人類確認發現的第一個星際天體奧陌陌的起源剛被揭曉。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林潮教授的研究論文，揭示了這類星際天體的形成機制和成為星際天體的過程。論文提出的新模型表明奧陌陌可能是被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奧陌陌的所有特徵。

2017年10月，天文學家發現了一顆闖入太陽系的系外小天體，國際天文學聯合會將其命名為“奧陌陌”（1I/’Oumuamua）。作為人類觀測到的首個星際天體，奧陌陌的到來引起了全球廣泛關注。與此同時，奧陌陌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。奧陌陌長約為100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。奧陌陌在運動過程中伴隨著快速旋轉，並且它的自轉軸不固定。

藝術家描繪的奧陌陌潮汐撕裂形成過程（來源：北京天文館/喻京川）

在奧陌陌被發現之前，現有的行星系統理論認為彗星更容易被其原有行星系統甩出，並且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奧陌陌屬於彗星的猜想。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，從而推測奧陌陌是一顆小行星而非彗星。然而在對奧陌陌軌道數據進行統計研究後發現，只有引入一個相當大的非引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引力加速度，但這似乎不能解釋擁有小行星外表的奧陌陌。而因太陽光壓作用引起的非引力加速度僅對具有超大面積-質量比的物體才有效——這需要奧陌陌具有超乎尋常的疏鬆結構。在奧陌陌消失兩年後，關於它的形狀和非引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，甚至有科學家猜測奧陌陌與外星生物存在有所關聯。

左：藝術家描繪的奧陌陌（來源：ESO/M。 Kornmesser）； 右：張-林數值模擬得到的奧陌陌（來源：國家天文台/張韻）

“奧陌陌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奧陌陌的母體被恆星的潮汐作用撕裂，並將奧陌陌甩出原系統，”論文第一作者與通訊作者張韻談到，“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”。

通過使用超級計算機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。在奧陌陌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奧陌陌的小天體。

近距飛越恆星潮汐撕裂過程（來源：國家天文台/張韻）

“類似奧陌陌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，才能夠解釋奧陌陌闖入太陽系事件的發生概率。”張韻補充道。通過分析可能的母體來源及數量分佈，他們發現從數千米直徑的彗星到地球大小的行星均有可能是類奧陌陌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奧陌陌的出現概率。

隨著我國和國際上各個巡天望遠鏡的建設和投入使用，未來將會在太陽系內發現更多的星際天體，到那時，我們將會更深入地了解這些天體的性質，對星際天體的數量有著更精確的評估。奧陌陌國際空間科學研究所共同負責人馬修·奈特評價道：“在奧陌陌之後，我們不得不徹底改變我們對於星際天體的認知。這項研究提出的星際天體形成機制出色地解釋了關於奧陌陌的所有謎團，我們期待在未來幾年內會發現新的星際天體，看看它們是否具有類似奧陌陌的性質將是非常有趣的。如果是這樣，則可能表明這個機制描述的過程是普遍的”。

耶魯大學天文系教授格雷戈里·拉夫林表示，這項研究非常巧妙地運用行星系統演化過程的普遍現象解釋了奧陌陌所有的特徵，顯示了星際間物質擴散的高效性，為人類理解行星系統的形成和演化提供了關鍵線索。由於這些星際天體在被甩出前反復經過原行星系統的宜居帶，組成生命的有機物質可能通過這些天體在星際間傳播，為人類探索生命起源的奧秘提供了新的思路。

北京時間4月13日，國際學術期刊《自然·天文》（Nature Astronomy） 在線發布了該研究成果。論文鏈接：

https：//www.nature.com/articles/s41550-020-1065-8

作者簡介

張韻：中國科學院國家天文台博士後，主要從事小行星和彗星結構動力學和穩定性研究，為NASA DART任務的小行星系統動力學科學團隊成員，參與了JAXA隼鳥二號和NASA冥王號的著陸採樣任務分析工作。