对“Oumuamua怪异轨道的简单解释

2017年，一颗名为“Oumuamua”的神秘彗星点燃了科学家和公众的想象力。这是已知的第一个来自太阳系外的访客，它没有明亮的彗发或尘埃尾巴，就像大多数彗星一样，而且形状奇特——介于雪茄和煎饼之间——而且它的小尺寸更适合小行星而不是彗星。

但事实上，它正在以一种天文学家无法解释的方式加速远离太阳，这让科学家们感到困惑，导致一些人认为它是一艘外星飞船。

现在，加州大学伯克利分校的一位天体化学家和一位康奈尔大学的天文学家争辩说，这颗彗星与围绕太阳的双曲线路径的神秘偏差可以用许多冰彗星中可能常见的简单物理机制来解释：氢的释气作为彗星在阳光下变暖。

'Oumuamua与我们太阳系中所有其他经过充分研究的彗星的不同之处在于它的大小：它是如此之小，以至于它在太阳周围的引力偏转会因氢气从冰中喷出时产生的微小推动而略微改变。

大多数彗星本质上是肮脏的雪球，它们周期性地从我们太阳系的外围接近太阳。当被阳光加热时，彗星会喷出水和其他分子，在其周围产生明亮的光晕或彗发，通常还会产生气体和尘埃尾巴。喷出的气体就像航天器上的推进器一样，给彗星一个微小的反冲，使它的轨道从其他太阳系物体(如小行星和行星)的典型椭圆轨道略微改变。

被发现时，'Oumuamua没有彗发或尾巴，而且太小且离太阳太远，无法捕获足够的能量来喷出大量水，这导致天文学家疯狂推测它的成分以及将其向外推的原因。是氢冰山放出H2吗?由太阳的轻微压力推动的大而蓬松的雪花?外星文明制造的光帆?靠自己动力的宇宙飞船?

加州大学伯克利分校化学助理教授詹妮弗·伯格纳(JenniferBergner)研究太空寒冷真空中冰冷岩石上发生的化学反应，她认为可能有一个更简单的解释。她与同事DarrylSeligman讨论了这个问题，DarrylSeligman现在是康奈尔大学的国家科学基金会博士后研究员，他们决定共同努力对其进行测试。

“穿过星际介质的彗星基本上被宇宙辐射煮熟，结果形成氢气。我们的想法是：如果发生这种情况，你能不能把它困在身体里，这样当它进入太阳系时被加热了，它会释放出氢气吗?”伯格纳说。“这能定量地产生解释非重力加速度所需的力吗?”

令人惊讶的是，她发现1970年代、80年代和90年代发表的实验研究表明，当冰受到类似于宇宙射线的高能粒子撞击时，分子氢(H2)会大量产生并被困在冰中。事实上，宇宙射线可以穿透冰层数十米，将四分之一或更多的水转化为氢气。

“对于一颗几公里宽的彗星，放气将来自相对于物体主体而言非常薄的外壳，因此无论是在成分上还是在任何加速度方面，你都不一定期望这是一种可检测到的效果，”她说。“但因为‘Oumuamua’太小了，我们认为它实际上产生了足够的力来推动这种加速。”

这颗略带红色的彗星被认为大小约为115x111x19米。虽然相对尺寸相当确定，但天文学家无法确定实际尺寸，因为它太小太远，望远镜无法分辨。大小必须根据彗星的亮度以及彗星坠落时亮度的变化来估算。迄今为止，在我们的太阳系中观测到的所有彗星——起源于柯伊伯带的短周期彗星和来自更遥远的奥尔特云的长周期彗星，直径都在1公里到数百公里之间。

“珍妮的想法的美妙之处在于，这正是星际彗星应该发生的事情，”塞利格曼说。“我们有所有这些愚蠢的想法，比如氢冰山和其他疯狂的东西，这只是最普遍的解释。”

Bergner和Seligman将于本周在《自然》杂志上发表他们的结论。当他们开始合作撰写这篇论文时，他们都是芝加哥大学的博士后研究员。

远方来的使者

彗星是45亿年前太阳系形成时遗留下来的冰质岩石，因此它们可以告诉天文学家我们太阳系形成时存在的情况。星际彗星还可以暗示其他被行星形成盘包围的恒星周围的情况。

“彗星保留了太阳系在原行星盘现在处于演化阶段时的样子，”伯格纳说。“研究它们是回顾我们的太阳系在早期形成阶段的样子的一种方式。”

遥远的行星系统似乎也有彗星，许多可能是由于与系统中其他物体的引力相互作用而被弹射出来的，天文学家知道这种情况在我们太阳系的历史上发生过。这些流氓彗星中的一些应该偶尔进入我们的太阳系，提供一个了解其他系统中行星形成的机会。

“太阳系中的彗星和小行星可以说比我们从太阳系中的实际行星中学到的更多关于行星形成的知识，”塞利格曼说。“我认为星际彗星可以说比我们今天试图测量的太阳系外行星更能告诉我们关于太阳系外行星的信息。”

过去，天文学家发表了大量论文，探讨我们可以从未能观察到太阳系中的任何星际彗星中学到什么。

然后，'Oumuamua出现了。

2017年10月19日，在毛伊岛上，天文学家使用由位于马诺阿的夏威夷大学天文学研究所运营的Pan-STARRS1望远镜，首先注意到了他们认为是彗星或小行星的东西。一旦他们意识到它的倾斜轨道和高速(每秒87公里)暗示它来自我们太阳系之外，他们就给它起了名字1I/'Oumuamua(ohMOO-uhMOO-uh)，这是夏威夷语为“有远方的使者先到”。这是我们太阳系中除尘埃颗粒外的第一个星际物体。第二颗2I/Borisov于2019年被发现，尽管它的外观和行为更像一颗典型的彗星。

随着越来越多的望远镜聚焦在“Oumuamua”上，天文学家能够绘制出它的轨道图，并确定它已经绕着太阳转了一圈，正驶出太阳系。

由于'Oumuamua的亮度以12倍的倍数周期性变化且变化不对称，因此假定它被高度拉长并翻滚。天文学家还注意到，远离太阳的轻微加速比小行星所见的更大，更具有彗星的特征。当彗星接近太阳时，从表面喷出的水和气体会产生发光的气态彗发，并在此过程中释放灰尘。通常情况下，留在彗星尾迹中的尘埃会变成可见的一条尾巴，而蒸汽和尘埃在太阳光线的光压推动下会产生第二条背离太阳的尾巴，再加上一点向外的惯性推力。其他化合物，如夹带的有机物质和一氧化碳，也可以释放。

为什么会加速?

但天文学家无法在“Oumuamua”周围检测到任何昏迷、脱气分子或尘埃。此外，计算表明，撞击彗星的太阳能不足以升华彗星表面的水或有机化合物，从而使其产生观察到的非引力冲击。考虑到传入的太阳能，只有H2、N2或一氧化碳(CO)等高挥发性气体才能提供足够的加速度来匹配观测结果。

“我们在太阳系中从未见过没有尘埃彗发的彗星。因此，非引力加速度真的很奇怪，”塞利格曼说。

这引发了人们对彗星中可能存在哪些挥发性分子导致加速的猜测。塞利格曼本人发表了一篇论文，认为如果彗星由固体氢组成——一座氢冰山——它会在太阳的热量下释放出足够多的氢气来解释奇怪的加速。在合适的条件下，由固态氮气或固态一氧化碳组成的彗星也会释放出足以影响彗星轨道的气体。

但是天文学家不得不努力解释什么条件可以导致氢或氮固体的形成，这是以前从未观察到的。固体H2体如何在星际空间中存活大约1亿年?

Bergner认为冰中氢气的释放可能足以加速“Oumuamua”。作为一名实验家和理论家，她研究了非常冷的冰——冷却到5或10开尔文，即星际介质(ISM)的温度——与ISM中发现的各种高能粒子和辐射的相互作用。

在搜索过去的出版物时，她发现许多实验表明高能电子、质子和更重的原子可以将水冰转化为分子氢，而彗星的蓬松雪球结构可以将气体困在冰中的气泡中。实验表明，当被太阳加热时，冰会退火——从无定形结构变为晶体结构——并迫使气泡出来，释放出氢气。Bergner和Seligman计算出，彗星表面的冰可以释放出足够的气体，无论是准直光束还是扇形喷雾，都可以影响像“Oumuamua”这样的小彗星的轨道。

“主要的收获是，‘Oumuamua是一颗标准的星际彗星，刚刚经历了重加工，”Bergner说。“我们运行的模型与我们在太阳系中从彗星和小行星上看到的一致。所以，你基本上可以从看起来像彗星的东西开始，让这个场景起作用。”

这个想法也解释了没有尘埃彗发的原因。

“即使冰基质中有灰尘，你也不会升华冰，你只是重新排列冰，然后让H2被释放。所以，灰尘甚至不会出来，”塞利格曼说.

“暗”彗星

塞利格曼说，他们关于'Oumuamua加速来源的结论应该结束关于彗星的书。自2017年以来，他、伯格纳和他们的同事已经确定了另外六颗没有可观测彗发的小彗星，但具有较小的非引力加速度，这表明这种“暗”彗星很常见。Bergner指出，虽然H2不太可能导致暗彗星的加速，但它们与'Oumuamua一起揭示了关于太阳系中小天体的性质还有很多有待了解。

其中一颗暗彗星1998KY26是日本Hayabusa2任务的下一个目标，该任务最近从小行星Ryugu收集了样本。1998年的KY26被认为是一颗小行星，直到它在12月被确认为暗彗星。

“珍妮关于被困氢的说法绝对是正确的。以前没有人想到这一点，”他说。“在发现太阳系中的其他暗彗星和珍妮的绝妙想法之间，我认为它一定是正确的。水是太阳系中彗星中最丰富的成分，也可能是太阳系外的彗星。如果你把水奥尔特云中富含彗星或将其喷射到星际介质中，你应该会得到带有H2口袋的无定形冰。”

因为H2应该在任何暴露于高能辐射的富含冰的物体中形成，研究人员怀疑相同的机制会在来自太阳系外围奥尔特云的接近太阳的彗星中发挥作用，彗星被宇宙射线，就像星际彗星一样。未来对长周期彗星放氢的观测可用于测试H2形成和捕获的情景。

鲁宾天文台时空遗留调查(LSST)应该会发现更多的星际彗星和暗彗星，从而使天文学家能够确定彗星中氢气是否常见。塞利格曼计算出，这项调查将在智利的VeraC.Rubin天文台进行，并将于2025年初开始运行，每年应该探测到一到三颗像'Oumuamua这样的星际彗星，并且可能还有更多像鲍里索夫一样的昏迷。