奥陌陌潮汐撕裂的形成过程

奥陌陌的第一个星际天体的起源刚刚被揭露。

中国科学院国家天文台张云博士和加州大学圣克鲁兹分校林超教授的研究论文揭示了这种星际天体的形成机制和成为星际天体的过程。论文提出的新模型表明，奥莫莫可能被原行星系统中恒星的潮汐作用撕裂和抛出，数值模拟结果首次系统地复制了奥莫莫的所有特征。

2017年10月，天文学家发现阳系外发现了一个小天体，国际天文学联合会将其命名为“奥陌陌”（1I/‘Oumuamua）。奥陌陌的到来作为人类观察到的第一个星际天体，引起了全世界的广泛关注。与此同时，奥陌陌独特的性质也引发了学术界对原有星际天体形成和演化机制的重新讨论。奥陌陌长约100米，长短轴比例为6:1–10:1，远远大于已知太阳系小天体的长短轴比例，具有极其特殊的狭长形状。奥莫莫在运动过程中快速旋转，自转轴不固定。

奥陌陌潮汐撕裂的形成过程(来源:北京天文馆/隐喻京川)

在奥莫莫被发现之前，现有的行星系统理论认为彗星更容易被原来的行星系统抛出，而且由于彗星比同一尺寸的小行星更明亮，可观察到的星际天体应该是彗星。因此，天文学家希望通过观察来验证奥莫莫对彗星的猜测。然而，即使调用了几乎所有的天文望远镜，人们也没有发现它向外喷射气体和灰尘的迹象，从而推测奥莫莫是一颗小行星而不是彗星。然而，在对奥莫莫轨道数据进行统计研究后，发现只有引入相当大的非重力项才能合理解释其轨迹。彗星的向外喷射可以提供如此非引力的加速度，但这似乎无法解释奥莫莫的小行星外观。太阳能压力引起的非引力加速度只对面积大、质量比大的物体有效——这就要求奥莫莫具有非凡的疏松结构。在奥莫莫消失两年后，关于它的形状和非引力加速的谜团还没有解决，它的起源和成为星际天体的过程让天文学家感到困惑，一些科学家甚至猜测奥莫莫与外星生物有关。

左:艺术家描绘的奥陌陌(来源:ESO/M。 Kornmesser）； 右:奥陌陌(来源:国家天文台/张韵)是通过张-林数值模拟获得的。

“奥莫莫的光谱性质表明，它曾经受到恒星在原始行星系统中的强烈热辐射，可以通过近距离飞越恒星产生，如此近距离的接触可能会使奥莫莫的母亲被恒星的潮汐撕裂，并将奥莫莫扔出原始系统，”论文第一作者与通讯作者张韵交谈，“正是这种最平凡的性质启发了我们研究潮汐撕裂星际天体形成的理论”。

通过使用超级计算机对天体近距飞越恒星过程中的结构和热力学演化展开高分辨率的数值模拟研究，他们发现恒星的潮汐力会将天体撕碎成许多的细长型碎片，同时潮汐作用可使部分碎片的速度增大至超过恒星的逃逸速度，使它们成为星际天体。这些碎片具有滚动旋转的特点，长短轴的比例大多高于5:1，有的甚至高于10:1。这些碎片的表面在潮汐撕裂过程中因恒星的热烧而融化。当远离恒星时，熔化的表面再次凝结，使碎片的整体结构具有很强的附着力，从而保持细长形状的结构稳定性。同时，恒星的热辐射也会加热这些碎片，使其体内的挥发性气体（如一氧化碳等）大量消耗。

因此，它们的光谱性质具有小行星的特征，失去了明显的彗星活动性能。同时，热力学分析表明，一些升华温度较高的挥发性物质(如水冰等)可以在地下几十厘米处保存完好。在奥莫莫的太阳系短途旅行中，这些剩余的水冰可以被太阳的热辐射激活和喷发，提供观测到的非重力加速度。由于潮汐力的强度随着恒星密度的增加而增加，这种潮汐撕裂现象可能发生在密度较高的矮恒星附近。对于太阳来说，它的密度相对较低，不足以产生这种现象，所以在太阳系中没有发现类似奥莫莫的小天体。

近距离飞越恒星潮汐撕裂过程(来源:国家天文台/张韵)

“类似奥莫莫的星际天体穿越太阳系不应该是偶然事件。从概率上看，每个太阳系周围的恒星系统平均至少可以产生数百万亿的类似星际天体，从而解释奥莫莫闯入太阳系的概率。”张韵补充道。通过分析可能的母体来源和数量分布，他们发现从直径数公里的彗星到地球大小的行星可能是类奥莫莫星际天体在被潮汐撕裂和抛出之前的母体。星际天体的数量可以解释奥莫莫的可能性。

随着中国和世界各地巡逻望远镜的建设和投入使用，未来将在太阳系中发现更多的星际天体。届时，我们将对这些天体的性质有更深入的了解，对星际天体的数量有更准确的评价。奥陌陌国际空间科学研究所联合负责马修·奈特评价道：“奥陌陌之后，我们不得不彻底改变对星际天体的认知。本研究提出的星际天体形成机制出色地解释了奥莫莫的所有谜团。我们期待着在未来几年找到新的星际天体，看看它们是否与奥莫莫相似。如果是这样的话，说明这种机制描述的过程是普遍的”。

格雷戈里·拉夫林说，这项研究巧妙地利用行星系统进化的普遍现象来解释奥莫莫的所有特征，显示了星际物质扩散的有效性，为人类理解行星系统的形成和进化提供了关键线索。由于这些星际天体在被抛出前反复通过原行星系统的宜居带，形成生命的有机物可能通过这些天体在星际之间传播，为人类探索生命起源的奥秘提供了新的想法。

北京时间4月13日，国际学术期刊《自然》·天文》（Nature Astronomy） 该研究成果在线发布。论文链接:

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