星際怪客闖進太陽系

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天文學

星際怪客闖進太陽系
星際怪客闖進太陽系

2021-01-01 傑維特(David Jewitt)、莫洛-馬丁(Amaya Moro-Martin)

天文學家首次發現兩顆來自太陽系外的天體,正為觀測到的各種特徵困惑不解。

2017年10月24日晚上,傑維特(本文作者之一)收到一封電子郵件,捎來關於天空中一顆軌跡奇特的新天體消息,內容相當吸引人,寄件者是美國航太總署(NASA)噴射推進實驗室的天文學家法諾奇亞(Davide Farnocchia)。六天前,夏威夷大學的天文學家韋雷克(Robert Weryk)發現這顆一開始稱為P10Ee5V的天體,它速度很快,太陽的重力無法使它留在太陽系。事實上,天文學家最初預期此天體的運行軌道是封閉橢圓,結果卻是開放式的曲線,也就是說,它不會返回太陽系。法諾奇亞寫道:「還需要更多資料,但軌道看來是雙曲線。」幾個小時後,傑維特寫信給挪威的長期合作者劉麗杏(Jane Luu),希望運用西班牙的北歐光學望遠鏡(Nordic Optical Telescope)觀測這顆新天體。同時,世界各地許多天文台也搶著觀測它。


天文學自此開啟一個新紀元。這顆天體後來命名為C/2017 U1(C代表彗星),之後又改為A/2017 U1(以小行星命名),最後稱為斥侯星(1I/'Oumuamu1a),成為有史以來第一次在太陽系內觀測到來自太陽系之外的天體。1I代表第一顆已知的星際天體,而'Oumuamu1a是夏威夷語「第一個來自遠方的信使」,此名稱是由韋雷克和同事提出,他們使用位在夏威夷茂伊島的泛星計畫(Pan-STARRS)望遠鏡獲得此一發現。


天文學家一開始便注意到,斥候星相對於太陽的運行速度極快:即使已考慮太陽重力的影響,斥侯星的速度仍有每秒26.3公里。太陽系內天體無法對斥侯星產生這樣的推力,而太陽的重力無法抓住一顆速度這麼快的天體,因此斥侯星一定來自太陽系之外。


至於斥候星經歷了什麼樣的旅程呢?依據目前所知,它可能在銀河系裡遊蕩了數億年。觀測結果顯示,斥候星來自天琴座亮星織女星的方向,不過它從該位置飛來太陽系需時約30萬年,當時織女星並不在那裡。


雖然天文學家長久以來即相信,終將有星際天體飛掠太陽系,不過真正觀測到這類天體時依然非常驚喜。一年前,任職於夏威夷大學的英格赫特(Toni Engelhardt)與同事進行全面分析,結論是找到星際天體的機會相當渺茫,因為這類天體太小且太暗。但是當天文學家對斥侯星更深入了解,一開始的驚喜全變成困惑:所有的特徵都與預期背道而馳,包括它的形狀、大小及有別於彗星等性質。如果星際天體的特徵都是這樣,那麼我們還有很多該探究的事。


外星人的傑作?


根據北歐光學望遠鏡以及其他望遠鏡的觀測資料,天文學家很快發現,斥侯星缺乏彗星的典型特徵:彗尾以及由冰與塵埃昇華而成的彗髮環繞在周圍。它除了獨特的軌道之外,看起來就像固態小行星。令人吃驚的是,斥候星來自平均溫度比絕對零度僅高一些的星際空間,卻缺乏冰昇華的證據;水是宇宙中第二豐富的分子,僅次於氫分子,理當要存在。


然後是關於斥候星的形狀。天文學家藉由小行星的亮度做為測量尺寸大小的標準,越大的天體會把越多太陽光反射到地球。根據斥侯星的平均亮度,天文學家估計它的直徑約100公尺;與多數小行星相比,它顯得較小。的確,如果斥侯星飛掠路徑是多數小行星所在的小行星帶,我們則永遠看不見它。幸運的是:它近距離飛掠地球(相距約6000萬公里,為太陽與地球間平均距離的40%)。多數小行星像是在太空中自轉的塊狀馬鈴薯,亮度隨著它們以較大或較小的一側朝向地球而週期變化。在觀測上,這類自轉會產生「光變曲線」(light curve),天文學家可透過亮度變化得知小行星的自轉週期,並估計它的大小。2017年12月,天文學家發表斥侯星的光變曲線分析結果:自轉週期約八小時,與太陽系的小行星相比並無特別。但是多數小行星自轉時的亮度變化幅度約10~20%,斥侯星卻達到前所未見的10倍,代表它的形狀極度扁平,有時是大而明亮的平面,有時只是非常狹窄的側面。


斥侯星的大小與外型比例像是大型火箭,例如高110公尺、寬10公尺的農神五號,令人大感驚訝。天文學家巡天搜尋小行星與彗星時,確實經常再次發現繞行太陽的廢棄火箭,例如2000年時發現的2000 SG344,可能是阿波羅任務留下的物體。但是斥侯星運行的軌道太奇特,不可能是1960年代的火箭。難道是外星文明發射的火箭嗎?這聽起來不可思議,但是根據既有資料,天文學家無法立即否定這個可能性。


正當天文學家為此苦惱之際,他們再次驚訝。2018年,歐洲太空總署(ESA)的義大利天文學家米榭利(Marco Micheli)和同事發表了斥侯星運行軌道形狀的測量結果,顯示除了太陽與行星的重力之外,還有微弱但類似火箭產生的推力在推動它。


眾所周知,彗星具有所謂「非重力的作用力」(non gravitational force),這是由彗核面對太陽那側的冰揮發時產生的不對稱推力。但是斥侯星並非彗星,而且質量完全沒有減少,無法以此原因解釋;或許斥侯星只噴出氣體,所以比彗星塵埃難觀測到?確實有可能,而這種性質使斥侯星顯得獨特:天文學家還不知道哪顆天體只噴發氣體而不噴發塵埃或冰。米榭利認為,斥侯星噴發的塵埃顆粒可能較大,只是望遠鏡沒有觀測到。


2018年11月,美國哈佛史密森尼天文物理中心的比亞利(Shmuel Bialy)和羅布(Avi Loeb)提出,這股非重力的作用力來自太陽光對於照射的天體所施加的微弱壓力。然而就我們所知,若斥侯星承受輻射壓後會運動,它要嘛就像麥拉板(Mylar,用來製造慶生會氣球的鍍鋁塑膠)一樣極薄,要嘛密度極低。比亞利和羅布認為斥侯星可能是「光帆」,一艘由外星文明設計的飛船,平坦但像船帆,藉由星光推動而穿越太空。


雖然這個想法很有趣,但多數天文學家傾向相信斥侯星是自然天體。2019年2月莫洛-馬丁(本文作者之一)計算出,斥候星若由太陽光推動,密度必須是空氣的1/100。這類宇宙小塵埃「冰狀碎形集合體」可能在其他恆星的原行星盤外圍形成,原行星盤是初生行星匯聚冰與塵埃的構造。2020年夏天,挪威奧斯陸大學的劉麗杏、弗列科(Eirik FlekkOy)和圖森特(Renaud Toussaint)提出,斥侯星是由活躍彗星彗髮的塵埃顆粒逐漸匯聚而成,然後脫離彗星。這類顆粒在地球上仍屬未知,但可能存在於星際空間這類極度真空的環境中。

【欲閱讀全文或更豐富內容,請參閱〈科學人知識庫〉2021年第227期01月號】