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真.星際過客:首次發現太陽系外的星際天體「黑麻麻」‘Oumuamua!

科學家首度目擊來自太陽系外的不速之客!
什麼?太陽系遭到外星人闖空門了嗎?請保持冷靜,讓我們娓娓道來。

要介紹這位不速之客,就從它的名字談起好了。我國法律規定,每個人只有三次改名機會,而成年之前只能改一次。而天上的星體可沒有這個限制了,但是一般根本不會隨便改名。這個奇怪的天體,在發現後一個月內,就換了三次名字。

改名的事情,我們就先賣個關子,現在先告訴你它的綽號。泛星計畫(Pan-STARRS)幫它取了一個很可愛的綽號:‘Oumuamua。這個字來自夏威夷語,意思是「第一個來自遠方的信使」。中文翻譯有趣了,中國大陸翻譯為「奧陌陌」,而臺灣天文同好想到了臺語的諧音,就把它暱稱為「黑麻麻」[1]。在這篇文章中,我們就姑且稱它為「黑麻麻」吧!

藝術家繪製的「黑麻麻」(1I/2017 U1)想像圖。圖/ESO/M. Kornmesser

泛星計畫:難道不是彗星嗎?

「黑麻麻」的發現是在 2017 年 10 月 19 日,夏威夷大學的天文學家羅伯特.韋雷克(Robert Weryk)利用泛星計畫的 1.8 米望遠鏡,搜尋近地小天體,而發現這個快速移動的詭異天體。起初根據軌道型態,這個天體被歸類為彗星,名稱訂作 C/2017 U1(C字號代表長週期彗星)──這是「黑麻麻」的第一個名字。

很快地,科學家發現它並不是彗星。10 月 22 日,加法夏望遠鏡(Canada–France–Hawaii telescope; CFHT)的觀測發現,這個小天體的特徵,與彗星非常不同。它比較像是一個小行星。

彗星與小行星有什麼不同?主要的差異是它們的組成物質,彗星是冰和塵埃構成,小行星則是岩石構成。彗星靠近太陽的時候,身上的冰會揮發,塵埃也會跟著散至周圍,使我們可以看到一團光暈,稱為「彗髮」。

彗髮是觀測上用來認定彗星活動的重要線索。當帶有揮發性水、冰成分的天體向著太陽靠近時,太陽輻射能量的強度將隨著距離減少而逐漸上升,在不同的太陽距離下會驅動特定化學分子的揮發,而使他們顯現出彗髮、彗尾結構,這個開與關的邊界距離我們稱之為雪線(snowline)。比較常被討論到的雪線有 12 天文單位的一氧化碳、二氧化碳,以及 5 天文單位的水 。[2]

加法夏望遠鏡的觀測,以及甚大望遠鏡(Very Large Telescope; VLT)和南雙子望遠鏡(Gemini South Telescope)後續幾天的觀測,都一再顯示,C/2017 U1 並沒有沒有彗髮。也就是說,它根本不是彗星!世界時 10 月 25 日凌晨才剛登記為 C 開頭的名稱,當天晚上立刻改掉,改稱為 A/2017 U1 [3],A字號代表小行星。

甚大望遠鏡、南雙子望遠鏡觀測「黑麻麻」(1I/2017 U1)的多張影像疊和,藍圈中的白點就是「黑麻麻」,研究人員發現它周圍沒有彗髮。圖/ESO/K. Meech et al.

它不是歸人,是個過客──首度探測到的星際天體

彗星改認定為小行星,還不足以讓「黑麻麻」有舉足輕重的意義。真正精采的是,它竟然來自太陽系外,是闖入太陽系的不速之客!

過去人們從來沒有看過任何一個「亂入」太陽系的星際天體,不過科學家早已預言,我們有一天會看到。著名的行星科學家艾倫.斯特恩(Alan Stern)在1997年曾說過:「我們知道星際彗星存在,只不過天文學家還沒看過任何一個。」當時他也說明,將來科學家能夠找到星際彗星[4]。

為什麼科學家老早就料到,會有「黑麻麻」這樣的天體闖入太陽系呢?

事情是這樣的。太陽系行星形成的過程中,有很多微行星遺留下來,成為彗星、小行星這樣的小天體。但也有許多微行星沒有在太陽系內生存下來──它們走到木星這樣的巨大行星旁邊,就像是小蝦米遇到大鯨魚,被木星的重力甩一巴掌,甩飛到太陽系外。別人的太陽系也會有同樣的事情發生,有些微行星被巨大的行星甩出來。這些被別人甩出來的東西,流浪在星際間,有可能某天就流浪來到我們家門口了。

「黑麻麻」(1I/2017 U1)的運行軌道。圖/NASA/JPL-Caltech

「黑麻麻」發現之後,研究人員經過初步的分析,就懷疑它是來自太陽系外的天體。10 月 22 日,結合了加法夏望遠鏡的觀測結果,才終於證實「黑麻麻」的軌道是雙曲線,而不是封閉的橢圓。也就是說,「黑麻麻」的軌道並無被太陽的重力束縛,它根本不是繞著太陽公轉的天體!

許多望遠鏡搶在「黑麻麻」離去之前觀測,於是科學家能夠精密地重建出「黑麻麻」的運行軌道。原來,這個小天體在 2017 年 9 月 2 日從太陽系盤面上方穿入水星軌道內,9 月 9 日最接近太陽,10 月 14 日行經地球軌道下方。太陽系的天體大都分布在接近同一盤面上,外來的闖入者軌道才如此怪異,這下又形跡敗露了!

「黑麻麻」的軌道速度實在太快,以秒速 26 公里的相對速度進入太陽系,太陽的重力根本不足以減慢它到能夠捕捉在太陽系內運轉。顯然,這位神秘嘉賓無意留宿在太陽系中,因緣際會來了一趟,與我們萍水相逢罷了。它不甘做太陽的奴僕,一生只接近太陽這一次,未來將與我們漸行漸遠。

也許它正吟誦著這首詩呢:「我達達的馬蹄是美麗的錯誤,我不是歸人,是個過客……」。

  • 「黑麻麻」(1I/2017 U1)的運行軌道。

11月6日,國際天文聯合會(IAU)為「黑麻麻」正名,在接到申請後不到24小時,就同意為它專設一個新的天體分類── I,代表星際天體(interstellar object)[5]。於是,「黑麻麻」再度改名,成為 1I/2017 U1,開頭的 1 就表示它是此分類的第一號了。‘Oumuamua這個稱號也被正式認可,可寫為 1I/2017 U1 (‘Oumuamua)

奇形怪狀的不速之客,是外星人派來的間諜?

「黑麻麻」不僅行蹤詭異,它的長相也非常怪異。

科學家根據甚大望遠鏡、南雙子望遠鏡觀測到的光度變化曲線,了解「黑麻麻」的特徵。若小行星不停在自轉,有時某一面對著我們,有時則是另一面對著我們,如果整體表面材質夠均勻,比較大面積的那個面對準我們的時候,看起來就會比較亮。

左圖是「黑麻麻」(1I/2017 U1)自轉的模擬,右圖是光度變化的曲線。大面積的面對著我們的時候,光度達到高點。圖/維基百科(nagualdesign創作)

研究發現,「黑麻麻」大約 7 至 8 小時自轉一圈。出乎意料的是,它的光度變化,高點和低點竟然落差 10 倍!這表示大的面和小的面,面積可能有高達10倍之差異。也就是說,「黑麻麻」的形狀就像是一根長棍,長寬比可能高達 10:1,或者至少5:1 或 6:1。各項研究推測數據不一,但大約是長幾百公尺,寬、高各幾十公尺。

在太陽系裡,人們幾乎沒見過「黑麻麻」這樣奇形怪狀的天體。事實上,這種奇怪的形狀,本身的力學結構很難維持。你可以設想,一根棍子容易斷成兩截,但是一顆球不太容易,但「黑麻麻」怎麼會是以棍狀的模樣遊走到我們的太陽系中呢?

藝術家繪製的「黑麻麻」(1I/2017 U1)想像圖。「黑麻麻」的形狀是長柱狀,這種形狀在太陽系天體中非常罕見。圖/ESO/M. Kornmesser

為什麼第一個看到的星際天體,就長得這麼怪呢?開始有陰謀論出現了,有人懷疑,搞不好是外星人派來的探測器!不過,專門搜尋外星訊號的突破聆聽計畫(Breakthrough Listen),12 月 13 日利用美國維吉尼亞州的綠堤望遠鏡(Green Bank Telescope),來偵測「黑麻麻」是否有出自科技裝置發出的電波訊號。結果如何呢?沒有鬧上新聞頭條,你大概也猜得到,結果是沒有任何可疑訊號。

雖然不是外星人派來的間諜,但我們還是很想知道,「黑麻麻」到底是從哪裡來的。根據軌道的方向,它可能是從織女星的方向來的。不過,以每秒 26 公里的速度推算,它仍然要走 30 萬年才能從織女星來到太陽系──而三十萬年前,織女星根本不在現在的那個位置。所以,來自織女星也不合理。

有趣的是,「黑麻麻」每秒 26 公里的移動速度,很接近太陽相對於銀河系周圍物質的移動速度。這又是一個證據,「黑麻麻」是星際中的天體。不過,它的速度並不與太陽系附近任何一個已知的恆星系統一致。至今「黑麻麻」已經漸行漸遠,科學家仍無法確認它從哪裡來。

「黑麻麻」走了,留下更多關於太陽系外的疑問

而經過科學家持續的研究之後,情況又更複雜了:2017 年 12 月艾倫.費茲蒙(Alan Fitzsimmons)等人在《自然天文》(Nature Astronomy)期刊發表的論文指出,不排除「黑麻麻」是星際彗星的可能性。他們說明,有些彗星在長期暴露於宇宙射線之後,可以發展出一個「保護層」。彗星的冰,只要在保護層下藏得夠深,就不會揮發出氣體、散出塵埃的活動跡象。

不過,這只能說是有此一說了,目前大多數學者仍傾向於認為「黑麻麻」是個星際小行星。

第一個目擊到的訪客是星際小行星,而非星際彗星,其實出乎科學家原先的意料。目前所知太陽系外層「歐特雲」的小天體,多半是彗星,而彗星與小行星的比例估計是 200:1 到 10000:1。逃脫到太陽系外的小天體,來源理論上要與歐特雲類似,以彗星為主。別人的太陽系,假如構造與我們的太陽系相似,則逃出來的星際天體,也該是以彗星為主。

太陽系外層的歐特雲示意圖。圖/維基百科(Jedimaster創作)

沒想到,第一次就來了一個星際小行星。「黑麻麻」的到來,留下了疑問:別人的太陽系,究竟跟我們的太陽系有無不同呢?

夏威夷語的 ‘Oumuamua,意思第一個遠方來的信使。把它稱作第一個,言下之意就是期待找到第二個、第三個了。「黑麻麻」這位長相怪異的星際訪客,已經讓人類見識到宇宙比想像中更有趣,而現在它已經逃之夭夭,我們就放眼未來吧!

好消息是大型綜合巡天望遠鏡(Large Synoptic Survey Telescope; LSST)預計在 2019 年完工,這套直徑八米等級的巡天望遠鏡,讓我們有機會搜尋到更多更小更暗的星際天體。若能觀測到更多星際天體,人們將掌握更多來自別人的太陽系的訊息。這就像尋獲漂流到我們家門口的神秘訊息,或許能揭開它的來源地的神祕面紗。

我們從來不可能只活在象牙塔裡。地球並不孤立在太陽系中,常有意外的訪客,幻化為美麗的流星。也有過門不入的危險分子,科學家把它們登記在近地小行星的名單上。現在我們知道,太陽系也不是孤立在銀河系中,也有意外的訪客,從我們身邊飛掠而過。

我們不知道下一個不速之客什麼時候到來,也不知道它會給我們什麼意外的驚喜。面對外頭的世界,只能永遠保持警覺,也永遠保持開闊的心胸。

  • 本文特別感謝鄭宇棋博士審訂

附註

參考資料

小朋友暑假不上課要幹嘛?當然是要一直玩一直玩啊~

但是玩樂也要有收穫

在這個充滿無限可能性的「加速時代」

就算不能預測未來、也要讓您家的小朋友擁有跟上未來的「自主學習力」

該怎麼獲得自主學習力呢? 2018 泛科夏令營幫您的小朋友準備好了!

 

 

關於作者

歐柏昇

台大物理系與歷史系雙主修畢業,現為台大物理所研究生。台大天文社前社長,全國大學天文社聯盟創辦人。盼望從天文與人文之間追尋更清澈的世界觀,在浩瀚宇宙中思考文明,讓科學走向人群。