人類確認發現的第一個星際天體首使星起源揭曉

中國科學院國家天文台張韻博士與美國加州大學聖克魯茲分校（University of California, Santa Cruz）林潮教授的研究揭開首使星（1I/ʻOumuamua）這類星際天體的形成機制和成為星際天體的過程。新模型顯示首使星可能是原行星系統中恆星的潮汐作用撕碎並甩出的碎片，數值模擬結果首次全面系統地複現了首使星的所有特徵。

2017年10月，天文學家發現一顆闖入太陽系的系外小天體，國際天文聯會命名為首使星。作為人類觀測到的首個星際天體，首使星的到來引起了全球廣泛關注。同時首使星獨特的性質也引發了學術界對原有星際天體形成和演化機制的重新討論。首使星長約為一百米，長短軸的比例為6:1≈10:1，遠遠大於已知太陽系內小天體的長短軸比例，具有極其特殊的狹長外形。首使星在運動過程中伴隨著快速旋轉，並且它的自轉軸不固定。

在首使星發現之前，現有的行星系統理論認為彗星更容易被原有行星系統甩出，由於彗星比同尺寸的小行星更為明亮，可觀測到的星際天體應多為彗星。因此，天文學家希望利用觀測的手段驗證首使星屬於彗星的猜想。但是，即便調用了幾乎所有的天文望遠鏡，人們都沒有發現它有向外噴射氣體和塵埃的跡象，從而推測首使星是一顆小行星而非彗星。然而在對首使星軌道數據進行統計研究後發現，只有引入一個相當大的非重力項才能使其軌跡得到合理解釋。彗星的向外噴氣行為能夠提供這樣的一個非重力加速度，但這似乎不能解釋擁有小行星外表的首使星。而因太陽光壓作用引起的非重力加速度僅對具有超大面積-質量比的物體才有效，這需要首使星具有超乎尋常的疏鬆結構。在首使星消失兩年後，關於它的形狀和非重力加速度的謎團仍未解開，它的起源和成為星際天體的過程令天文學家們十分困惑，甚至有科學家猜測首使星與外星生物存在有所關聯。

中國科學院國家天文台張韻博士指出，首使星的光譜性質顯示它在原來的行星系統中曾經受到恆星的強烈熱輻射，這個特徵可以通過近距飛越恆星產生，而如此近距離的接觸可能使得首使星的母體被恆星的潮汐作用撕裂，並將首使星甩出原系統，正是這一個最平凡的性質啟發了我們著手研究潮汐撕裂星際天體形成理論。

通過使用超級電腦對天體近距飛越恆星過程中的結構和熱力學演化展開高分辨率的數值模擬研究，他們發現恆星的潮汐力會將天體撕碎成許多的細長型碎片，同時潮汐作用可使部分碎片的速度增大至超過恆星的逃逸速度，使它們成為星際天體。這些碎片具有翻滾旋轉的特徵，長短軸的比例大多數高於5:1，有些甚至能夠高於10:1。在潮汐撕碎過程中，這些碎片的表面因恆星熾熱灼烤而融化。當遠離恆星時，融化的表面重新凝結使得碎片的整體結構具有很強的粘結力，從而可以維持所形成的細長形狀的結構穩定性。恆星的熱輻射同時也會加熱這些碎片內部，使得它們體內的可揮發性氣體（如一氧化碳等）大量消耗殆盡。

因此，它們的光譜性質具有小行星的特徵並失去了明顯的彗星活動表現。同時，熱力學分析顯示，一些昇華溫度較高的可揮發性物質（如水冰等）能夠在地下數十厘米處保存完好。在首使星的太陽系短途旅行中，這些剩餘的水冰可被太陽的熱輻射激活噴發，提供了所觀測到的非引力加速度。由於潮汐力的強度隨著恆星密度的增大而增強，這種潮汐撕裂現象能夠發生在密度較大的矮恆星附近。而對於太陽而言，其密度相對較低，不足以產生這樣的現象，因此太陽系內並未發現類似首使星的小天體。

類似首使星的星際天體穿越太陽係不應該是一個偶然事件，從概率上估計，每個太陽系周圍的恆星系統平均至少可以產生百萬億數量級的類似星際天體，才能夠解釋首使星闖入太陽系事件的發生概率。張韻博士補充：「通過分析可能的母體來源及數量分佈，他們發現從數公里直徑的彗星到地球大小的行星均有可能是類首使星星際天體在被潮汐撕碎甩出前的母體，所產生的星際天體數量恰好可以解釋首使星的出現概率。」

【圖、文：節錄自中國科學院國家天文台2020年4月14日新聞公佈；新聞訊息由林景明提供】 研究全文刊登在2020年4月13日出版的《自然-天文》期刊

「首使星」中國陸譯做「奥陌陌」，台灣譯做「斥候星」