太陽系內(nèi)探測(cè)到的首個(gè)系外到訪的星際天體“奧陌陌”(‘Oumuamua)是如何形成的?天文學(xué)家最新研究表明，這個(gè)“星際訪客”或是一個(gè)行星天體的碎塊——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。
藝術(shù)家描繪的奧陌陌(來源：ESO/M. Kornmesser)。 國家天文臺(tái) 供圖
中國科學(xué)院國家天文臺(tái)張韻博士與美國加州大學(xué)圣克魯茲分校林潮教授共同完成的這一重要天文研究成果論文，已獲最新一期國際學(xué)術(shù)期刊《自然-天文》在線發(fā)表，論文提出的新模型揭示出這類星際天體的形成機(jī)制和成為星際天體的過程，數(shù)值模擬結(jié)果首次全面系統(tǒng)地復(fù)現(xiàn)了奧陌陌的所有特征。
2017年10月，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)一顆闖入太陽系的系外小天體，國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)將其命名為“奧陌陌”。作為人類觀測(cè)到的首個(gè)星際天體，奧陌陌的到來引起全球廣泛關(guān)注，其獨(dú)特的性質(zhì)也引發(fā)學(xué)術(shù)界對(duì)原有星際天體形成和演化機(jī)制的重新討論。奧陌陌長約100米，長短軸比例為6:1–10:1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于已知太陽系內(nèi)小天體的長短軸比例，具有極其特殊的狹長外形，它在運(yùn)動(dòng)過程中伴隨著快速旋轉(zhuǎn)，并且自轉(zhuǎn)軸不固定。
在奧陌陌被發(fā)現(xiàn)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，并且由于彗星比同尺寸的小行星更為明亮，可觀測(cè)到的星際天體應(yīng)多為彗星。因此，天文學(xué)家希望利用觀測(cè)的手段驗(yàn)證奧陌陌屬于彗星的猜想。但是，即便調(diào)用了幾乎所有的天文望遠(yuǎn)鏡，人們都沒有發(fā)現(xiàn)它有向外噴射氣體和塵埃的跡象，從而推測(cè)奧陌陌是一顆小行星而非彗星。此外，由于奧陌陌的形狀和非引力加速度的謎團(tuán)之前未解開，其起源和成為星際天體的過程令天文學(xué)家們十分困惑，甚至有科學(xué)家猜測(cè)奧陌陌與外星生物存在有所關(guān)聯(lián)。
研究論文第一作者和通訊作者張韻介紹說，奧陌陌的光譜性質(zhì)顯示它在原來的行星系統(tǒng)中曾經(jīng)受到恒星的強(qiáng)烈熱輻射，這個(gè)特征可以通過近距飛越恒星產(chǎn)生，而如此近距離的接觸可能使得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)，“正是這一個(gè)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”。
通過使用超級(jí)計(jì)算機(jī)對(duì)天體近距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)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)恒星的潮汐力會(huì)將天體撕碎成許多的細(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。在潮汐撕碎過程中，這些碎片的表面因恒星熾熱灼烤而融化。當(dāng)遠(yuǎn)離恒星時(shí)，融化的表面重新凝結(jié)使得碎片的整體結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的粘結(jié)力，從而可以維持所形成的細(xì)長形狀的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。恒星的熱輻射同時(shí)也會(huì)加熱這些碎片內(nèi)部，使得它們體內(nèi)的可揮發(fā)性氣體(如一氧化碳等)大量消耗殆盡。因此，它們的光譜性質(zhì)具有小行星的特征并失去了明顯的彗星活動(dòng)表現(xiàn)。同時(shí)，熱力學(xué)分析顯示，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。在奧陌陌的太陽系短途旅行中，這些剩余的水冰可被太陽的熱輻射激活噴發(fā)，提供了所觀測(cè)到的非引力加速度。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。而對(duì)于太陽而言，其密度相對(duì)較低，不足以產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象，因此太陽系內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)類似奧陌陌的小天體。
張韻指出，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(jí)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。通過分析可能的母體來源及數(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均有可能是類奧陌陌星際天體在被潮汐撕碎甩出前的母體，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。
隨著中國和國際上各個(gè)巡天望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)和投入使用，未來將會(huì)在太陽系內(nèi)發(fā)現(xiàn)更多的星際天體，屆時(shí)，天文學(xué)家將會(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。奧陌陌國際空間科學(xué)研究所共同負(fù)責(zé)人馬修·奈特評(píng)價(jià)道：“在奧陌陌之后，我們不得不徹底改變我們對(duì)于星際天體的認(rèn)知。這項(xiàng)研究提出的星際天體形成機(jī)制出色地解釋了關(guān)于奧陌陌的所有謎團(tuán)，我們期待在未來幾年內(nèi)會(huì)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)將是非常有趣的。如果是這樣，則可能表明這個(gè)機(jī)制描述的過程是普遍的”。
耶魯大學(xué)天文系教授格雷戈里·拉夫林表示，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)象解釋了奧陌陌所有的特征，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。由于這些星際天體在被甩出前反復(fù)經(jīng)過原行星系統(tǒng)的宜居帶，組成生命的有機(jī)物質(zhì)可能通過這些天體在星際間傳播，為人類探索生命起源的奧秘提供了新的思路。(記者 孫自法)
關(guān)鍵詞： 星際天體
