那些宇宙中的流浪者

謝懿

近幾年來，天文學(xué)中正刮起一場打破常規(guī)、突破范式和模糊類別的旋風(fēng)。引發(fā)這場風(fēng)暴的正是宇宙中一系列最不可能的天體：流浪天體。

這一切都始于1996年，當(dāng)時哈勃空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了游離在星系引力束縛之外的流浪恒星。兩年后，又發(fā)現(xiàn)了第一顆疑似流浪的行星，它不圍繞任何一顆恒星旋轉(zhuǎn)，反倒在太空中自由穿行。此后，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了十幾顆潛在的流浪行星、兩個星際天體以及數(shù)百顆從銀河系奔向仙女星系的流浪恒星。

這些不同尋常的天體打破了天文學(xué)家以宿主系統(tǒng)對天體進(jìn)行分類的傳統(tǒng)——衛(wèi)星隸屬于行星，行星隸屬于恒星，恒星屬于星系，等等。一旦突破這個等級式的框架，可以想象宇宙中充滿了沒有宿主行星的衛(wèi)星、沒有宿主恒星的行星，以及沒有宿主星系的恒星或黑洞。雖然還沒有確切而嚴(yán)格的定義，但流浪天體一般是指擺脫了原有系統(tǒng)隸屬關(guān)系的天體。幸運(yùn)的是，新一代空間和地面望遠(yuǎn)鏡將會解開它們身上的秘密。

星際闖入者

此前發(fā)現(xiàn)的兩個流浪天體就在太陽系中，2017年10月發(fā)現(xiàn)的奧陌陌和2019年8月發(fā)現(xiàn)的鮑里索夫星際彗星。它們都是意料之外的發(fā)現(xiàn)，是已知第一批來自太陽系之外的訪客。

從表面上看，鮑里索夫彗星似曾相識，它有著與太陽系彗星類似的大小和行為。然而，重大的差別就在于速度和軌跡。鮑里索夫彗星在雙曲線軌道上運(yùn)動，速度高達(dá)32千米/秒。這兩點(diǎn)意味著它并非太陽系的原住民。其運(yùn)動速度過高，太陽的引力無法束縛住它。類似于奧陌陌的開放軌道表明，它并非起源自太陽系，并且最終也會離開太陽系。

另一邊的奧陌陌則在每個方面都顯得特立獨(dú)行。它的形狀如同長棍面包，長是寬的6倍。雖然它的運(yùn)動速度比鮑里索夫彗星慢得多，但也足以飛出太陽系。每過4個小時，其亮度就會發(fā)生變化，明暗度相差12倍，表明它會在太空中翻滾。沒有彗發(fā)（即彗核的蒸發(fā)物）說明它是一顆巖質(zhì)小行星，但隨著它不斷遠(yuǎn)離太陽，奇怪的事情發(fā)生了——它在加速。對此最有可能的解釋是它因太陽加熱而釋放出氣體。如果真是如此，那它就應(yīng)該形成一個由氣體和塵埃組成的彗發(fā)，并且自轉(zhuǎn)速率也會加快。但這兩點(diǎn)都沒有出現(xiàn)。

外星冰山

那么，奧陌陌究竟是一顆彗星、小行星還是其他什么東西？在過近日點(diǎn)之后大約40天，我們就已無法再看見它了，由此也失去了了解其特性的關(guān)鍵信息。有人提出，它是外星飛船或光帆，但大多數(shù)天文學(xué)家都表示反對，因?yàn)闆]有探測到它發(fā)出的任何無線電信號，而它足球場般的長度會需要一張薄如紙的帆才能產(chǎn)生觀測到的加速度。其他科學(xué)家則提出了更加自然的解釋——它在陽光直射的地方排出氣體，并隨著自轉(zhuǎn)直射點(diǎn)的不斷變化，它像單擺一樣來回滾動，它的表面也在向陽和背陰的交替中被不斷加熱和冷卻。

最近，有人提出奧陌陌可能是一座氫冰山。長久以來，科學(xué)界一直猜想存在星際分子氫冰，但從未真的探測到。這是一種神秘的物質(zhì)，一些宇宙學(xué)家曾相信分子云中就包含了大量分子氫冰，它們充當(dāng)了把星系束縛在一起的暗物質(zhì)。

由于從未探測到該物質(zhì)成分，因此這一解釋確實(shí)會顯得有點(diǎn)牽強(qiáng)。但如果真的有分子氫冰存在，那么就完全可以用它解釋發(fā)生在奧陌陌身上的現(xiàn)象。除了這一解釋，其他可能的排氣機(jī)制要么易于探測，要么會排出大量氣體，都與觀測結(jié)果不符。而分子氫冰因?yàn)槠潆y以探測，且可以作為增壓推進(jìn)劑，甚至是目前最好的加速劑。雖然氮和其他物質(zhì)也能奏效，但這需要其整個表面都被這些物質(zhì)覆蓋，而分子氫冰只需要零散分布即可實(shí)現(xiàn)同樣效果。它還能解釋奧陌陌的長條形——它在受陽光照射時，長軸表面會接收到更多光線，因此會以更快的速度融化。這很像我們用花灑沖淋肥皂，肥皂也會縮小變成長條形。

對太陽系中的居民來說，已經(jīng)不會再見到奧陌陌了，于是，我們也永遠(yuǎn)無法知道到底發(fā)生了什么。不過，僅在兩年的時間里就恰巧發(fā)現(xiàn)了奧陌陌和鮑里索夫這兩個星際天體，這也在一定程度上說明，在我們的太陽系中，應(yīng)該還存在許多類似的天體。

幸運(yùn)的是，發(fā)現(xiàn)它們所需的技術(shù)很快就會問世。位于智利的薇拉·魯賓天文臺計(jì)劃于2023年投入運(yùn)轉(zhuǎn)。它擁有一臺能夠拍攝32億像素照片的相機(jī)，可以每3個晚上就對整個天空進(jìn)行一次巡視，開展具有里程碑意義的為期10年的宇宙研究，由此可以發(fā)現(xiàn)近在太陽系中的星際天體和近地小行星，以及遠(yuǎn)在宇宙深處的超新星和伽馬射線暴。

流浪行星

到21世紀(jì)20年代末，美國航空航天局（NASA）計(jì)劃發(fā)射南?！じ窭捉z·羅曼空間望遠(yuǎn)鏡來尋找另一類流浪天體——流浪行星，即不圍繞任何恒星公轉(zhuǎn)的行星。羅曼空間望遠(yuǎn)鏡具有與哈勃空間望遠(yuǎn)鏡相當(dāng)?shù)姆直媛?，其視場卻是后者的100倍，并且具有能穿透銀河系塵埃和氣體的紅外觀測能力。它的主要目標(biāo)是搜尋太陽系外行星，研究暗物質(zhì)和暗能量。根據(jù)最新的研究，羅曼空間望遠(yuǎn)鏡很有可能會發(fā)現(xiàn)一些同樣驚人的東西，那就是數(shù)量比可見恒星還要多的流浪行星。

雖然銀河系中可能充滿了流浪行星，但目前對它們還沒有一個明確的定義。奧陌陌的發(fā)現(xiàn)表明，在太陽系內(nèi)外可能一直存在著許多極低質(zhì)量的自由運(yùn)動天體，只是眼下有了更好的探測手段才發(fā)現(xiàn)了它們。

羅曼空間望遠(yuǎn)鏡最令人興奮的地方之一就是它可以探測到質(zhì)量和冥王星相當(dāng)?shù)牧骼诵行?，為此它會利用微引力透鏡等多種方法。地面觀測團(tuán)隊(duì)已由此發(fā)現(xiàn)了一些流浪行星候選體。一個多世紀(jì)前，愛因斯坦就預(yù)言了引力透鏡——一個大質(zhì)量天體的引力場會彎曲并放大其后方的天體所發(fā)出的光。當(dāng)一顆流浪行星從一顆距離更遠(yuǎn)的恒星前方經(jīng)過時，它也會放大后者的亮度。這一亮度變化事件的持續(xù)時間和流浪行星的質(zhì)量有關(guān)。質(zhì)量越小，微引力透鏡事件持續(xù)的時間就越短。

位于智利的光學(xué)引力透鏡實(shí)驗(yàn)正在使用一架1.3米口徑的望遠(yuǎn)鏡來搜尋這樣的事件。目前觀測到的絕大多數(shù)事件持續(xù)時間都是幾天，是由恒星造成的。流浪行星引發(fā)的微引力透鏡事件持續(xù)時間只有幾個小時。此前發(fā)現(xiàn)了一個質(zhì)量比地球還小的流浪行星候選體，其導(dǎo)致的微引力透鏡事件時長打破了紀(jì)錄，為41.5分鐘。除了事件持續(xù)的時間之外，流浪行星的質(zhì)量也決定了背景恒星的亮度隨時間的變化，即光變曲線。綜合羅曼空間望遠(yuǎn)鏡和地面魯賓天文臺的觀測結(jié)果，可以估計(jì)出微引力透鏡事件中流浪行星的距離，更加精確地測定它的質(zhì)量。此外，導(dǎo)致上述事件的也有可能是一顆行星，但它到其宿主恒星的距離是日地距離的至少8倍。

對流浪行星的起源，科學(xué)家提出了多種可能性。一種解釋是，在其宿主恒星演化成紅巨星時，行星會從該系統(tǒng)中逃逸，成為流浪行星。這是因?yàn)?，在這個過程中恒星會拋射外部包層，其質(zhì)量和所能施加的引力都會減小，對其最遙遠(yuǎn)行星的束縛能力也隨之下降。當(dāng)太陽演化到晚期時，天王星和海王星很可能也會脫離太陽的束縛。另一種解釋認(rèn)為，一顆恒星從另一個恒星系統(tǒng)附近經(jīng)過時，可以剝離距宿主恒星較遠(yuǎn)的行星，使其自由運(yùn)動。第三種解釋是，在形成初期，行星間會競相吸積物質(zhì)生長，并頻繁發(fā)生相互作用，質(zhì)量較大的行星會把質(zhì)量較小的行星散射出該系統(tǒng)。

一些疑似流浪行星的天體實(shí)則可能是已經(jīng)熄滅的褐矮星。它們已經(jīng)耗盡了所有的氘，無法產(chǎn)生足夠的壓強(qiáng)和熱量來啟動其他的核反應(yīng)。為了燃燒氘，這些褐矮星最初的質(zhì)量都在木星的13倍以上。隨著能支撐其自身物質(zhì)的輻射壓不斷下降，它們會冷卻并收縮。

已知溫度最低的褐矮星溫度為-23℃，比地球表面的平均溫度還低。那么它究竟是一顆行星，還是一顆褐矮星？這是眼下的一大爭議熱點(diǎn)。

雖然發(fā)現(xiàn)了不少候選體，但目前還無法確認(rèn)它們是否真是流浪行星，還是某顆距離其宿主恒星較遠(yuǎn)的行星。這需要等到下一代30米口徑巨型望遠(yuǎn)鏡投入使用才會得知結(jié)果。借由其強(qiáng)大的分辨能力，通過測量天體在天空中的運(yùn)動，可以把這些行星可能的宿主恒星和背景恒星區(qū)分開。

任性的衛(wèi)星

如果行星能去流浪，那它們的衛(wèi)星呢？在恒星系統(tǒng)中，對流浪衛(wèi)星的搜尋也已開始。這些衛(wèi)星先前繞著行星運(yùn)動，但由于某些原因掙脫了行星的引力束縛，進(jìn)入了獨(dú)立于其原始宿主行星且環(huán)繞恒星公轉(zhuǎn)的軌道。由于太陽系外衛(wèi)星的數(shù)目應(yīng)該會遠(yuǎn)超行星，因此存在流浪衛(wèi)星的可能性極高。但要想探測到它們，就算是對下一代技術(shù)手段而言也極為困難。

目前，科學(xué)界對流浪衛(wèi)星的認(rèn)識都來自理論模型。計(jì)算機(jī)模擬顯示，在宿主行星與其宿主恒星的劇烈相互作用下，會形成流浪行星。熱類木星會以螺旋般的軌跡向內(nèi)運(yùn)動靠近其宿主恒星，其軌道半徑尚不足水星軌道的大小。隨著它不斷接近宿主恒星，潮汐力就會開始撕扯它。在引力和摩擦力復(fù)雜的共同作用下，行星的潮汐隆起會降低它的自轉(zhuǎn)速度，但會抬高它周圍衛(wèi)星的軌道。隨著衛(wèi)星軌道的升高，行星和衛(wèi)星間的束縛力就會減小，直至宿主恒星的引力把這顆衛(wèi)星從其行星旁剝離。

當(dāng)這樣一顆巨行星及其衛(wèi)星所圍繞的宿主恒星隸屬于一個雙星系統(tǒng)時，被剝離出來的衛(wèi)星就有可能成為一顆流浪衛(wèi)星。第二顆恒星的引力會把行星推到一條大偏心率軌道上，把它送到非?？拷渌拗骱阈堑牡胤?。由此，衛(wèi)星會在恒星的引力作用下脫離行星的束縛，進(jìn)入一條獨(dú)立的軌道。

研究顯示，在這個過程中，僅有約10%的衛(wèi)星能存活下來，其余的會飛入恒星、撞上行星或者被恒星的輻射氣化，留下一個由塵埃、氣體和殘骸構(gòu)成的環(huán)。這些殘骸環(huán)會不斷使得其宿主恒星的視亮度變暗。沒有成功逃逸而被摧毀的衛(wèi)星，也解釋了為什么有些太陽系外行星會擁有幾十道光環(huán)。

這些現(xiàn)象幾乎都會發(fā)生，但問題是它們發(fā)生的概率是否足以產(chǎn)生能被現(xiàn)有儀器設(shè)備探測到的事件。到目前為止，這些殘骸環(huán)也許是推測流浪衛(wèi)星存在的最佳機(jī)會。畢竟，就算在某顆恒星周圍發(fā)現(xiàn)了流浪衛(wèi)星，也很難把它和普通行星區(qū)分開。這個問題還沒有被審慎地研究過，也許天文學(xué)家將來會在不知情的狀態(tài)下尋找到這些流浪衛(wèi)星。

流浪恒星

如果衛(wèi)星可以掙脫行星，行星可以掙脫恒星，那么恒星是否也能掙脫星系呢？100多年前，問這個問題都是沒有意義的，因?yàn)楫?dāng)時認(rèn)為銀河系就是整個宇宙。就算是當(dāng)時最頂尖的天文學(xué)家，說不定也會嘲笑存在眾多星系的想法。但是，1908年亨利埃塔·萊維特發(fā)現(xiàn)造父變星可以用來測量距離，此后的1924年，埃德溫·哈勃對仙女星系中的造父變星進(jìn)行了測量，由此證明宇宙中包含了無數(shù)個星系。在異常強(qiáng)大的引力束縛下，每一個星系又可能包含了數(shù)十億顆恒星。

很難想象恒星可以從星系中逃脫。然而，1997年哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在室女星系團(tuán)中發(fā)現(xiàn)了數(shù)百顆游蕩的紅巨星，它們不屬于任何一個星系。2005年，又發(fā)現(xiàn)有恒星正在以240萬千米/時的速度飛離銀河系。幾年前，在銀河系的邊緣發(fā)現(xiàn)了數(shù)百顆超高速星，它們正在飛向仙女星系。與此同時，天文學(xué)家開始使用搭載在探空火箭上的近紅外望遠(yuǎn)鏡來探測原初星系發(fā)出的光。結(jié)果探測到了一片微弱且彌散的光，但它太藍(lán)也太亮了，不可能來自極為遙遠(yuǎn)的天體，因?yàn)楹笳叩墓鈺幻黠@地紅移到頻率更靠近紅端的波段上。由此得出結(jié)論，這些光來自流浪恒星，且宇宙中流浪恒星的數(shù)目遠(yuǎn)超此前人們的想象。

這些恒星很有可能是在星系間發(fā)生碰撞時被拋射出來的。這些碰撞往往十分劇烈，星系在并合長大的同時，也會拋射出很多物質(zhì)。極為遙遠(yuǎn)的流浪恒星興許有助于解決重子物質(zhì)缺失問題——在宇宙學(xué)中，即便加上所有已知的星系，仍有大量本該被觀測到的物質(zhì)和光不見了蹤影。

重子缺失問題并非暗物質(zhì)問題，后者充滿整個宇宙，并且是維系星系的主要引力源。如果把所有可見星系的光加起來，其總和差不多與星系之外所有流浪恒星的光總量相當(dāng)。對這些孱弱的輝光還有其他更加另類的解釋，例如暗物質(zhì)的衰變等。但流浪恒星似乎是所有解釋中最佳的選擇。

目前，人類正在計(jì)劃發(fā)射新的探空火箭，其探測能力可以延伸到可見光波段，這將有助于證明這些輝光確實(shí)源于星光。

眼花繚亂

星系際流浪天體還不止于此。在室女星系團(tuán)中，有一些球狀星團(tuán)會在星系間的空隙中游蕩。有人懷疑它們其實(shí)是在環(huán)繞著居無定所的黑洞轉(zhuǎn)動，后者是在星系間的相互作用下被拋射出來的。不僅如此，有天文學(xué)家把流浪天體的質(zhì)量推向了極致。他們計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在環(huán)繞星系中心超大質(zhì)量黑洞轉(zhuǎn)動的氣體和塵埃盤中，可以形成不圍繞任何恒星轉(zhuǎn)動的行星，其質(zhì)量可以達(dá)到地球的3000倍。這些黑洞行星會被束縛在距離黑洞視界10光年的范圍內(nèi)運(yùn)動。

可見流浪天體的世界令人眼花繚亂。衛(wèi)星可以成為流浪衛(wèi)星，失敗的恒星可以成為流浪恒星，星際小行星表現(xiàn)得像彗星，黑洞會孕育出黑洞行星。天文學(xué)家相信，在銀河系的恒星之間也許飄浮著許許多多的行星，在宇宙中的星系之間則游蕩著許多恒星。隨著望遠(yuǎn)鏡看得越來越深入，各色天體就會越來越豐富，不斷顛覆我們對太陽系、銀河系乃至更遙遠(yuǎn)宇宙的認(rèn)識。