系外來客

劉聲遠

科學家最近首次證實有太陽系外天體進入太陽系，但這也挑戰(zhàn)了現(xiàn)有的行星形成理論。

韋瑞笑稱自己是“地球衛(wèi)士”。每天，這位美國夏威夷大學的博士后都會進入自己位于美國火奴魯魯（檀香山市）被棕櫚樹環(huán)抱的辦公室，審閱頭一天晚上采集的來自外太空、可能威脅地球的天體信息。在地球早期預警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流中，韋瑞常常是第一個發(fā)現(xiàn)新的、具有潛在危險性的“近地天體”的人。“全景巡天望遠鏡”（或稱“快速反應(yīng)系統(tǒng)”）位于夏威夷毛伊島哈雷卡拉火山項，它的兩部探測器全天候掃描太空，尋找可能偏離航道撞向地球的天體。

初看起來，“全景巡天望遠鏡”在2017年10月19日夜發(fā)現(xiàn)的那個天體，不過是繁星閃爍的夜空中又一條迅速移動的暗淡軌跡而已。那似乎是一顆飛掠的彗星或小行星，但當韋瑞再度回顧前一晚的數(shù)據(jù)時，他才察覺到某種不對勁兒。那個天體無疑是存在的，但它卻沒有出現(xiàn)在他認為它應(yīng)該出現(xiàn)的地方。韋瑞當時想：“一定有什么地方出錯了。”他立即給目前就職于歐洲空間局（簡稱歐空局）的夏威夷大學研究生米奇打電話。米奇當時正指揮位于西班牙一座島上的歐空局“光學地面望遠鏡”。于是，他倆都開始觀測這顆“不對勁兒”的星。

這樣一來，天文學界傳出了一個驚人的消息：這個天體并未環(huán)繞太陽。也就是說，它并不是太陽系天體，而是太陽系以外很遠地方的來客。科學家之前就想到過這類星際來客會來到地球，但從未真正見到它們。如今終于識別了第一個星際來客（或稱系外來客），天文學由此進入了一個新紀元，但也帶來了有關(guān)行星系統(tǒng)（包括太陽系）形成機制的一系列基本問題。

一再改名

是因為對它的認識不斷加深

經(jīng)過好幾個夜晚的觀測，韋瑞和米奇才終于確信自己看見的究竟是什么。環(huán)繞太陽的彗星或小行星的軌道基本上都是閉合的橢圓形，而這個天體的軌道是沒有閉合的雙曲線，這就意味著它不是環(huán)繞太陽的（見示意圖《系外來客》）。它之前已經(jīng)來到過距離地球最近處，之后它以38千米/秒的速度逐漸離開地球，這一速度快得足以讓它逃逸到星際空間。

美國“史密森尼天體物理觀測臺”位于美國馬薩諸塞州劍橋市。該“觀測臺”是“近地天體”信息交換中心。韋瑞把自己的發(fā)現(xiàn)上傳到了該中心的近地天體認證頁面。到了2017年10月25日，已經(jīng)有足夠的跟進觀測來證實該天體是一個星際天體，由此它被正式命名為“C/2017 U1”（以下簡稱U1）。

上述命名中，C代表彗星（英文為comet），這符合科學家預計的這類星際旅行者的起源（即與太陽系中的彗星相近的天體）。當恒星從一團坍塌的分子氣體云中形成時，一些氣體云材料會剩下來。這些材料形成攪動的塵埃盤，盤中塵埃碰撞、合并，逐漸形成越來越大的天體，最終形成行星。殘骸天體偶爾會被碰撞力、被遷徙行星的引力或被經(jīng)過的行星的推拉等力量甩出這些巨大的“建筑場地”。最可能被甩出的殘骸天體是位于其所在行星系統(tǒng)邊緣的含冰天體。這些天體頗像來自于太陽系外圍的柯伊伯帶和奧爾特云中的彗星（請參見相關(guān)鏈接：《太陽系流浪者》）。

67P彗星。

隨著U1逐漸后退，科學家對它進行持續(xù)觀測。韋瑞的同事米茜預定了“哈勃空間望遠鏡”和兩部最大的地面望遠鏡（位于智利的“特大望遠鏡”和“雙子南方望遠鏡”）的觀測時段，專門觀測U1。她的團隊主要尋找三樣東西：彗星活動、借以確定U1形狀的一條光曲線以及U1表面任何揮發(fā)物或礦物質(zhì)的光譜特征。不久后，平常致力于尋找柯伊伯帶天體的英國貝爾法斯特王后大學行星學家班尼與夏威夷“雙子北方望遠鏡”中心的西瓦合作，希望了解U1的顏色。

實拍到的U1（上圖）；藝術(shù)家想象的U1（下圖）。

盡管U1的個頭相當于一顆小彗星，長不過幾百米，但它依然是非凡的。它就像彗星那樣倒栽蔥旋轉(zhuǎn)著穿行于太空，自轉(zhuǎn)周期為7～8小時。它的色調(diào)為暗紅，這一色調(diào)與歐空局“羅塞塔”飛船2014～2016年探測過的67P彗星相似。事實上，柯伊伯帶中大約15%的天體都呈暗紅色。在太陽系中，這種色彩源自46億年來太陽紫外光與簡單碳基分子（例如甲烷）反應(yīng)，生成被稱為“索林”的復雜紅色分子。

但U1與太陽系彗星的相似之處也就到此為止了。當來自太陽系深處的彗星飛到距離太陽較近的地方時，它們的一些冰會轉(zhuǎn)化為氣體，形成被稱為“彗發(fā)”的可見大氣層，經(jīng)常還會形成彗尾。米茜的團隊沒有發(fā)現(xiàn)UI有這類活動的證據(jù)。U1看起來更像是惰性的小行星。于是，U1的名稱被改為“A/2017 U1”，其中A代表小行星（英文為asteroid），接著又被改名為“11/2017 U1歐妙妙”。其中“歐妙妙”為夏威夷土著人用語譯音，意思是“遠方來客”，字母I指的是U1的星際（英文為interstellar）起源。

U1不像彗星，這表明它可能形成于靠近自己所在行星系統(tǒng)中心的地方。如果真是這樣，那就讓人震驚了。也有可能在U1于星際空間的漫長旅途中，由高能粒子（例如原子核）組成的宇宙射線不斷轟炸它，由此推動的化學反應(yīng)在U1表面形成了厚厚的索林層。班尼的同事菲芒推測，這樣的殼兒可能阻止了U1像彗星那樣在接近太陽時放氣和生成彗尾，或者，U1只不過是在被宇宙射線的轟擊之下失去了自己的冰。菲芒認為，U1開始時包含大量冰。

U1軌跡示意圖。

系外來客

U1的雙曲線軌道大大不同于圍繞太陽運行的彗星的閉合橢圓形軌道，這表明U1的發(fā)源地在太陽系以外。

一再驚奇

是因為它真的奇怪又奇怪

如今的U1看起來沒有冰，這并不是它帶給科學家唯一的大驚奇。米茜說，U1真正驚呆他們的是它的形狀。隨著U1后退，它一直倒栽蔥自轉(zhuǎn)。在U1后退的過程中，因為它表面反射光線的地貌面積不同，所以它的亮度持續(xù)改變。米茜觀測發(fā)現(xiàn)，U1亮度變化范圍為1～10倍，這意味著U1的長度是寬度的10倍。

這也讓科學家很吃驚：這樣的長寬比例，在太陽系天體中根本見不到。米茜推測，U1的長寬實際比例比10倍還要高，從我們的視線看去它的自轉(zhuǎn)軸可能是傾斜的，這樣一來，我們所看到的它的長度比實際要短。但其他一些科學家對此并不那么確信。美國加州大學的朱韋認為，由于我們以相對于太陽的一個角度觀測天體，因此光線可能只會從U1的一部分表面反射，這樣就可能造成它的形狀比較長的錯覺。通過自己的觀測，朱韋認為U1的長度是寬度的6倍。

如果真的只有6倍，那就不是前所未見的。但盡管如此，這樣的比例依然讓人驚訝。有科學家把U1說成是美國著名科幻作家克拉克的短篇小說《與拉瑪相遇》中50千米長的外星圓筒狀飛船“拉瑪”的縮減版。曾經(jīng)有一個名為“突破性聆聽”的致力于搜索外星文明的計劃。它甚至尋找過潛在的“拉瑪”飛船信號，但沒有成功。

如此看來，把U1設(shè)想為外星飛船屬于異想天開（請參見相關(guān)鏈接：《似是而非外星人》），我們只能為像U1這樣的外星系怪客尋找自然性解釋。朱韋指出，如果與U1同類的外星天體的形狀都和U1一樣，那就真有點怪了，因為它們的形成過程應(yīng)該和太陽系天體一樣。我們周圍的大多數(shù)天體都是圓胖的，科學家認為這是通過吸積過程形成這些天體的必然結(jié)果。

朱韋推測，U1可能只是統(tǒng)計學上的一個異常值。或者，一切天體在形成之時都是拉長的形狀，但在漫長歲月中因為屢遭碰撞而被打磨成球狀，而U1因為正好被逐出故鄉(xiāng)星系而免遭碰撞、打磨。但也有這種可能，即某種我們未知、與吸積模型不同的天體形成過程。

如果要更好地了解U1與太陽系天體的不同之處，那么就需要發(fā)現(xiàn)更多像U1這樣的“星際流浪者”，進行更好的比對。好消息是，既然已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這樣一個“流浪者”，那么下一個“星際流浪者”的出現(xiàn)就可能無須再等那么久。

一再發(fā)現(xiàn)

是因為它可能有很多很多

在2017年2月刊登于《天文學月刊》的一篇論文中，由夏威夷大學科學家因哈領(lǐng)導、菲芒等參與的一個團隊稱，在太陽系中發(fā)現(xiàn)系外天體的可能性很低。但U1的發(fā)現(xiàn)推翻了這一說法?！叭把蔡焱h鏡”直到2016年底才開始能探測像U1這樣的系外天體，當時該望遠鏡的第二分鏡首次看見U1的光，而如今科學家又在地球與太陽之間距離一半處發(fā)現(xiàn)了第二個“U1”（系外天體）的影子。

大型綜合巡天望遠鏡（示意圖）。

朱韋把這種情況比喻為在迷霧中行船。船上的你可能會以為你們的船是孤獨的，直到另一艘經(jīng)過的船的魅影出現(xiàn)。根據(jù)這次目擊、你的可見范圍和你見到這艘船所花的時間，你可以測算你的船所在海域可能有多少艘被迷霧遮掩的船。

以此為依據(jù)，朱韋估計在海王星軌道以內(nèi)，隨時都有1萬個與U1大小相仿的系外天體穿越太陽系。每年有1000個這樣的系外天體離開太陽系，又有1000個進來。朱韋指出，雖然這個估計讓人難以置信，但他的估算結(jié)果的確如此。進一步推測的結(jié)果是，在銀河系恒星之間流浪的這類天體數(shù)量多達1×10²⁶個。

韋瑞則相信，我們可能已經(jīng)見到過不少的系外天體，卻沒有意識到它們來自太陽系以外。他說：“這樣的情況發(fā)生過許多次——我們看見過一個疑似近地天體一次，但之后再也沒看見它?！边@可能是因為它們的雙曲線軌道把它們帶到了科學家從未想過要尋找的地方。為提升找到系外天體的概率，韋瑞正在編寫幫助找尋位于雙曲線軌道中天體的代碼。

2022年，位于智利的口徑為8.4米的“大型綜合巡天望遠鏡”將投入使用。屆時，找到系外天體的可能性更大。“大型綜合巡夫望遠鏡”能進行迄今為止最大范圍的全天巡天，每晚采集海量數(shù)據(jù)，因而該望遠鏡屆時將能夠發(fā)現(xiàn)幾十個甚至幾百個系外天體，從而讓科學家能夠解答U1帶來的那些耐人尋味的問題：系外天體中是彗星那樣的多，還是巖石星球那樣的多？它們所在星系正在發(fā)生什么？它們的形狀是否都像U1的這么奇怪，還是U1是一個另類？它們的顏色能告訴我們星際旅行對它們有哪些影響嗎？

在被發(fā)現(xiàn)之后幾個月，U1已經(jīng)離開地球大約6億千米，它偏離黃道面（地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道平面）20°角。到2018年5月，它已經(jīng)經(jīng)過木星軌道，向飛馬星座方向飛去，或許在那個方向它會讓其他行星系統(tǒng)的外星人對它好奇。

班尼說，U1這個系外來客在地球近旁的出現(xiàn)給人安慰。孤島上出現(xiàn)的一片浮木，能告訴我們遙遠海岸上有樹木生長。以同樣的方式，U1向我們傳遞了可見的信號：我們正在開始了解行星系統(tǒng)是怎樣形成和演化的。

U1來自何方？

弄清像U1這樣的系外來客的發(fā)源地，將為這些天體的背景情況提供大量信息。雖然現(xiàn)在還不能對這類天體下任何定論，但通過回溯它們的軌跡和模擬恒星運動以調(diào)查哪些天體可能會近距離經(jīng)過地球，就能對這類天體做出一些有理由的猜測。

有科學家提出，U1來自大約440光年外的昴宿星團。但也有科學家通過測算認為，U1形成于位于南天球的船底星座和天鴿座中的年輕星團。不管這兩種猜測中哪一種正確，U1都應(yīng)該很年輕：如果前一種猜測正確，U1的年齡就不超過1.5億年；如果后一種猜測正確，U1的年齡就不到4500萬年。