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太阳系首次发现系外星体,哈佛科学家引爆外星飞船大猜想

2018-11-11
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近日,一篇发表在天文学领域的重要期刊——《天文物理期刊(Astrophys. J)》的论文引爆了各国媒体的极大关注。该文的作者、美国哈佛-史密松天体物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)的两位科学家猜测,人类于去年首次观测到的造访太阳系的系外星体——“奥陌陌”,搞不好是一艘外星文明的光帆飞船

 

图|Figure 1 奥陌陌的想象图(图片来源:NASA/ESA/STScI)


神秘的星体


整整一年前,人类在太阳系内观测到了一颗神秘的小型天体。起初,它被认为是一颗彗星,因此被命名为 C/2017 U1,其中的字母“C”代表“彗星(comet)”。随后,科学家们发现这个家伙并没有慧发——即环绕在彗核周围的云状物,因此它被重新命名为了 A/2017 U1,“A”代表“小行星(asteroid)”。彗星和小行星都是太阳系里常见的星体,因此这一天文发现本不会引起太大的重视。


然而,很快,天文学家就发现,这个家伙似乎并没有那么简单。来自太阳系的彗星和小行星在围绕太阳运动时,其速度是有限的。然而,这个新发现的天体,其角速度远远超过了彗星和小行,这意味着,太阳的引力根本无法束缚住它……


综合其他因素,科学家们意识到,这颗新发现的神秘星体并不诞生于太阳系,而是一个来自于太阳系外的旅行者


图|Figure 2 奥陌陌的行进轨迹。太阳系不过是它漫长旅途中的一站而已。(图片来源:EarthSky)


因此,它成为了第一个编号以“I(interstellar object,星际天体)”开头的星体:1I/2017 U1。而它的名字——“奥陌陌”(ʻOumuamua)则来自夏威夷语,意为(来自其它星系的)“侦察兵”。


这无疑激起了科学家的极大好奇。这个在太阳系里观测到的第一个来自系之外的星体,它是谁?从哪里来?在做什么?


  • 它是谁?

 

不知道……只知道奥陌陌的形状很可能类似于一根雪茄,大小可能为约 180~200m × 30 m × 30 m。

 

图|Figure 3 可能像一根雪茄的奥陌陌。(图片来源:ESO/M.Kornmesser)


  • 它从哪里来?

 

抱歉,这个我们也不知道。而且,很可能永远也不会知道。

 

  • 它正在做什么?

 

目前,我们只知道它有可能正沿着双曲线的轨道,一边飞行,一边像一根弹出去的香烟一样翻着跟头,正在离开太阳系


图|Figure 4 奥陌陌可能的轨迹(图片来源:维基百科)


然而,随着对其运行轨道的深入研究,科学家们发现了关于奥陌陌的另一件神奇的事情——它的轨迹好像有点奇怪


其观测到的轨道,与利用万有引力计算出来的轨道,存在不容忽视的偏差。以下图为例,如果仅仅受到万有引力的作用,其轨道应该如图中红线所示。然而,实际观测到的却是蓝线所示的位置。这 40,000 公里的偏差,为奥陌陌蒙上了另一层神秘的面纱

 

图|Figure 5 除了引力之外,奥陌陌还受着别的力的作用(图片来源:NASA JPL)


这意味着,神奇的奥陌陌不仅出身是个谜,它的运动方式也是一个谜:除了万有引力,奥陌陌还有一个额外的推进动力


这个额外的动力到底是什么?科学界一时众说纷纭。是像彗星一样,自己发射出去的气体产生的反作用力吗?可是它不是一颗彗星,没有慧发彗尾啊!直到上个星期,哈佛大学天文系系主任、Frank B. Baird, Jr. 讲席教授 Avi Loeb 和他的博士后 Shmuel Bialy,给出了这样一个惊人的解释:


这个奥陌陌,搞不好不是一根雪茄形状的普通星体,而是一艘依靠光压推进的外星光帆飞船

 

图|Figure 6 光帆飞船想象图(图片来源:维基百科)


外星光帆飞船?


所谓的光帆飞船,是指利用太阳光辐射产生的光压进行推进的航天器


没错,光照也是会产生压强的。如同气体分子撞击物体表面会产生气压,照射到物体表面的光子,也会把自己的动量传给被照射到的物体。那么为什么,在晒太阳的时候,我们感受不到什么来自太阳的压力呢?这是因为,在大多数情况下,光压都很小。比如,到达地球的太阳光,其产生的光压连地球大气压强的 200 亿分之一都不到。因此,只要在有大气层的地方,光压都可以忽略不计。


然而,在宇宙空间中,光压就是一股不容忽视的力量。事实上,对于很多天体来说,除了引力,光压是它们在宇宙中能感受到的唯一一种作用力。在强光照射的地方,光压甚至可以显著到和引力达到同一个数量级。彗星拖着的“长长的尾巴”,之所以永远都指向离开太阳的方向,正是因为它受到了来自太阳光照射而产生的光压。


因此,利用光压为航天器提供推进动力,就成为了一个可行的方案。既然光压很小,我们把可以接收光照的面积做大,同时保留很轻的飞船质量,理论上光压就可以推动飞船前进:如同帆船上的风帆,只要帆够大,再小的风也能远航。因此,只要帆够大,光帆飞船就可以为星际航行提供动力


只不过,帆必须非常大、非常薄,才能让飞船在足够轻的前提下获得足够多的光压推力;而支撑光帆的机械结构也必须很强,才能禁受住星际旅行的长途考验。人类目前已经成功发射了两艘光帆飞船,虽然都只是在千克级

 

图|Figure 7 日本航天局的 IKROS 光帆飞船已经于 2010 年飞过了金星,正在朝着太阳系更深处飞去。(图片来源:Andrzej Mirecki)


Shmuel Bialy 和 Avi Loeb 的这篇论文,正是基于这个设想。奥陌陌的额外作用力,会不会就是光压?


经过严谨的推算,他们发现,奥陌陌的神秘推力完全可以用光压来解释。如果它的“质量-面积比”可以达到约为 0.1 克每平方厘米的范围,厚度在 0.3-0.9 毫米之间,它就可以获得足够多的光压,还能禁受住星际间尘埃、气体的撞击和潮汐力与离心力对它的影响,维持足够的动量,完成现实版的星际穿越


然而,0.3-0.9 毫米实在是太薄了。他们不禁发问,究竟是什么东西,可以拥有如此小的质量-面积比,和如此薄的厚度呢?小行星、彗星的质量-面积比都比0.1 要大太多太多了。如果奥陌陌的神奇轨道确实是由于光压造成的化,那么很有可能,它并不是一个自然形成的超薄天体”,而是人为制造的航天器


于是,他们在论文写下这样一句被各路媒体反复引用的话:


奥陌陌可能是外星文明有目的地派来地球的探测器


如何证明?


这篇论文一石激起千层浪。许多人开始发问,这么大胆的推测,证据呢?


毕竟,关于奥陌陌神奇的推力,虽然暂时还没有定论,但其它可能的解释还是有的。比如它可能是某恒星爆炸后,其星系内一颗行星的碎片。这个猜测虽然没有光帆飞船那么引人入胜,但也十分合理啊!


那么,奥陌陌到底什么?


这个答案我们可能永远都无法从奥陌陌身上知道了。Shmuel Bialy 和 Avi Loeb 在论文中写道,现在再派化学能推进的火箭去追已经远去奥陌陌,已经来不及了。奥陌陌是在毫无准备的情况下突然发现的,我们对其进行的有效观测只有短短几周,飓风玛丽亚还让位于波多黎各的阿雷西博天文台被迫关闭了一段时间。


图|Figure 8 奥陌陌已经远去。(图片来源:NASAJPL/Caltech)


关于奥陌陌的秘密,只能寄希望于在未来,我们可以再发现一个类似奥陌陌的东西,去探究它的起源与性质。尽管奥陌陌是第一个被人类命名的星际天体,但它绝对不是第一个造访太阳系的系外来客,也绝对不是最后一个


不管奥陌陌到底是不是外星飞船,这都是一颗已经载入人类史册、而且将在未来被反复提及的神奇天体没错了。我们对他的幻想,其实更来自于我们的期待:我们想要造出更先进的星际飞船,可以把成百上千吨、而不是几千克的质量送往外太空。对于人类来说,月球和火星只是我们探索宇宙的第一步、第二步。


总有一天人类看向浩瀚星辰的角度,将不再是遥远地仰望。


-End-


参考:

【1】BERGER, ERIC. n.d. “Predictably, OnlineMedia Go Nuts over ‘Oumuamua and Harvard Scientists.” Vox.https://arstechnica.com/science/2018/11/ignore-all-the-stories-about-oumuamua-the-harvard-paper-and-aliens/.

【2】Bialy, Shmuel, and Abraham Loeb. 2018.“Could Solar Radiation Pressure Explain ’Oumuamua’s Peculiar Acceleration?,”no. Shklovskii 1962: 1–5. 

【3】Clark, Stuart. n.d. “Mysterious ObjectConfirmed to Be from Another Solar System.”https://www.theguardian.com/science/across-the-universe/2017/nov/20/interstellar-object-confirmed-to-be-from-another-solar-system.

【4】EarthSky Voices. n.d. “5 Things We Know –and 5 We Don’t – about ‘Oumuamua.”https://earthsky.org/space/5-things-we-know-dont-about-oumuamua.

【5】Resnick, Brian. n.d. “Oumuamua Is the OnlyInterstellar Object We’ve Ever Seen in Our Solar System. What Is It?”https://www.vox.com/science-and-health/2018/11/6/18068236/oumuamua-cigar-shaped-comet-asteroid-alien-spaceship-light-sail-harvard-astrophysical-journal.

【6】Schneider, Jean. 2017. “Is 1I/2017 U1Really of Interstellar Origin?” Research Notes of the AAS 1 (1): 18.https://doi.org/10.3847/2515-5172/aa9af2.

【7】Wikipedia. n.d. “ʻOumuamua.”https://en.wikipedia.org/wiki/ʻOumuamua.

【8】Wikipedia. n.d.  “IKAROS.” https://en.wikipedia.org/wiki/IKAROS.

【9】https://doi.org/arXiv:1810.11490v2.



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