神秘天體「奧陌陌」可能是一座氫分子冰山

兩位天文學家說，2017 年發現的星際來客「奧陌陌」可能代表了一類全新的天體。

一團巨大的分子雲的合成圖像。分子雲中充滿了塵埃和氣體，是恆星誕生的搖籃，可能正是某個分子雲孕育了這個奇怪的星際物體「奧陌陌」。圖片來源：NASA, CXC, PSU and L. Townsley et al. (x-ray); NASA and JPL-Caltech (infrared)

來源Scientific American

撰文 Jonathan O'Callaghan

翻譯 吳娜

審校 戚譯引

我們的太陽是一艘船，我們的銀河就是大海。隨著宇宙流的移動，太陽每兩億三千萬年左右就會帶著它的行星環繞銀河系一圈。在大多數情況下，這次旅行都是孤獨的，除非，偶爾會與另一顆恆星近距離接觸。但幾年前，似乎發生了一些不同尋常的事情。當我們的太陽穿越這片遼闊、壯麗的星海時，可能遇到了一座宇宙冰山，一塊巨大的漂浮在太空中的氫冰。儘管這種情況看起來不太可能發生，但考慮到它可能涉及一種以前從未見過的新類型的天體，其證據看起來可信而不可思議，並且影響深遠。

這個想法是由芝加哥大學的 Darryl Seligman 和耶魯大學的 Gregory Laughlin 在《天體物理學雜誌快報》（Astrophysical Journal Letters）上發表的一篇論文中得出的結論（論文預印本可在 arXiv.org 查看）。他們研究了一個名為「奧陌陌」（『Oumuamua）的天體的現有數據，這是 2017 年 10 月在太陽系發現的第一個星際物體。從那時起，關於它是彗星還是小行星的爭論就開始了，沒有人知道確切的答案。然而 Seligman 和 Laughlin 認為，這個物體既不是彗星也不是小行星，「我們提出，奧陌陌是由氫分子冰組成的，它本質上是一座氫冰山。」

天文學家第一次發現「奧陌陌」時，它已經過了距離太陽最近的階段，正在離開太陽系的路上。這種情況使得觀測有些困難，但研究人員還是能夠辨別出該物體的一些特徵。據觀測，它大約有 400 米長，形狀像一支雪茄，大約每 8 小時就可以旋轉一圈，速度很快。根據它在太陽系中高速運行的軌跡，天文學家推斷它誕生於其他星系，因為它的運動速度太快，無法與太陽緊密結合。但有點令人驚訝的是，「奧陌陌」在離開時表現出了輕微但顯著的加速，這與預期情況正好相反，因為這樣的外太空物體本該與太陽引力對抗。「這太奇怪了，」Seligman 說，「這裡存在一種（把它）持續推離太陽的力，其大小約為太陽引力加速度的千分之一。」

學界試圖對這種異常加速現象進行解釋，認為可能是被陽光加熱的水冰噴射到太空，反推物體前進。但 Laughlin 和 Seligman 認為，這個現象自身不可能產生足夠大的力來解釋觀測到的加速現象。Seligman 說：「除非它有超過 200% 的表面積被水覆蓋。」為了尋求更合理的解釋，研究人員檢查了其他類型的冰，這些冰可能產生了足以解釋加速現象的強大噴射流。這其中最有效的是氫。「因為氫分子冰的結合非常鬆散，所以氫分子冰只需要覆蓋表面積的 6%，就足以實現該現象。」Seligman 說。

「奧陌陌」藝術構想圖。圖片來源：Wikipedia

這種情況本身就會對「奧陌陌」的來源指出了一些非常有趣的可能方向。氫冰在 -267 攝氏度的極低溫下升華（由固體變為氣體），這僅略高於太空的環境溫度，-270 攝氏度。這一事實表明富含氫冰的「奧陌陌」一定是在極端寒冷的地方形成的。這樣一個寒冷的發源地最有可能存在於一個巨大的分子雲中，它由數十到數百光年寬的塵埃和氣體聚集而成，恆星便在這裡形成。

在數百萬年的時間裡，一個典型的巨大分子雲中大約 1% 的物質會在引力的作用下聚集在一起形成恆星。在消散之前，每一片分子雲都能產生數千顆恆星以及無數的原恆星核（protostellar core）。原恆星核的大小與太陽系相當，是不成熟的氣體團塊，其密度從未達到足夠大，無法開始核聚變，「啟動」成為成熟的恆星。它們的深處沒有光線，密度較大，環境便冷到足以形成氫冰。

「如果想獲得這麼多的氫冰，你就得從一個非常非常冷的環境開始。」亞利桑那大學的 Shuo Kong 如是說，他是分子雲方面的專家，為 Laughlin 和 Seligman 的研究提供反饋，但他沒有直接參與這項研究。「離我們不太遠的最冷的環境就是分子雲內部的這些原恆星核，它們核心區域的溫度非常低，很可能就是形成『奧陌陌』的地方。」

如果這個想法是正確的，那麼該物體將為我們提供一個前所未有的機會，以理解這些恆星形成的「大汽鍋」。Laughlin 說：「分子雲中恆星形成的過程效率很低，而原因還沒有完全弄清楚。如果這裡會形成這樣的分子氫物體，這便告訴我們有些雲的溫度必須變得非常低，密度也必然變得相對較高。這為了解恆星和行星的形成環境提供了一個非常有趣的校準點。」

這個理論雖然看起來很奇怪，但它似乎可以解釋很多關於「奧陌陌」的奇怪現象。除了不尋常的加速度，還可以揭示為什麼它以每秒 26 公裡的速度進入我們的太陽系——這很接近太陽相對於附近其他恆星的平均速度。因為那個物體沒有向我們移動，反而是我們朝它駛去，它只是一動不動地待在它最初的原恆星核未能變成恆星的地方。

「奧陌陌」不尋常的雪茄形狀也可以用這個理論來解釋。它可能形成於 1 億年之內，最初形成的時候可能比現在大三倍，呈球形，而且 99% 的成分是氫冰。冰可能在接近太陽並且第一次被加熱的時候就被磨損了，最終縮小成細長的形狀，就像一塊肥皂隨著時間的推移，被磨成細長的薄片一樣。

作為一項為期四年的調查的一部分，「奧陌陌」的發現如此迅速和容易，這一事實也給理論天文學家們提出了一個問題。如果它是一顆星際彗星或小行星，就像在 2019 年發現的無可爭議的星際彗星 Borisov 一樣，那麼這個結論表明這些天體可能比我們之前認為的要普遍 100 倍。相比之下，「奧陌陌」起源於分子雲的理論表明，既然我們這麼快就發現了它，那麼銀河系中可能有數十億乃至更多的這樣的物體。太空望遠鏡科學研究所（Space Telescope Science Institute）的 Amaya Moro-Martin 在去年提出了一個關於「奧陌陌」起源的不同理論，她說：「儘管我們只觀察到一個物體，但它暗示這類物體以很高的數量密度存在。這個提議可能會解決這個問題。」

在「奧陌陌」上進一步檢驗這個理論已經不可能，它早已從我們的視線中消失了。但幸運的是，天文學家遲早會對關於它的預測進行評估。如果他們發現一個類似的星際闖入者進入我們的太陽系，他們可以觀察到該物體隨著氫冰升華發生的質量變化。未來建成的天文望遠鏡可能會發現更多信息，如智利的 Vera C. Rubin 天文臺，它將於 2022 年開始對太陽系進行為期十年的觀測。

對該理論進行研究在科學上提供了許多誘人的可能，因此有人提議使用太空飛行器觀測其中一些天體，例如歐洲的彗星攔截器（Comet Interceptor），同時繼續進行遠程觀測。漂浮在宇宙的海洋裡，這些未能形成恆星的氫冰山可能正等待著我們揭開秘密。Seligman說：「它們的數量非常多，我們實際上有可能近距離研究它們。」