劉聲遠(yuǎn)

科學(xué)家最近首次證實有太陽系外天體進(jìn)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(xué)的博士后都會進(jìn)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(yù)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?！叭把蔡焱h(yuǎn)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(yuǎn)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(dāng)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(rèn)為它應(yīng)該出現(xiàn)的地方。韋瑞當(dāng)時想：“一定有什么地方出錯了?！彼⒓唇o目前就職于歐洲空間局（簡稱歐空局）的夏威夷大學(xué)研究生米奇打電話。米奇當(dāng)時正指揮位于西班牙一座島上的歐空局“光學(xué)地面望遠(yuǎn)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(xué)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(yuǎn)地方的來客?？茖W(xué)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(xué)由此進(jìn)入了一個新紀(jì)元，但也帶來了有關(guān)行星系統(tǒng)（包括太陽系）形成機(jī)制的一系列基本問題。

一再改名

是因為對它的認(rèn)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(rèn)證頁面。到了2017年10月25日，已經(jīng)有足夠的跟進(jìn)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(xué)家預(yù)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(dāng)恒星從一團(tuán)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(xué)家對它進(jìn)行持續(xù)觀測。韋瑞的同事米茜預(yù)定了“哈勃空間望遠(yuǎn)鏡”和兩部最大的地面望遠(yuǎn)鏡（位于智利的“特大望遠(yuǎn)鏡”和“雙子南方望遠(yuǎn)鏡”）的觀測時段，專門觀測U1。她的團(tuán)隊主要尋找三樣?xùn)|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(xué)行星學(xué)家班尼與夏威夷“雙子北方望遠(yuǎn)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(dāng)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(fù)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(dāng)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(tuán)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(yuǎn)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(xué)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(rèn)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(xué)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(xué)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(xué)家對此并不那么確信。美國加州大學(xué)的朱韋認(rèn)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(rèn)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(xué)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(xué)家認(rèn)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(xué)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(jìn)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(xué)月刊》的一篇論文中，由夏威夷大學(xué)科學(xué)家因哈領(lǐng)導(dǎo)、菲芒等參與的一個團(tuán)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(yuǎn)鏡”直到2016年底才開始能探測像U1這樣的系外天體，當(dāng)時該望遠(yuǎn)鏡的第二分鏡首次看見U1的光，而如今科學(xué)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(yuǎn)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(jìn)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(jìn)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(dá)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。”這可能是因為它們的雙曲線軌道把它們帶到了科學(xué)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(yuǎn)鏡”將投入使用。屆時，找到系外天體的可能性更大?！按笮途C合巡夫望遠(yuǎn)鏡”能進(jìn)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(yuǎn)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(xué)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(yuǎn)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(xué)家提出，U1來自大約440光年外的昴宿星團(tuán)。但也有科學(xué)家通過測算認(rèn)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(tuán)。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。