两位天文学家说，2017 年发现的星际来客“奥陌陌”可能代表了一类全新的天体。
一团巨大的分子云的合成图像。分子云中充满了尘埃和气体，是恒星诞生的摇篮，可能正是某个分子云孕育了这个奇怪的星际物体“奥陌陌”。图片来源：NASA, CXC, PSU and L. Townsley et al. (x-ray); NASA and JPL-Caltech (infrared)
来源 Scientific American
撰文 Jonathan O'Callaghan
翻译 吴娜
审校 戚译引
我们的太阳是一艘船，我们的银河就是大海。随着宇宙流的移动，太阳每两亿三千万年左右就会带着它的行星环绕银河系一圈。在大多数情况下，这次旅行都是孤独的，除非，偶尔会与另一颗恒星近距离接触。但几年前，似乎发生了一些不同寻常的事情。当我们的太阳穿越这片辽阔、壮丽的星海时，可能遇到了一座宇宙冰山，一块巨大的漂浮在太空中的氢冰。尽管这种情况看起来不太可能发生，但考虑到它可能涉及一种以前从未见过的新类型的天体，其证据看起来可信而不可思议，并且影响深远。
这个想法是由芝加哥大学的 Darryl Seligman 和耶鲁大学的 Gregory Laughlin 在《天体物理学杂志快报》（Astrophysical Journal Letters）上发表的一篇论文中得出的结论（论文预印本可在 arXiv.org 查看）。他们研究了一个名为“奥陌陌”（‘Oumuamua）的天体的现有数据，这是 2017 年 10 月在太阳系发现的第一个星际物体。从那时起，关于它是彗星还是小行星的争论就开始了，没有人知道确切的答案。然而 Seligman 和 Laughlin 认为，这个物体既不是彗星也不是小行星，“我们提出，奥陌陌是由氢分子冰组成的，它本质上是一座氢冰山。”
天文学家第一次发现“奥陌陌”时，它已经过了距离太阳最近的阶段，正在离开太阳系的路上。这种情况使得观测有些困难，但研究人员还是能够辨别出该物体的一些特征。据观测，它大约有 400 米长，形状像一支雪茄，大约每 8 小时就可以旋转一圈，速度很快。根据它在太阳系中高速运行的轨迹，天文学家推断它诞生于其他星系，因为它的运动速度太快，无法与太阳紧密结合。但有点令人惊讶的是，“奥陌陌”在离开时表现出了轻微但显著的加速，这与预期情况正好相反，因为这样的外太空物体本该与太阳引力对抗。“这太奇怪了，”Seligman 说，“这里存在一种（把它）持续推离太阳的力，其大小约为太阳引力加速度的千分之一。”
学界试图对这种异常加速现象进行解释，认为可能是被阳光加热的水冰喷射到太空，反推物体前进。但 Laughlin 和 Seligman 认为，这个现象自身不可能产生足够大的力来解释观测到的加速现象。Seligman 说：“除非它有超过 200% 的表面积被水覆盖。”为了寻求更合理的解释，研究人员检查了其他类型的冰，这些冰可能产生了足以解释加速现象的强大喷射流。这其中最有效的是氢。“因为氢分子冰的结合非常松散，所以氢分子冰只需要覆盖表面积的 6%，就足以实现该现象。”Seligman 说。
“奥陌陌”艺术构想图。图片来源：Wikipedia
这种情况本身就会对“奥陌陌”的来源指出了一些非常有趣的可能方向。氢冰在 -267 摄氏度的极低温下升华（由固体变为气体），这仅略高于太空的环境温度，-270 摄氏度。这一事实表明富含氢冰的“奥陌陌”一定是在极端寒冷的地方形成的。这样一个寒冷的发源地最有可能存在于一个巨大的分子云中，它由数十到数百光年宽的尘埃和气体聚集而成，恒星便在这里形成。
在数百万年的时间里，一个典型的巨大分子云中大约 1% 的物质会在引力的作用下聚集在一起形成恒星。在消散之前，每一片分子云都能产生数千颗恒星以及无数的原恒星核（protostellar core）。原恒星核的大小与太阳系相当，是不成熟的气体团块，其密度从未达到足够大，无法开始核聚变，“启动”成为成熟的恒星。它们的深处没有光线，密度较大，环境便冷到足以形成氢冰。
“如果想获得这么多的氢冰，你就得从一个非常非常冷的环境开始。”亚利桑那大学的 Shuo Kong 如是说，他是分子云方面的专家，为 Laughlin 和 Seligman 的研究提供反馈，但他没有直接参与这项研究。“离我们不太远的最冷的环境就是分子云内部的这些原恒星核，它们核心区域的温度非常低，很可能就是形成‘奥陌陌’的地方。”
如果这个想法是正确的，那么该物体将为我们提供一个前所未有的机会，以理解这些恒星形成的“大汽锅”。Laughlin 说：“分子云中恒星形成的过程效率很低，而原因还没有完全弄清楚。如果这里会形成这样的分子氢物体，这便告诉我们有些云的温度必须变得非常低，密度也必然变得相对较高。这为了解恒星和行星的形成环境提供了一个非常有趣的校准点。”
这个理论虽然看起来很奇怪，但它似乎可以解释很多关于“奥陌陌”的奇怪现象。除了不寻常的加速度，还可以揭示为什么它以每秒 26 公里的速度进入我们的太阳系——这很接近太阳相对于附近其他恒星的平均速度。因为那个物体没有向我们移动，反而是我们朝它驶去，它只是一动不动地待在它最初的原恒星核未能变成恒星的地方。
“奥陌陌”不寻常的雪茄形状也可以用这个理论来解释。它可能形成于 1 亿年之内，最初形成的时候可能比现在大三倍，呈球形，而且 99% 的成分是氢冰。冰可能在接近太阳并且第一次被加热的时候就被磨损了，最终缩小成细长的形状，就像一块肥皂随着时间的推移，被磨成细长的薄片一样。
作为一项为期四年的调查的一部分，“奥陌陌”的发现如此迅速和容易，这一事实也给理论天文学家们提出了一个问题。如果它是一颗星际彗星或小行星，就像在 2019 年发现的无可争议的星际彗星 Borisov 一样，那么这个结论表明这些天体可能比我们之前认为的要普遍 100 倍。相比之下，“奥陌陌”起源于分子云的理论表明，既然我们这么快就发现了它，那么银河系中可能有数十亿乃至更多的这样的物体。太空望远镜科学研究所（Space Telescope Science Institute）的 Amaya Moro-Martin 在去年提出了一个关于“奥陌陌”起源的不同理论，她说：“尽管我们只观察到一个物体，但它暗示这类物体以很高的数量密度存在。这个提议可能会解决这个问题。”
在“奥陌陌”上进一步检验这个理论已经不可能，它早已从我们的视线中消失了。但幸运的是，天文学家迟早会对关于它的预测进行评估。如果他们发现一个类似的星际闯入者进入我们的太阳系，他们可以观察到该物体随着氢冰升华发生的质量变化。未来建成的天文望远镜可能会发现更多信息，如智利的 Vera C. Rubin 天文台，它将于 2022 年开始对太阳系进行为期十年的观测。
对该理论进行研究在科学上提供了许多诱人的可能，因此有人提议使用航天器观测其中一些天体，例如欧洲的彗星拦截器（Comet Interceptor），同时继续进行远程观测。漂浮在宇宙的海洋里，这些未能形成恒星的氢冰山可能正等待着我们揭开秘密。Seligman说：“它们的数量非常多，我们实际上有可能近距离研究它们。”
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论文信息
【时间】May 28, 2020
【期刊】Astrophysical Journal Letters
【DOI】10.3847/2041-8213/ab963f
【摘要】‘Oumuamua (I1 2017) was the first macroscopic (l ∼ 100 m) body observed to traverse the inner solar system on an unbound hyperbolic orbit. Its light curve displayed strong periodic variation, and it showed no hint of a coma or emission from molecular outgassing. Astrometric measurements indicate that ’Oumuamua experienced non-gravitational acceleration on its outbound trajectory, but energy balance arguments indicate this acceleration is inconsistent with a water ice sublimation-driven jet of the type exhibited by solar system comets. We show that all of ‘Oumaumua’s observed properties can be explained if it contained a significant fraction of molecular hydrogen (H2) ice. H2 sublimation at a rate proportional to the incident solar flux generates a surface-covering jet that reproduces the observed acceleration. Mass wasting from sublimation leads to monotonic increase in the body axis ratio, explaining ‘Oumuamua’s shape. Back-tracing ‘Oumuamua’s trajectory through the Solar System permits calculation of its mass and aspect ratio prior to encountering the Sun. We show that H2-rich bodies plausibly form in the coldest dense cores of Giant Molecular Clouds, where number densities are of order n ∼ 105, and temperatures approach the T = 3 K background. Post-formation exposure to galactic cosmic rays implies a τ ∼ 100 Myr age, explaining the kinematics of ‘Oumuamua’s inbound trajectory.
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