关于首次探测到的星际物体，科学家们目前已知的一切

2017年10月24日深夜，一封电子邮件传来，带来了令人兴奋的天文消息。美国国家航空航天局喷气推进实验室的天文学家达维德·法尔诺基亚正在给我们其中一位作者（Jewitt）写信，内容是关于天空中一个轨迹非常奇怪的新物体。这个物体最初被命名为P10Ee5V，是夏威夷大学当时的博士后研究员罗伯特·韦里克在六天前发现的，它的速度非常快，太阳无法将其束缚在轨道上。它预测的路径不是闭合的椭圆，而是开放的轨道，表明它将一去不复返。“我们仍然需要更多数据，”法尔诺基亚写道，“但轨道似乎是双曲线的。”几个小时内，Jewitt给长期合作者简·卢，一位与挪威有联系的合作者写信，询问是否可以用西班牙的北欧光学望远镜观测这个新物体。世界各地的许多其他天文台也同时争先恐后地想要观测到它。

天文学的新时代由此开启。这个物体先是被重新命名为C/2017 U1（“C”代表“彗星”），然后是A/2017 U1（代表“小行星”），最终定名为1I/’Oumuamua。事实证明，这个物体是天文学家在太阳系中见过的第一个起源于太阳系之外的天体。其名称中的“1I”表明了其作为首个已知星际物体的官方地位，而名称‘Oumuamua——夏威夷语中“来自远方的先行信使”——是由韦里克及其同事提出的，他们使用了位于夏威夷茂宜岛的Pan-STARRS望远镜进行了这项发现。

最初引起观测者注意的是该物体相对于太阳的极端速度。在考虑了太阳引力的拉力后，‘Oumuamua的超额速度为每秒26公里（每小时58,000英里）。与太阳系天体的任何相互作用都无法产生如此大的推动力，而太阳的引力也无法捕获如此快速移动的物体；‘Oumuamua必定来自太阳系之外。

支持科学新闻事业

如果您喜欢这篇文章，请考虑支持我们屡获殊荣的新闻事业，方式是 订阅。通过购买订阅，您将帮助确保关于塑造我们今天世界的发现和思想的具有影响力的故事能够延续下去。

这个物体经历了怎样的旅程？我们所能判断的是，它可能已经在银河系中漂流了数亿年。观测表明，它来自天琴座中明亮的恒星织女星的方向，尽管大约在30万年前‘Oumuamua到达那里时，织女星并不在同一个位置。

尽管天文学家长期以来一直认为星际天体会穿过太阳系，但真正找到一个还是一个很大的惊喜。就在前一年，当时在夏威夷大学的托尼·恩格尔哈特和他的同事们进行了一项详尽的分析，结论是识别这样的星际入侵者的前景“似乎很渺茫”——他们认为这些天体太小太暗，我们不太可能找到它们。但随着我们对‘Oumuamua了解的更多，我们的惊讶变成了彻底的困惑。从它的形状和大小到它缺乏彗星般的特性，一切都与我们的预期背道而驰。如果这是一个来自更广阔宇宙的典型访客，那么我们还有很多东西要学习。

外星人造物还是宇宙尘埃兔子？

来自北欧光学望远镜和其他望远镜的观测很快表明，‘Oumuamua缺乏彗尾和周围由升华的尘埃和冰直接从固态转变为气态的彗发——这是彗星的标志。相反，除了其独特的轨道外，‘Oumuamua看起来像一颗岩石小行星。尽管如此，考虑到它来自星际空间，那里的平均温度仅比绝对零度高几度，但没有证据表明冰升华是令人震惊的。水是宇宙中含量最丰富的分子，仅次于分子氢，应该存在。

然后是物体的形状。天文学家使用小行星的亮度来衡量其大小，因为较大的物体会将更多的阳光反射回地球。‘Oumuamua的平均亮度表明其直径约为100米——与大多数已知的小行星相比，这非常小。事实上，如果‘Oumuamua像我们太阳系中大多数小行星所在的asteroid belt一样遥远，我们永远不会看到它。相反，我们很幸运：它非常靠近我们——约6000万公里，仅占太阳和地球之间平均距离的40%。大多数形状像在太空中旋转的凹凸不平的土豆的小行星，其亮度会周期性地变化，因为它们交替地将较小和较大的侧面呈现给地球。观测这种旋转会产生一条“光变曲线”，这是一张光线如何变化的图表，它告诉我们旋转周期，并为我们估算小行星的比例。2017年12月，科学家们报告了‘Oumuamua的光变曲线。其周期约为八小时，与太阳系小行星相比，这并不显眼。但是，大多数小行星在旋转时亮度变化为10%到20%，而‘Oumuamua的变化幅度却达到了前所未有的10倍，这表明它具有非凡的针状形状，有时呈现出较大且明亮的面，有时只显示非常狭窄的边缘。

该物体的大小和比例与大型火箭（例如，土星五号，尺寸约为110米乘10米）的相似之处令人难以忽视。事实上，天文学家在对天空进行小行星和彗星巡视时，偶尔会重新发现绕太阳运行的废弃火箭，例如2000年发现的2000 SG344，这很可能是一个阿波罗计划的遗物。但是，‘Oumuamua的轨道过于极端，不可能是1960年代的火箭。它会不会是来自另一个文明的火箭？尽管这听起来难以置信，但根据现有数据，科学家们无法立即排除这种可能性。

当宇航员们思考这个难题时，他们又得到了一个惊喜。2018年6月，欧洲航天局的意大利天文学家马尔科·米凯利和他的同事们报告了对‘Oumuamua轨道形状的测量结果，结果显示，除了太阳和行星的引力外，还有一个微弱的、类似火箭的力在推动这个天体。

所谓的非引力力在彗星中是众所周知的，它来自于彗核向阳面升华的冰不对称的推力。但‘Oumuamua不是彗星。而且它没有显示出任何质量损失的迹象，而质量损失本可以解释这种力。难道是‘Oumuamua只释放气体，而气体比彗星尘埃更难探测吗？有可能，但这将使‘Oumuamua独一无二：天文学家不知道有任何其他宇宙天体会释放气体但不释放尘埃或冰。米凯利提出，‘Oumuamua可能喷射出望远镜无法看到的非常大的尘埃颗粒。

2018年11月，马里兰大学的什穆埃尔·比亚利和哈佛-史密森天体物理中心的亚维·勒布提出，非引力力可能是由阳光引起的，阳光对其路径中的任何物体都会施加微弱的压力。然而，要体验到足够大的辐射压力以至于我们可以测量它，‘Oumuamua要么必须像聚酯薄膜片（用于制作生日气球的镀铝塑料）一样非常薄，要么密度非常低。比亚利和勒布认为，该物体可能是一艘“光帆”，一种扁平的、帆状的飞行器，由另一个文明发送，旨在通过星光在太空中推进。

尽管这个想法可能很吸引人，但大多数天文学家倾向于‘Oumuamua的自然起源。2019年2月，我们其中一位作者（莫罗-马丁）计算出，要使‘Oumuamua被阳光推动，它的密度必须比空气低100倍。这样一个宇宙尘埃兔子——一个“冰冻分形聚集体”——可能在另一颗恒星的原行星盘的外部区域生长，在那里，幼行星从冰和尘埃碎屑中凝结而成。2020年夏天，当时都在奥斯陆大学的卢、埃里克·弗莱克Ø伊和雷诺·图桑提出，‘Oumuamua是从一颗活跃彗星彗发中的尘埃颗粒集合体中生长出来的，然后逃逸出来的。这种类型的物质在地球上是未知的，但可能在星际空间的终极真空中生存下来。

考虑到‘Oumuamua是多么奇怪，最令人难以置信的可能是像它这样的物体一定很常见。我们知道，这个相对微小的天体之所以被探测到，仅仅是因为它靠近地球，而且人类在短短几年内才具备看到这样一个物体的能力（Pan-STARRS设施于2010年开始运行，但在近十年后才达到完全效率）。仅凭统计数据，这两个事实就让科学家们估计出，每单位空间体积内类似的星际入侵者的数量约为每10立方天文单位一个（一个天文单位，或AU，是地球和太阳之间的距离）。因此，在我们太阳系的行星区域（定义为半径为海王星轨道半径的球体）中，必定存在约10,000个类似的物体，其中‘Oumuamua只是第一个足够接近，可以在Pan-STARRS的运行寿命中被探测到的物体。如果这些物体大约需要十年才能穿过行星区域，那么星际入侵者到达的平均速率必定约为每天三个！

那么，这个频率对‘Oumuamua的起源有何启示呢？外星人可能有能力发送一个土星五号大小的火箭或一大块类似聚酯薄膜的材料穿过银河系并穿过我们的太阳系，但他们为什么要发送这么多呢？更令人震惊的是，如果我们从太阳系将我们的分析推断到整个银河系，我们发现银河系中必定存在1 × 10²⁴到1 × 10²⁵（一万亿万亿到十万亿万亿）个类似的物体。很难相信一个外星文明会有能力用如此多的太空垃圾淹没银河系，而且更难理解他们为什么要这样做。因此，鉴于“非常的主张需要非常的证据”这一格言，大多数天文学家认为‘Oumuamua只是来自银河系其他地方的一块形状怪异但天然的碎片。

第二个发现

‘Oumuamua的怪异性让天文学家们热切期待着第二个星际入侵者的发现。下一个会像第一个一样古怪，还是会看起来像一颗普通的太阳系彗星或一颗没有非引力运动的小行星？

在不了解这些问题的答案的情况下，我们预测第二个物体会在一两年内到达，这是基于每10立方天文单位必定存在约一个像‘Oumuamua这样的天体的估计。令我们高兴的是，在‘Oumuamua出现两年后，乌克兰业余天文学家根纳季·鲍里索夫使用自制望远镜发现了C/2019 Q4；它很快被重新命名为2I/Borisov——第二个星际物体。它的轨道甚至比‘Oumuamua的轨道更极端，但它似乎是一颗相当普通的彗星。来自哈勃太空望远镜的测量表明，它的彗核比‘Oumuamua大，半径在0.2到0.5公里之间。与‘Oumuamua相比，2I/Borisov没有显示出极端的光变曲线，其非引力运动仅仅是由于冰从其表面脱落而导致的不对称脱气的结果，就像太阳系彗星一样。2020年3月，它的亮度短暂地爆发，然后呈现出双重外观，因为一小块彗核脱落了，这在太阳系彗星中是很常见的。换句话说，这个天体几乎完全符合我们对星际物体可能样子的预期。

我们的预期是基于行星形成的理论，这些理论表明存在一种现成的机制，可以将一些物体从其所属的行星系统中踢出并进入银河系，在那里它们最终可能会到达我们宇宙中这个小角落。研究表明，行星形成开始时是有序的，但结束时却是一片混乱。例如，太阳诞生于46亿年前，诞生于一个扁平的、旋转的圆盘中，该圆盘随着巨大的分子云在其自身引力作用下收缩而增长。这个由气体、冰和尘埃组成的圆盘为中心新生的恒星提供养料，密度非常高，这使得微小的颗粒能够碰撞并相互粘附。最初形成的是卵石，然后是称为星子的大型天体，最终是行星。一些星子在形成后不久被散射到外太阳系时，逃脱了进一步的生长和加热。在那里，在深度冻结中，它们几乎保持了自那时以来的状态，没有改变。

但是，有时，这些天体会散射回内部系统，在那里，太阳的热量会导致它们的冰升华；它们会形成喷射物质的彗尾，我们称之为彗星。其他星子则完全被驱逐出系统，注定要在星尘中永恒地漂流。一旦迷失在浩瀚的银河系中，这样的物体重新进入其来源行星系统的机会微乎其微，但它肯定会被外星恒星的引力所偏转。鉴于这个过程的混乱性以及‘Oumuamua和Borisov在我们到达之前必定经历过的无数次遭遇，我们可能永远无法确切地知道这些物体已经漂流了多久，也无法有信心地确定它们来自哪里。

尽管如此，我们可以确信Borisov是一个来自未知恒星的行星形成盘外部区域的富含冰的星子。事实上，我们从Borisov身上学到的一切——以及它提供的证据，证明一些星际物体看起来非常符合我们的预期——都突显了‘Oumuamua的怪异之处。鉴于两者之间存在着非同寻常的差异，我们没有理由假设它们具有共同的起源。

天文学家仍在努力研究‘Oumuamua到底是什么，新的想法经常出现。芝加哥大学的达里尔·塞利格曼和耶鲁大学的格雷戈里·劳克林在2020年5月提出的一个建议是，‘Oumuamua是一种由分子氢冰构成的新型天体——一种起源于分子云最冷区域的宇宙冰山。然而，在2020年6月，勒布和韩国天文与空间科学研究所的提姆·黄认为，分子氢非常不稳定，以至于这样的天体既不可能在分子云中形成，也不可能在星际旅行中幸存下来。中国科学院国家天文台的张韵和加州大学圣克鲁兹分校的道格拉斯·N.C.林在同年4月提出的另一种选择是，‘Oumuamua可能反而是行星或其他天体过于靠近其母星时，被引力撕裂而产生的碎片。

撇开‘Oumuamua的奇怪特性不谈，该物体竟然被探测到本身就与关于行星系统形成的传统观点背道而驰，传统观点认为星际访客应该非常罕见。我们可以根据观测到的恒星数量以及我们对恒星和行星形成、恒星演化和动力学的了解，估计我们预期存在的每单位空间体积内的星际星子数量。计算涉及许多不确定性，但一个慷慨的上限至少是先前提到的行星区域中此类物体统计频率估计值10,000个的十分之一到百分之一。简而言之，我们无法解释银河系中有如此多的垃圾。也许随着我们探测到更多的星际入侵者并更好地了解它们，推断和估计出的空间密度值将开始收敛。但也有可能我们遗漏了一个重要的星际物体来源——也许除了我们描述的星子散射之外，太空中的某些过程创造了到达我们这里的天体。

来自遥远的救生艇

除了教给我们关于行星系统如何形成的知识外，星际访客的发现可能还与科学中最基本的奥秘之一有关：地球上的生命是如何开始的？一种称为泛种论的观点认为，古代生物的种子搭乘来自其他系统的asteroid的顺风车。

正如我们预计星际天体会偶尔进入我们的太阳系一样，我们也必须假设它们有时会撞击我们的星球。根据我们从‘Oumuamua和2I/Borisov的探测中推断出的每10立方天文单位一个物体的数值，我们可以估计，类似的物体大约每1亿到2亿年撞击一次，比大小相当的小行星的撞击频率低数千倍。大多数可能会在大气层中爆炸并消散，但少数会真正到达地面。科学家估计，在过去的漫长岁月中，必须有数十亿吨的星际物质撞击过地球。

这些撞击是否有可能将生命带到我们的星球？现代科学的泛种论概念可以追溯到19世纪。令人惊讶的是，小行星和彗星可能是脆弱细胞生命的良好保护者。能够破坏DNA的有害宇宙射线只能穿透固体物质几米深，因此埋藏在岩石内部的活细胞可能在持续数百万甚至数亿年的星际旅程中幸存下来。在接近零度的星际温度下，任何细胞都将处于休眠状态。它们需要承受行星撞击的冲击，但这可能不像听起来那么成问题。实验已经表明，地球细菌可以在宇宙速度的撞击中幸存下来。尽管没有证据表明生命通过搭乘小行星和彗星的腹部在银河系中传播，但鉴于我们目前的无知状态，我们必须承认这种可能性仍然存在。

为了提高我们对星际物体的理解，我们需要找到更多例子。目前，只有两个例子可供参考，我们的掌握非常有限。幸运的是，天文学的新发展使得我们很可能很快就会观测到数十个类似的物体，而这些发现将使我们能够更好地确定统计数据并了解它们的物理特性。大多数专业望远镜的视野非常小，通常只有满月面积的千分之几。但是，光学器件和大型探测器现在能够在单次拍摄中捕捉到整个月球甚至更多，并在一个或两个晚上的连续扫描中捕捉到整个天空。强大的计算机使得比较连续的全天扫描以找到移动物体（包括星际入侵者）成为可能。

拥有更大的星际物体样本将帮助我们回答关于物体本身的许多问题。有多少星际入侵者像‘Oumuamua一样奇怪地无冰且细长，又有多少像2I/Borisov这样的彗星？有没有更大的例子？有没有更小的例子？它们是由什么构成的？是否有一些真的足够多孔，可以被光压推动？在智利山顶正在建设中的鲁宾天文台的新数据应该会提供新的见解。鲁宾望远镜有一个直径8.4米的聚光镜和一个30亿像素的探测器，这在十年前是不可想象的。来自这个巨型相机的每张图像都将覆盖月球面积的40倍，这是一个巨大的进步。它还将比以往任何时候都更系统地、更深入地、反复地巡视天空。这个新设施预计将大量揭示星际入侵者，以及来自我们自身太阳系的大量小行星、彗星和柯伊伯带天体。

为了真正了解任何给定的星际入侵者的性质，我们希望派遣一艘宇宙飞船去访问它，甚至着陆在其上。一个实际问题是，制定计划的时间不多，因为这些物体移动得太快。‘Oumuamua在其被发现后的几个月内就变得即使是最大的望远镜也无法看到。预计2I/Borisov将在几年内变得太暗而无法探测到。相比之下，太空任务通常需要十年或更长时间，包括其设计、批准、建造和发射，这使得为任何特定的星际目标制定计划变得不可能。一个可能的解决方案是在知道任务将前往何处之前，将宇宙飞船送入存储轨道。这就是欧洲航天局计划于2029年发射的彗星拦截器背后的想法。拦截器将停泊在距离地球150万公里的地球L2拉格朗日点，在那里它可以轻松地维持稳定的轨道，等待有趣的物体飞掠而过。然而，除非有星际入侵者碰巧非常靠近L2，否则拦截器缺乏与星际入侵者会合的能力。

功能更强大的火箭本质上是沉重且发射成本高昂的；即使飞掠是可能的，加速到双曲线轨道速度以获取样本也不容易。由新型推进方法（例如，由来自地球的激光束或太阳辐射压力加速的光帆）驱动的宇宙飞船是另一种选择，但它们也涉及自身的困难。尽管如此，能够近距离检查一个明确起源于我们太阳系之外的物体的前景是非凡的，科学家们在提出各种方法来做到这一点时毫不羞涩。无论如何，我们将从我们的星际访客那里撬开秘密。