结果甚至表明,这些冰呈淡红色,类似于在冥王星含甲烷的氮冰川上发现的冰层,它们足够大,而且足够热,可以分离出不同的物质,形成有差别的分层结构。

在奥陌陌之前,科学家对其他行星系统的外围情况完全不了解,因为那里的天体太遥远了,不能在邻近恒星的映衬下形成足够明显的轮廓。我们只知道那些离我们更近的天体,因为它们会更频繁地经过恒星,并挡住更多的星光。

甚至氮本身也是新闻。在太阳系中,氮十分常见,但在发现奥陌陌之前,科学家并不确定氮在宇宙其他区域是否也如此常见。

▲ 鲍里索夫彗星的一氧化碳含量异常丰富,表明它可能来自于一颗较冷的恒星附近,或者其他具有不同化学成分的恒星系

相对“无聊”的彗星

幸运的是,对鲍里索夫彗星的研究要比奥陌陌容易得多。它被认为是迄今为止发现的第一颗星际彗星。和那些徘徊在太阳系外边缘的物体一样,鲍里索夫彗星被认为是由水、灰尘和一氧化碳等组成的混合物。它有一条可见的彗尾,这或多或少符合科学家的预期。可以说,鲍里索夫彗星让奥陌陌看起来更奇怪了。

鲍里索夫彗星被认为是从一个以红矮星为中心的古老恒星系中脱离出来的。红矮星是银河系恒星中最昏暗和最丰富的类型。根据鲍里索夫彗星的速度和轨道,一个国际研究小组初步计算出它可能起源于“罗斯 573”(Ross 573,现在是一颗白矮星)的周围。他们认为,大约在 91 万年前,这颗彗星附近的三个大天体发生了剧烈碰撞,将其抛入太空,此时鲍里索夫彗星距离罗斯 573 约 0.22 光年(2 万亿公里)。

然而,我们不知道鲍里索夫彗星来自哪个特定的恒星系统,它已经旅行了太长时间,无法追溯到一个单独的系统,但由于鲍里索夫彗星看起来更像一颗太阳系彗星,我们预计它来自其母系统内的彗星云,无论该系统位于哪里。

▲ 受到 2014 年在一颗超新星中发现的尘埃云的启发,一些科学家提出奥陌陌可能是一个巨大的“尘埃团”

“不可能”的计算结果

在一些专家思考奥陌陌和鲍里索夫彗星为何如此不同的同时,另一些研究者则在思考到底有多少类似它们的天体。

太阳系中会有规律地喷射出彗星,同样的过程也会发生在银河系的其他地方,这是合乎逻辑的假设 —— 但也完全是假设。

即使在奥陌陌被发现之后,它的到访依然像其本身一样令人困惑。在我们的一生中,这样的事情很可能只会发生一次。同样地,太阳系中可能充满了来自更遥远星系的碎片,它们是如此黯淡,只有当它们的轨道路径恰好经过太阳附近时才会显现出来。

现在,科学家们已经发现了两个星际天体,他们的预感或多或少得到了证实。但是,准确估计这些天体有多常见 —— 以及我们预期能看到它们的频率 —— 仍然极为棘手。

早在任何星际天体被发现之前,研究人员事就在 2009 年进行了一次初步计算,以了解找到一个单独天体的可能性。他们的估计基于银河系中恒星的密度,以及每个恒星向更广阔宇宙所喷射物质的可能数量,然后将其与地球上最强大望远镜的灵敏度进行比较。最终,他们得出的结论是,在望远镜的整个运行生涯中,找到这样一个天体的概率“非常小”—— 在千分之一到十万分之一之间。像奥陌陌这样的星际天体可能是非常罕见的,科学家几乎不应该看到它。

然而,科学家还是发现了它。基于对奥陌陌的成功探测,一个研究团队计算出,在每个以地球到太阳的距离为边的三维空间单位中,在任何给定的时间,我们都有机会在其中发现大约 5 个大小相似的宇宙物体。

这表明星系中星际物质的密度要比以前认为的高得多。同时这也暗示着,这些天体并不是在行星形成期间的年轻恒星系中单独产生的,而是在恒星的整个生命周期中都会出现 —— 否则它们不会那么常见。

与此同时,在发现鲍里索夫彗星之后进行的最新研究表明,太阳系中任何时候都存在大约 50 个宽度至少 50 米的星际天体。这一点很重要,因为不是所有的星际天体都像奥陌陌和鲍里索夫彗星一样无害。现在认为,导致恐龙灭绝的小行星是一个来自于太阳系内部的天体,但星际小行星和星际彗星的破坏力可能更大,因为它们的运行速度明显快于那些绕太阳运行的小行星和彗星。

▲ 正在智利建造的大型综合巡天望远镜(LSST)将是地球上最强大的望远镜,使用三个镜片,其中主镜直径 8.4 米,第一副镜和第二副镜的口径分别是 3.4 米和 5.0 米

搜索更多的深空访客

随着技术的发展和新设备的应用,研究人员有望逐步揭开有关星际天体的诸多谜题。在智利,一座正在建设中的新天文台将为我们提供强大的探测能力,以搜寻这些天体的微弱光芒。

薇拉・鲁宾天文台以著名女性天文学家薇拉・鲁宾命名,位于智利北部科金博大区的帕穹山山顶,海拔 2682 米。该天文台预计将于 2022 年或 2023 年投入使用,其大型综合巡天望远镜(LSST)具有 8.4 米主镜,并拥有迄今为止为天文学领域建造的最大的数码相机。它将对夜空进行夜间观测,搜寻直径至少 140 米 —— 大约是奥陌陌的三分之二,鲍里索夫彗星的七分之一 —— 的近地天体。

许多天文学家乐观地认为,薇拉・鲁宾天文台将会找到下一个星际天体,以及太阳系中神秘的假想行星 —— 第九行星。我们需要看到更多像奥陌陌这样的天体,然后就可以分析相关的统计数据,最终对这些天体的实际数量有正确的估计。

当下一个星际天体进入太阳系时,希望薇拉・鲁宾天文台的望远镜能够将其识别出来,并尽可能早地发出警告,以便我们有时间发射航天器加以拦截,并进行更近距离的观察。2016 年 9 月发射的 Osiris-Rex(又称为欧里西斯号)任务已经成功到达了被称为“贝努”的小行星 101955,距离地球超过 3.21 亿公里。目前该探测器正在返回途中,预计 2023 年将带着图片和样本回到地球。

这将告诉我们它是人工制造的,还是自然形成的,当然,如果它看起来是人造的话,那将会非常有趣。我们可以在上面着陆,也许还可以读到‘X 星球制造’的标签。

不过,无论发生什么,希望科学界能保持开放的心态,特别是如果第三次发现的星际天体仍与奥陌陌一样神秘的话。如果我们发现了以前从未见过的东西,让我们收集更多的数据,弄清楚它的本质,因为这样我们就会对制造这些物品的场所或工厂有新的了解。

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