“奥陌陌”可能是一座氢分子冰山

2020-07-01 00:11:02 来源:网络

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。

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。”

原文链接:

https://www.scientificamerican.com/article/a-hydrogen-iceberg-from-a-failed-star-might-have-passed-through-our-solar-system/

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