首位太阳系星际访客,奥陌陌起源之谜,终于有了答案

奥陌陌是破碎的“超级地球”的残骸吗?

奥陌陌(‘Oumuamua)是一个在2017年与我们的太阳擦身而过的天外来物。近期的计算机模型显示,奥陌陌很可能是在与它的宿主星近距离接触时形成的。“奥陌陌有可能诞生于一个碎屑盘,甚至是一个瓦解的超级地球(super-Earth)。”研究人员说道。

中国科学院张院士与林院士通过模拟潮汐瓦解情景创作出的类奥陌陌物体示意图。

图片来源:中国科学院国家天文台(NAOC)/Y. Zhang/加利福尼亚大学圣克鲁兹分校(UCSC);背景:(欧洲南方天文台)ESO/M. Kornmesser

天文学家们之前就有所猜测,诞生于太阳系外的天体每年会穿过地球轨道。2017年,夏威夷一名天文学家发现了首个这样的天外来物。国际天文联合会(IAU)将它命名为”1I/'Oumuamua(奥陌陌)”,其中“1I”代表它是第一个星际天体(first interstellar),“Oumuamua”则是夏威夷语中“首位远方使者”(a messenger from afar arriving first)

世界各地的天文学家只有短短几个月的时间来研究这个物体。当奥陌陌第一次被发现时,它已经与太阳擦肩而过,准备溜之大吉了。

天文学家们发现这个物体十分干燥(不像彗星一样多冰),而且细长得出奇。它是怎么形成的?又从哪里来?如今,通过计算机模型,似乎可以解答这些问题了:奥陌陌与它的母恒星近距离邂逅后飞向了我们,所以,奥陌陌或许是某个瓦解的系外天体的碎片

这项研究在2020年4月发表于同行评审期刊《自然天文学》(Nature Astronomy)

第一作者是来自中国科学院国家天文台的张云。他和来自加州大学圣克鲁兹分校(UC Santa Cruz)的道格拉斯·林(Douglas N. C. Lin)利用计算机模拟技术,展示了奥陌陌这样的天体是如何像地球上的海洋一样在潮汐力的作用下形成的。林陈述道:

我们发现,当母体与宿主星近距离接触时,像奥陌陌这样的星际天体可以通过大量潮汐碎片产生,并随后被抛射进星际空间。

艺术家概念中的雪茄状奥陌陌:这个首次为人所知的星际拜访者

图像由欧洲南方天文台和K. Meech等人提供

2017年9月,奥陌陌经由离太阳最近的地方。而在一个月后,天文学家在夏威夷用“泛星计划”望远镜(the Pan-STARRS1 telescope)发现了它。奥陌陌细长的形状和进出太阳系的路径让天文学家们甚至想过也许它是一艘外星宇宙飞船(像亚瑟·克拉克经典科幻小说《与拉玛相会》(Rendezvous with Rama)一样)。张云评论:

这的确是一个神秘的物体,但有一些迹象,比如它的颜色和无射电辐射,都指出奥陌陌是一种自然天体。

当然,奥陌陌与以往我们见过的任何其它自然天体(natural object)都不一样。

天文学家预期第一个被发现的星际天体是一个冰质天体,比如彗星。

确实,第二个已知的星际天体——21/Borisov,2019年8月首次被发现—就是彗星。这可以理解,因为太阳系的最外层被认为聚集着大量彗星。并且,如果太阳系形成的方式会创造这个充满彗星的奥尔特云(Oort Cloud),那么其它恒星系或许也会如此。奥尔特云中的彗星有时会被抛出其所在的宿主恒星系,即成为星际天体。没有人知道奥尔特云延伸至多远。但不难想象,邻近恒星系的奥尔特云很可能会有些许混合。

不过,彗星相当冰冷。它们富含挥发性物质——这些元素会快速的从固态升华为气态——当被太阳加热时,就会留下独特的慧尾。21/Borisov的外形确实发生了变化,例如,当它距我们的恒星最近时。

而奥陌陌看起来非常不同。比如,它的表面看起来很干燥,挥发物并不丰富,这表明它更像是岩石而不是冰。张云解释说,天文学家已经计算出一定存在大量像奥陌陌这样的星际天体。他说:

奥陌陌的发现,意味着岩质星际天体的数量比我们先前认为的要多得多。平均而言,每个行星系总共可以抛射出约一百万亿个像奥陌陌这样的天体。这说明,我们需要构想类似天体生成的普遍模式。

这幅插图是一项研究,它向我们展示了潮汐扰动过程可能会导致一些“奥陌陌”状的物体飞离它们原始的恒星系统,最终作为闯入者进入我们的太阳系。 图片来自

中国科学院国家天文台(NAOC)/Y. Zhang/加利福尼亚大学圣克鲁兹分校(UCSC);背景:(欧洲南方天文台)ESO/M. Kornmesser

张云和林用高分辨率计算机模拟,试图重现“奥陌陌”这样的天体形成的可能场景。他们关注的是潮汐力,这被认为是普遍过程。我们都知道,地心引力会引起海潮。同时,我们,也知道,在潮汐力的作用下,较大物体的引力可以将较小物体撕裂;例如,土星的光环可能就是由瓦解的卫星形成的。

他们在声明解释道:

当一个较小的天体非常接近一个相对大得多的天体时,较大天体的引潮力可以把那个小天体撕成碎片,就像舒梅克-列维9号彗星(comet Shoemaker-Levy 9)接近木星时发生的情况一样。

他们指出这种潮汐瓦解也可能把一个天体从其恒星系统中抛射出去:

潮汐瓦解的过程可能会使一些碎片抛射入星际空间,这可能就是“奥陌陌”的起源。

他们考虑了“奥陌陌”的形状以及各种可能构成它的材料的强度,说:

考虑到与恒星交会期间材料的强度变化,它细长的形状会变得更加引人注目,其长轴与短轴之比甚至会大于十比一。

他们用计算机模型显示了在这种瓦解所散发的热量:

……最初的星体碎裂后,碎片的表面会在离恒星很短的距离内融化,并在较远的距离重新凝结,从而形成了紧密结合的地壳,保证了星体结构的稳定。

他们对自己的模型充满信心,这可以解释许多观察到的“奥陌陌”的特性。 他们说,他们的模型为“奥陌陌”的很多问题都提供了“首个全面答案”。 张还指出:

潮汐瓦解的图景不仅提供了形成一个“奥陌陌”的途径,还说明存在大量类小行星的星际天体。

他们声明说:

研究人员的计算证明了潮汐力在形成这种天体的高效性。在恒星相遇期间,可能的前身星(progenitors)们——包括长周期的彗星,碎屑盘,甚至是超级地球——都可以转变成奥陌陌般大小的碎片。

这项工作支持了对大量类似奥陌陌的星际天体的估算。由于这些天体可能穿过宜居住带,因此不能排除它们携带能够产生生命的物质(称为“有生源说”(panspermia))的可能性

林说,

“奥陌陌只是冰山一角。 预计今后我们会发现更多具有相似特征的星际访客……”

要旨:科学家们用计算机模拟断定,首个经过太阳系的星际天体:奥陌陌,可能是碎屑盘或一个超级地球的碎片在与其恒星近距离交会时形成的。

作者:Deborah Byrd

FY:Astronomical volunteer team

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