第二个“天外来客”路过了太阳系
2019-12-25 14:44

第二个“天外来客”路过了太阳系

本文来自微信公众号:Nature自然科研(Nature-Research),作者:  Alexandra Witze,原文标题:《奥陌陌后继有星:第二个天外来客路过了太阳系》,题图来自:NASA


研究人员正努力探索首批从宇宙深处进入我们太阳系的星体的意义。


从夏威夷最高的山峰,到安第斯山脉的高原,在未来几周,地球上一些最大的望远镜都将对准一个微弱的光斑。同样关注着这片天空的,还有克里米亚的业余天文学家Gennady Borisov和其他许多的天文爱好者。他们牺牲晚上的睡眠,然后在白天上班的时候打盹度过,只为不错过这个千载难逢的机会。


在哈勃太空望远镜的延时摄影图像中,2I/Borisov彗星显示为一个模糊的蓝点,旁边的恒星变成了条状的背景。NASA/ESA/D. Jewitt (UCLA)/J. DePasquale (STScI)


他们正在寻找的是一个稀有的访客,它即将迎来自己最接近太阳的时刻(译者注:该稀有访客已于12月8日从最近处经过太阳)。在那之后,他们要利用仅有的几个月的时间,在这个星体彻底消失在宇宙的黑暗中之前,从它身上获取尽可能多的信息。


几百万年前,这块由岩石和冰组成的星体,从地球以外许多光年的地方开始了自己的旅程。让这个星体离开自己邻居的,是剧烈的引力作用——可能来自附近的行星,也可能来自经过的恒星。从那时起,它就一直在恒星之间的空间里漂泊,最终朝着我们的方向进发。


8月30日,Borisov在黎明前的天空中发现了这个星体。它发出昏暗的光线,带着一根粗短的尾巴。后来,这个天体被以发现者的名字命名为2I/Borisov彗星。它引起了全球的关注,因为它是除了神秘的星际尘埃之外,第二个从星际空间进入我们的太阳系的星际天体。Borisov说:“这是我发现的第八颗彗星,而它竟是如此的神奇。”他补充道,“我能发现这么独特的星体真的是太幸运了。”


它与第一个星际闯入者截然不同。第一个闯入太阳系的,是一个名为1I/‘Oumuamua(奥陌陌)的小型、深色岩石外观的星体。它在2017年飞越了太阳系。这两个星际天体共同重写了研究人员对冰封天体的理解。据估计,整个银河系中漂浮着多达10^26个这样的天体。 


奥陌陌和2I/Borisov给我们提供了很多的信息。比如,这是我们第一次对环绕在年轻恒星周边的碎片云团的物理与化学性质进行直接的观察,而行星正是在这些碎片云团中诞生的。来自其它行星系的这些样本,能够让科学家们探索太阳系的奥秘:它是独一无二的呢,还是和银河系里的其它星系有着同样的组成部分。


由于天文学家在2I/Borisov 即将进入太阳系的途中就发现了它,因此他们就有了好几个月的时间来对它进行研究。奥陌陌就不同了。科学家们发现奥陌陌的时候,它已经要离开太阳系了,只来得及对它匆匆地一瞥。因此,他们希望通过2I/Borisov了解到更多的东西,例如,是哪些化学成分构成了它冰封的彗核。这是科学家们迄今为止,对在其它恒星系形成的天体进行的最好的观察。


来源:Simone Golob/Getty


随着世界各地的望远镜持续在天空中探测这些亮度微弱、移动快速的星体,研究人员预计,他们将在未来几年内发现更多的星际闯入者。英国贝尔法斯特女王大学的行星天文学家Michele Bannister说:“看着这个新的领域突然出现,再看着它发展壮大,真的是太有趣了。”


源自尘埃


星际天体的生命很可能起源于一些冰封的微粒。这些微粒聚集在一个围绕着年轻恒星的由气体和尘埃组成的圆盘之中。同样也是在这个地方,行星从一个小的内核开始生长,在碰撞和引力作用下,一路乒乒乓乓,最后进入到环绕着恒星的不同轨道中去。


行星穿过这些冰封微粒的方式,就像铲雪车推过一堆冰雹一样。模拟结果表明,这些行星把超过90%的“冰雹”都甩出了恒星的影响范围,让它们进入星际空间,并散落在各个角落,独自漂泊。如果它们恰好和另一颗恒星足够靠近,就会被其引力所吸引,完成一次快速的造访。


天文学家曾预期,他们看到的第一个星际天体看起来会像是一颗典型的彗星。太阳系中的大多数彗星来自遥远的奥特星云,那是一个冰封的世界,到太阳的距离比冥王星远差不多1000倍。时不时地,一些扰动就会让一颗彗星离开奥特星云,朝太阳前进;在它不断接近太阳并升温的时候,彗核就会喷出尘埃和气体,形成一个典型的彗尾。


但是,当第一个星际访客出现时,它看起来和常规的彗星很不相同。奥陌陌很小,周身只有200 米左右,还是岩石质地的。而且它的形状像是一根雪茄,不停地来回翻滚。以上所有的这些,就是科学家们在奥陌陌离开太阳系之前所能搞清楚的全部问题1


研究人员于2017年发现了我们太阳系中的第一个星际天体,并将其命名为奥陌陌。来源:ESO/M. Kornmesser


相比之下,2I/Borisov 看起来更像是一颗普通的彗星。研究人员也有更充裕的时间对其进行研究。位于檀香山的夏威夷大学天体生物学家Karen Meech 说:“我们非常想知道这颗彗星的化学成分,看它是否与太阳系彗星的化学成分不同。”


2I/Borisov 颜色发红,而且持续稳定地向外喷射尘埃颗粒2,3。它的彗核相对较小,也许只有一公里宽,但这种情况在太阳系的彗星里也是存在的。


“在奥陌陌之后,我们不得不彻底改变我们对于星际天体的认知,”马里兰大学彗星专家Matthew Knight说,“但是,到目前为止的第二颗经过太阳系的星际天体,看起来却或多或少又和我们所认为的、从另一颗恒星里弹出来的彗星该有的样子差不多了。现在我感觉好多了。”这表明,其它世界形成的恒星系可能与我们的恒星系非常相似。


关于2I/Borisov的进一步发现来得很快。在人类首次观测到2I/Borisov仅仅三周后,位于西班牙加那利群岛上的直径达4.2米的威廉·赫歇耳望远镜就取得了进展。天文学家使用该望远镜对这颗彗星展开了针对性的观测,并发现了它流出的氰化物气体分子4。这是人类有史以来第一次检测到系外访客释放出的气体。


10月11日,另一个研究小组在新墨西哥州使用一个3.5米的望远镜发现了该彗星上的氧气5。氧气可能来自于彗核内部水分的分解,这是研究人员第一次在太阳系里发现来自另一个恒星系的水。总的来看,从这颗彗星里喷出的氰化物和水的量,与天文学家从许多其它天体上观测到的结果相比,并没有什么太令人惊奇的。


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克里米亚的业余天文学家Gennady Borisov是最早发现这颗彗星的人,而这颗彗星也以他的名字命名。图片来源:Yulia Zhulikova


中佛罗里达大学佛罗里达太空研究所的天文学家Maria Womack表示,他们正密切关注着当2I/Borisov更靠近太阳、从而被加热的时候,能不能从中发现其它的分子,比如一氧化碳。这将进一步揭示出2I/Borisov与太阳系里的彗星有多类似(或者有多不同)


早期的观测还表明,2I/Borisov的C2和C3等碳链分子的含量可能相对较低6与之类似,太阳系中有约30%的彗星也缺乏含碳分子。它们通常来自于相对更靠近太阳的地方,而不是远方的奥特星云。 


几个月过去了,天文学家收集到了更多有关2I / Borisov的观测结果,他们希望可以进一步了解它所起源的行星盘。“弄清楚其它星系和我们的星系在构成要素上的异同,是非常令人兴奋的。”耶鲁大学天文学研究生Malena Rice说。


研究人员还希望搞清楚,星际天体在出现在太阳系之前,是如何穿越外太空的。有估计表明,这些星体在绕银河系中心运行时,会受到许多力的作用,包括偶尔遇到的其它恒星,抑或是银河系潮汐产生的推力。一些科学家试图计算出奥陌陌和2I/Borisov 可能形成于哪些恒星系。但要追溯其运行轨迹是很困难的7,这个难度就好比从最后一个酒吧开始,还原出一个在伦敦串酒吧的人去过的所有酒吧。


其它的问题还包括,我们什么时候能等来下一个星际访客,以及它与奥陌陌和2I/Borisov有何不同。科学家们也没想到,在数十年毫无结果的搜索之后,会在这么短的时间里连续出现两个星际访客。一直致力于计算星际访客出现频率8的夏威夷大学小行星专家Robert Jedicke说:“第二个星际访客来得太快了,我到现在还感到困惑和震惊。”贝尔法斯特女王大学的天文学家Alan Fitzsimmons说:“它们就像公共汽车一样,你等了几十年也等不来一个,然后一下子就有两个几乎同时出现了。”


现在,一些天文学家正在仔细研究已经归档的数据,以查看几年前发现的星体里,有没有研究人员当时没认出来的星际访客。2022年,大型综合巡天望远镜(Large Synoptic Survey Telescope)将在智利投入使用。届时,它将每三个晚上就完成一次对整个可见天空的观测。因此,未来发现星际访客的频率,甚至有望提高到一年就发现一个的程度。欧洲航天局也一直在研究一种名为彗星拦截器(Comet Interceptor)的航天器概念,它可以在未来的星际天体飞越太阳时,对它们进行访问。


一旦天文学家“攒够”十几二十个星际天体,他们就应该会对这些深空流浪者的真实情况有一个更好的了解。“最终,我们将把银河系看成是一种我们会在里面交换行星系产物的存在,”Bannister说,“那将是一种完全不同的研究天文学的方式。”


参考文献:

1.Bannister, M. T. et al. Nature Astron. 3, 594–602 (2019).

2.Bolin, B. T. et al. Preprint at http://arxiv.org/abs/1910.14004 (2019).

3.Guzik, P. et al. Nature Astron. https://doi.org/10.1038/s41550-019-0931-8 (2019).

4.Fitzsimmons, A. et al. Astrophys. J. Lett. 885, L9 (2019).

5.McKay, A. J., Cochran, A. L., Dello Russo, N. & DiSanti, M. A. Preprint at https://arxiv.org/abs/1910.12785 (2019).

6.Opitom, C. et al. Preprint at https://arxiv.org/abs/1910.09078 (2019).

7.Hallatt, T. & Wiegert, P. Preprint at https://arxiv.org/abs/1911.02473 (2019).

8.Engelhardt, T. et al. Astron. J. 153, 133 (2017).


原文以How two intruders from interstellar space are upending astronomy为标题发表在2019年11月20日的《自然》新闻特写上


本文来自微信公众号:Nature自然科研(Nature-Research),作者:  Alexandra Witze

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