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近距飛越恒星潮汐撕裂過(guò)程。張韻/國(guó)家天文臺(tái)

迄今銀河系中自轉(zhuǎn)最快恒星，紅五星是該星，黃色圓是太陽(yáng)。國(guó)家天文臺(tái)供圖

數(shù)值模擬得到的奧陌陌。張韻/國(guó)家天文臺(tái)

如果你是因?yàn)橥庑侨嘶蛲庑俏拿鳎鴮?duì)天文產(chǎn)生了興趣，那么，這個(gè)叫“奧陌陌”的小家伙，或許能在一定程度上滿足你對(duì)天文探索的諸多想象。

奧陌陌是一個(gè)闖入太陽(yáng)系的天體，也是人類在太陽(yáng)系探測(cè)到的第一個(gè)系外造訪的星際天體。不過(guò)，它究竟是什么，是一艘外星飛船，一顆來(lái)自外星系的彗星，還是一顆小行星？這個(gè)問(wèn)題曾經(jīng)難倒全球無(wú)數(shù)天文學(xué)家。

最近，天文學(xué)家交出了最新答卷：這位星際訪客，很可能是一個(gè)行星天體的碎塊。給出這一結(jié)論的是中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)博士后張韻與美國(guó)加州大學(xué)圣克魯茲分校教授林潮，他們把研究結(jié)果發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然-天文》上，其中提到他們通過(guò)數(shù)值模擬，第一次全面系統(tǒng)地復(fù)現(xiàn)了奧陌陌的所有特征。

有關(guān)奧陌陌的身世之謎，就此完全揭開了嗎？

“看不見”的客人

在破解這個(gè)天文問(wèn)題的過(guò)程中，天文學(xué)家像偵探破案一樣，一邊給出猜測(cè)，一邊進(jìn)行驗(yàn)證。而破案的第一步，則是鎖定嫌疑人。

2017年10月，這個(gè)長(zhǎng)約100米、長(zhǎng)短軸比例為6∶1到10∶1的小天體，以每秒25.5公里的速度第一次闖入太陽(yáng)系，隨后一度達(dá)到44公里/秒。

這個(gè)速度引起了天文學(xué)家的注意。更讓人驚訝的是，這位星際訪客的運(yùn)動(dòng)軌跡沿雙曲線運(yùn)行，而這，明顯不同于普通太陽(yáng)系的小行星或彗星。天文學(xué)家初步判斷，這個(gè)家伙來(lái)自太陽(yáng)系之外。

從絕對(duì)大小來(lái)看，這個(gè)“不速之客”并不大，但相對(duì)而言，它已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于太陽(yáng)系內(nèi)那些小天體的長(zhǎng)短軸比例，具有極其特殊的狹長(zhǎng)外形。也因此，有人用雪茄狀來(lái)形容它的樣子。

那一年，國(guó)際天文學(xué)界給它取了名字，叫“奧陌陌”，意思是“遠(yuǎn)方的信使”。作為人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)星際天體，奧陌陌的到來(lái)，引起了全球廣泛關(guān)注。

它到底是誰(shuí)？

彗星？這是其中一種猜測(cè)。張韻說(shuō)，在奧陌陌之前，現(xiàn)有的行星系統(tǒng)理論認(rèn)為，彗星更容易被其原有行星系統(tǒng)“甩出”。從人類過(guò)往的觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，由于彗星比同尺寸的小行星更為明亮，可觀測(cè)到的星際天體，大多也是彗星。

要把猜測(cè)轉(zhuǎn)化成結(jié)論，天文學(xué)家需要做的是：驗(yàn)證。

全球不少天文學(xué)家都行動(dòng)了起來(lái)，他們希望利用觀測(cè)的手段，來(lái)驗(yàn)證奧陌陌屬于彗星這一猜想。

然而，即便調(diào)用了幾乎所有的天文望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家仍未發(fā)現(xiàn)這位星際訪客身上有任何彗星的影子——從中并不能找到向外噴射氣體和塵埃的跡象。

于是天文學(xué)家有了一個(gè)新的推測(cè)：奧陌陌，有沒(méi)有可能是一顆小行星。

但令他們無(wú)奈的是，奧陌陌是一個(gè)“看不見的客人”——人類僅憑現(xiàn)有的技術(shù)，難以捕捉其運(yùn)動(dòng)速度和亮度，只能得到一個(gè)粗略的光譜，其中并沒(méi)有物體反射率的詳細(xì)信息。

2018年，天文學(xué)家派出了人類有史以來(lái)最大的太空紅外望遠(yuǎn)鏡——斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡，試圖再次捕捉奧陌陌的身影。然而，這個(gè)以太陽(yáng)軌道運(yùn)行、與奧陌陌飛行路徑最近、被寄予厚望的人類探測(cè)器，最終卻以失敗告終。

“它已飛得太遠(yuǎn)了，人類任何望遠(yuǎn)鏡都無(wú)法探測(cè)。”斯皮策望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)科學(xué)家這樣解釋。

就這樣，奧陌陌漸行漸遠(yuǎn)，在人們還未看清它之前，這位神秘的星際訪客，似乎就這樣“消失”了。

諸多未解之謎

天文學(xué)家自然不愿意放過(guò)這個(gè)千載難逢的機(jī)會(huì)，從某種意義上說(shuō)，在奧陌陌之前，人類還從未有如此近距離的機(jī)會(huì)了解太陽(yáng)系以外的東西。

在奧陌陌消失兩年后，關(guān)于它的諸多謎團(tuán)仍未解開。比如，它的運(yùn)行軌跡——這位訪客似乎來(lái)去自如，不受太陽(yáng)系束縛，目前正沿著雙曲線軌跡運(yùn)行，幾年后，或許就會(huì)穿過(guò)太陽(yáng)系，一去不復(fù)返。

在對(duì)奧陌陌軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究之后，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，只有引入一個(gè)相當(dāng)大的非引力項(xiàng)，才能使其軌跡得到合理解釋。換言之，這位星際訪客之所以可以加速離開太陽(yáng)系，是受一種非引力的動(dòng)力影響。

這再次讓天文學(xué)家想到了彗星——彗星向外釋放氣體的行為，能夠提供這樣的一個(gè)非引力加速度。然而，這樣的解釋，又和人們對(duì)奧陌陌“不是一顆彗星”的猜測(cè)相悖。

還有一種解釋，就是借助太陽(yáng)光壓，奧陌陌有了非引力加速度，不過(guò)這也只是對(duì)具有超大面積-質(zhì)量比的物體才有效——這便需要奧陌陌具有超乎尋常的疏松結(jié)構(gòu)。

“偵破”進(jìn)程一時(shí)間陷入僵局。有關(guān)奧陌陌的起源和成為星際天體的過(guò)程，也令天文學(xué)家們十分困惑，甚至還有科學(xué)家猜測(cè)，奧陌陌或許與外星生物存在某種關(guān)聯(lián)。

“它，有沒(méi)有可能是被原來(lái)所在的恒星‘甩’出去的？”張韻作了一個(gè)大膽的假設(shè)。

根據(jù)奧陌陌的光譜性質(zhì)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這個(gè)訪客在它原來(lái)所在的行星系統(tǒng)中，曾經(jīng)受到恒星的強(qiáng)烈熱輻射，而這個(gè)特征可以通過(guò)近距離飛越恒星產(chǎn)生。張韻說(shuō)，如此近距離的接觸，可能會(huì)讓奧陌陌的母體，被恒星的潮汐作用撕裂，并將奧陌陌甩出原系統(tǒng)。

“正是這個(gè)看似最平凡的性質(zhì)，啟發(fā)了我們著手研究潮汐撕裂星際天體形成理論?！睆堩嵳f(shuō)。

就這樣，最新一次的“偵破”開始了。

神秘面紗被揭開

率先登場(chǎng)的是超級(jí)計(jì)算機(jī)，其強(qiáng)大的算力幫助天文學(xué)家做了數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，恒星的潮汐力，的確會(huì)將天體撕碎成許多的細(xì)長(zhǎng)型碎片，同時(shí)，潮汐的作用，還會(huì)讓一部分碎片的速度增大，以至于超過(guò)恒星的逃逸速度。換句話說(shuō)，這些被撕碎的碎片，就會(huì)逃離恒星，從而成為一個(gè)星際天體。

相應(yīng)地，超級(jí)計(jì)算機(jī)也“畫出”了這些碎片的樣子：其長(zhǎng)短軸的比例，大多數(shù)高于5∶1，有些甚至高于10∶1。這就在某種程度上，解釋了奧陌陌極其特殊的狹長(zhǎng)外形。

更為重要的是，數(shù)值模擬結(jié)果顯示，在潮汐撕碎的過(guò)程中，這些碎片的表面，將受到恒星熾熱灼烤，最終熔化，而當(dāng)遠(yuǎn)離恒星時(shí)，這些熔化的表面，將會(huì)重新凝結(jié)。這一過(guò)程，最終讓碎片的整體結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的黏結(jié)力，從而維持其所形成的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

潮汐撕裂星際天體形成理論，就像是一顆救命稻草，天文學(xué)家抓住這個(gè)破解密碼的鑰匙之后，進(jìn)展異常順利。曾經(jīng)困擾人類的諸多問(wèn)題，似乎都一一浮出了水面——

根據(jù)數(shù)值模擬，恒星的熱輻射會(huì)加熱這些碎片內(nèi)部，其結(jié)果是，這些碎片體內(nèi)可揮發(fā)性的氣體將消耗殆盡。

“正因?yàn)檫@樣，這些碎片失去了明顯的彗星活動(dòng)表現(xiàn)，而它們的光譜性質(zhì)，則具有小行星的特征。”張韻說(shuō)。

至于這些星際訪客的非引力加速度，也有了一個(gè)解釋。

根據(jù)熱力學(xué)分析，一些升華溫度較高的可揮發(fā)性物質(zhì)——比如水冰，能夠在地下數(shù)十厘米的地方保存完好。這些水冰，對(duì)于奧陌陌的旅行，可是起了大作用。

張韻說(shuō)，在奧陌陌的太陽(yáng)系短途旅行中，這些剩余的水冰，就會(huì)被太陽(yáng)的熱輻射激活噴發(fā)，從而提供了人類所觀測(cè)到的非引力加速度。

至此，奧陌陌的神秘面紗基本被揭開了，如果用一句話來(lái)說(shuō)，這位星際訪客很可能就是太陽(yáng)系之外一個(gè)行星天體的碎塊——一個(gè)被原行星系統(tǒng)中恒星的潮汐作用撕碎并甩出的碎片。

耶魯大學(xué)天文系教授格雷戈里·拉夫林用“非常巧妙”的字眼來(lái)形容這一研究，他認(rèn)為，該研究運(yùn)用行星系統(tǒng)演化過(guò)程的普遍現(xiàn)象，解釋了奧陌陌的所有特征，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。

還有更多的奧陌陌嗎？

一個(gè)奧陌陌走了，還會(huì)不會(huì)有更多的奧陌陌前來(lái)？甚至，太陽(yáng)系在自己內(nèi)部會(huì)不會(huì)“甩出”奧陌陌？這些是奧陌陌留給天文學(xué)家的新問(wèn)題。

張韻的觀點(diǎn)是，由于潮汐力的強(qiáng)度隨著恒星密度的增大而增強(qiáng)，這種潮汐撕裂現(xiàn)象能夠發(fā)生在密度較大的矮恒星附近。不過(guò)對(duì)太陽(yáng)而言，其密度相對(duì)較低，不足以產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象，相應(yīng)地，人類在太陽(yáng)系內(nèi)也并未發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生過(guò)類似奧陌陌的小天體。

不過(guò)，在張韻看來(lái)，類似奧陌陌的星際天體穿越太陽(yáng)系，并非一個(gè)偶然事件。

“從概率上估計(jì)，每個(gè)太陽(yáng)系周圍的恒星系統(tǒng)，平均至少產(chǎn)生百萬(wàn)億數(shù)量級(jí)的類似星際天體，才能夠解釋奧陌陌闖入太陽(yáng)系事件的發(fā)生概率。”張韻說(shuō)。

事實(shí)上，通過(guò)分析可能的母體來(lái)源及數(shù)量分布，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，從數(shù)千米直徑的彗星，到地球大小的行星，都有可能是類似奧陌陌星際天體在被潮汐作用撕碎甩出前的母體，而這些母體所產(chǎn)生的星際天體數(shù)量，恰好可以解釋奧陌陌的出現(xiàn)概率。

“在奧陌陌之后，人們不得不徹底改變自身對(duì)于星際天體的認(rèn)知?！眾W陌陌國(guó)際空間科學(xué)研究所共同負(fù)責(zé)人馬修·奈特認(rèn)為，這項(xiàng)最新的研究出色地解釋了關(guān)于奧陌陌的謎團(tuán)。

他的一個(gè)期待是，未來(lái)幾年天文學(xué)家可以發(fā)現(xiàn)新的星際天體，看看它們是否具有類似奧陌陌的性質(zhì)?！斑@將是非常有趣的。如果是這樣，那么將表明如今這個(gè)機(jī)制描述的過(guò)程是普遍的?！瘪R修·奈特說(shuō)。

張韻也認(rèn)為，隨著中國(guó)和國(guó)際上各個(gè)巡天望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)和投入使用，未來(lái)將會(huì)在太陽(yáng)系內(nèi)發(fā)現(xiàn)更多的星際天體，天文學(xué)家也將會(huì)更深入了解這些天體的性質(zhì)，對(duì)星際天體的數(shù)量有著更精確的評(píng)估。

那時(shí)，人類會(huì)不會(huì)有更多新的發(fā)現(xiàn)，尤其是在生命起源、外星生物方面有所突破？

正如雷戈里·拉夫林所說(shuō)：由于這些星際天體在被甩出去之前，反復(fù)經(jīng)過(guò)原行星系統(tǒng)的宜居帶，這意味著，那些組成生命的有機(jī)物質(zhì)，很可能會(huì)通過(guò)這些天體，在星際之間進(jìn)行傳播。而這些，將為人類探索生命起源的奧秘提供新的思路。

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