自2017年被发现以来,第一个造访太阳系的已知星际物体——一颗细长的雪茄状天体“Oumuamua”(夏威夷语,意为“最先到达的远方信使”)一直笼罩着神秘的气氛。

它是如何形成的,又从何而来?4月13日发表在《自然天文学》杂志上的一项新研究为这些问题提供了第一个全面的答案。

第一作者、中国科学院国家天文台的张云和加州大学圣克鲁兹分校的道格拉斯·n·c·林利用计算机模拟展示了像“Oumuamua”这样的天体是如何在地球海洋感受到的潮汐力的影响下形成的。他们的形成理论解释了“Oumuamua”的所有不寻常的特征。

加州大学圣克鲁兹分校天文学和天体物理学名誉教授林说:“我们证明了‘oumuamua类的星际物体可以通过母星与母星的近距离碰撞产生大量的潮汐碎片,然后被喷射到星际空间。’”

神秘的对象

夏威夷的全景调查望远镜和快速反应系统1号(Pan-STARRS1)于2017年10月19日发现了Oumuamua。它干燥的表面、异常细长的形状和令人困惑的运动甚至让一些科学家怀疑它是否是一个外星探测器。

“它确实是一个神秘的物体,但一些迹象,比如它的颜色和没有无线电辐射,表明‘Oumuamua是一个自然物体,’”张说。

林说:“我们的目标是在充分理解物理原理的基础上,提出一个全面的方案,把所有诱人的线索拼凑在一起。”

天文学家曾预计,他们发现的第一个星际物体将是一个像彗星一样的冰体。奥尔特云是太阳系最外围的彗星聚集地,像奥尔特云这样的冰质天体,在离它们的主恒星很远的地方演化,富含挥发性物质,由于引力的相互作用,它们经常被抛出它们的主星系。由于挥发性化合物的升华,当彗星被太阳加热时,会产生彗发(或“尾巴”),因此它们也很容易被发现。“然而,Oumuamua干燥的外表与太阳系的小行星等岩石天体相似,这表明了不同的喷发场景。”

其他研究人员已经计算出,像“Oumuamua”这样的星际物体的数量一定非常大。“Oumuamua的发现意味着岩石星际物体的数量比我们之前认为的要多得多,”张说。“平均而言,每个行星系统应该喷射出大约100万亿个像‘Oumuamua’这样的天体。我们需要构建一个非常常见的场景来生成这种对象。”

当一个较小的天体非常接近一个大得多的天体时,较大的天体的潮汐力会把较小的天体撕成碎片,就像苏梅克-列维9号彗星接近木星时发生的情况一样。潮汐的破坏过程可以将一些碎片喷射到星际空间,这被认为是“Oumuamua”的可能起源。但这样的过程能否解释“Oumuamua的令人困惑的特征”仍然是高度不确定的。

计算机模拟

张和林用高分辨率的计算机模拟模拟了一颗恒星附近飞行的物体的结构动力学。他们发现,如果物体离恒星足够近,恒星会把它撕成极长的碎片,然后喷射到星际空间。

“当我们考虑到恒星碰撞过程中材料强度的变化时,拉长的形状更引人注目。”长轴和短轴的比例甚至可以超过十比一。”

研究人员的热模型显示,最初的星体被破坏后,碎片的表面会在离恒星很短的距离内融化,并在更远的距离内重新凝聚,从而形成一个紧密的地壳,从而确保拉长形状的结构稳定性。

“恒星潮汐分裂过程中的热量扩散也消耗了大量的挥发物,这不仅解释了‘Oumuamua’的表面颜色和没有可见的彗发,而且也说明了推断的星际人口的干燥度,”张说。“然而,一些高升华温度的挥发物,比如水冰,会以凝聚的形式存在于地表之下。”

对Oumuamua的观察显示没有彗星活动,只有水冰是可能的气体来源来解释它的非重力运动。如果“Oumuamua”是由张和林的设想产生并喷发出来的,那么在它穿越太阳系的过程中,大量剩余的水冰可能会被激活。由此产生的气体逸出会导致加速,与“Oumuamua彗星般的轨迹”相匹配。

张说:“潮汐碎片化的场景不仅提供了一种形成单一‘Oumuamua’的方法,而且也解释了大量类似小行星的星际物体。”

研究人员的计算证明了潮汐力产生这种物体的效率。可能的起源,包括长周期彗星、碎片盘,甚至是超级地球,都可能在与恒星相遇时变成“oumuamua大小的碎片”。

这项工作支持了对大量类似oumuamua的星际物体的估计。由于这些天体可能会经过可居住带的区域,因此不能排除它们可能会运输能够产生生命的物质(称为生源说)。“这是一个非常新的领域。这些星际物体可以为行星系统的形成和进化提供重要的线索。”

林说:“‘Oumuamua只是冰山一角。我们预计,未来在即将建成的维拉·c·鲁宾天文台的观测中,会发现更多具有类似特征的星际游客。”

美国海军学院天文学家马修·奈特(Matthew Knight)是“Oumuamua国际空间科学研究所”团队的负责人之一,他没有参与这项新研究。他说,这项工作“用一个单一的、连贯的模型解释了Oumuamua的各种不同寻常的特性,做得很出色”。

“随着未来的星际物体在未来几年被发现,观察是否有类似于oumuamua的展览将会非常有趣。”如果是这样,这可能表明研究中描述的过程是广泛存在的,”奈特说。