地球首位已知星际访客获确认,客从何处来?科学家是如何确认的?

地球首位已知星际访客获确认,客从何处来?科学家是如何确认的?

美国哈佛大学天文学家在最新一期《天体物理学杂志》发表论文称,他们证实2014年闯入地球大气层的流星CNEOS 2014-01-08来自另一个恒星系统,是迄今已知的地球首位星际访客,也就是说这颗流星来自太阳系外。研究人员还认为,此类星际访客很有可能每十年闯入地球一次,分析它们可为研究遥远恒星系统的化学组成提供新见解。

本期我们即将关注:

□科学家如何确认这颗流星来自太阳系外?

□星际访客从哪儿来?

□下次我们能不能抓它个“现行”?

□研究星际访客有什么意义?


本期邀请到的嘉宾——上海天文馆网络科普部部长、上海市天文学会副秘书长施韡。


如何确认访客来自太阳系外?


【问】其实每天都有很多流星划过地球大气层,我们有时看得见,有时看不见,那么科学家是如何确认我们今天说的这颗流星就是来自其他恒星系统?

【答】说实话当我看到这条消息的时候也比较震惊,同时也感到非常新奇,因为这个是比较难以理解的一件事。但实际上如果大家比较关心的话,我们之前也听说过有太阳系外的访客来到我们的身边,一个是2017年闯入地球的200米宽的小行星“奥陌陌”,一个是2018年拜访地球的宽0.5公里的彗星“鲍里索夫”。

奥陌陌的直径在百米左右,呈雪茄状,颜色偏红 图源:网络

C/2019 Q4(鲍里索夫)的彩色照片 图源:物理学家组织网

那么这一次我们所推测的目标它既不是一颗行星也不是一颗彗星,而是通过流星来推测,可以反演它撞击之前飞行方向和飞行速度的,我们叫它流星体。具体的方法和之前研究人员判断奥陌陌和鲍里索夫使用的方法类似,一是看速度,二是看轨道。


速度有第一宇宙速度、第二宇宙速度和第三宇宙速度,它们是航天器达到环绕地球、脱离地球和飞出太阳系所需要的最小初速度。

第一宇宙速度又称环绕速度,比如我们的空间站要绕着地球飞行,就必须要达到环绕速度,才能够绕着地球转而不掉下来。如果突破了第一宇宙速度,就能够到达更高或者离地球更远的地方。

达到第二宇宙速度(逃逸速度)就意味着它能够脱离地球引力的范围,比如飞往火星就要达到第二宇宙速度。

那么如果达到第三宇宙速度的话,那就要离开太阳的引力束缚了(脱离太阳系)。


所以说流星体的速度越快,就意味着它脱离原来的恒星来到太阳系可能性就比较大。通常来讲,流星的速度都比较快,有的流星速度大概是20~30公里/秒,其实已经很快了,但是还有更快的,比如60公里/秒、70公里/秒,像狮子座流星雨的速度相对来讲就会更快一些。


但是速度快并不代表它一定来自太阳系外,因为还有一个相对运动速度的概念。如果相向而行,那么它的相对速度就会更快。


所以我们还要根据流星观测得到的数据反演它的轨道。这次这个研究当中发现,这颗流星体的轨道偏心率非常大,约为2.4。(偏心率<1时为椭圆轨道,偏心率=1时为抛物线轨道,偏心率>1时为双曲线轨道)所以这颗流星体处于双曲线轨道上。

图源:网络

双曲线轨道是开口的,它不闭合,所以这颗流星体就被认为并不是太阳系内的天体,而是来自太阳系以外。那么到太阳这里它也是属于“一日游”,来了之后就飞走了,当然我们看到这是一颗流星,所以它来了之后就直接在大气当中化为灰烬了。


星际访客从哪儿来?


【问】那么我们知道这颗流星从哪儿来吗?我说的这个从哪儿来有两方面,第一个是从哪个方向来,比如从银河系里还是银河系外;第二个是它是在宇宙诞生之初就存在,还是后期形成的?如果是后期形成的话,又是怎么形成的?

【答】我们刚才所说的方法是比较容易理解的一种方法,但是实际上具体操作时还是非常复杂的,因为它要形成一个理论模型。比如说我刚才讲通过观测数据来推测流星体的轨迹,听上去好像很容易理解,但实际上,我们观测到的流星是发生在大气层中的“现象”,并不是流星的本体。因为流星体在宇宙当中按照一定的轨迹运行,但是进入到大气之后,会受到大气的阻力,有摩擦就可能会发生轨迹和速度上变化。


因此理论模型要考虑地球大气的状况,这时候就会带来一定的不确定性。一方面,大气层的高度不同,密度也是不一样的。如果这颗流星它发生的比如说它的高度,是不是就和地球的密度有关?


另一方面,模型本身也存在一定的误差,观测数据也可能有一些精度上的误差,这些都带来了不确定性。


那么这一次的研究论文,并没有给出关于数据精确性的证明。因为相应的数据来自美国国家航空航天局(NASA)的近地天体研究中心(CNEOS)目录中,而且当时被美国国防部视为机密,所以说它并没有公开。


【问】所以美国军方的意思就是说我们这个数据肯定是靠谱儿的,你们就信了我们吧,但是怎么得出来的您就别管了,是这样吗?

【答】是的是的,其实针对这篇论文我也和相关的研究人员交流了一下,实际上文章作者在比较早的时候就已经有了关于这颗流星的研究,但是过了很长一段时间才发表出来。我们推测,他们有可能是拿到了美国相关部门提供的关于数据精确性的证明,为发表论文提供了比较大的帮助。


【问】您刚才说的是数据层面,我们是可以以数据为基础进行推演,然后呢?

【答】根据流星体的方向、轨道确实可以来反演它从哪个方向来,但是我想说这个方向其实并不是特别精准,误差还是比较大。目前认为还是银河系里面来的这种可能性比较大。银河系外的话呢,说实话这个很难去判断。就算它是银河系外面来的,我们也没办法给出一个明确的答案。


论文当中其实也提出来,这颗流星体有可能是某一颗恒星甩出来的,而且是盘面比较厚的那种恒星。


还有一种可能性,就是这颗流星体来自太阳系周围和其他恒星之间引力相对平衡的区域。类似像奥尔特云,就是太阳系周围非常遥远的、大概5万个天文单位的范围中,可能存在着一些非常小的天体物质。这些流星体可能原本处在相对静稳的状态中,由于引力的扰动将它甩出来,朝着太阳飞过来。

图源:网络

【问】也就是说在宇宙当中会出现这种微小天体的可能性,或者说产生的原因有很多,是这个意思吗?

【答】对。通过流星的亮度和速度,我们可以推测它进入大气后爆炸燃烧的能量是多少,再反推它可能的体积和尺寸。研究人眼推测这个流星体的大小也就是半米的量级,不是一个很大的目标。这么小的天体,不像是已经形成了一定规模的行星,以前也不一定有一条很明确的轨道。所以说我们要再往前推测它的老家到底在哪儿,这是很难说的。


十年来一回?我们能不能抓它个“现行”?


【问】美国科学家说此类星际访客可能每十年闯入地球一次,这个说法有什么科学依据吗?未来我们如何能“抓个现行”,而不是像现在这样2014年进入地球的流星体,我们2022年才开始讨论?

【答】十年的概率实际上是从撞击的概率以及目标的大小来判断的。而且,NASA喷气推进实验室的近地天体研究中心 ( CNEOS )有一个关于火流星的数据库,称为“火球数据库”(fireballs database),记录了1988年来火流星的发生次数,比如一年发生了几十万次,甚至可能更多的这种情况。


然后看这个数据库里面存在着多少轨道比较离奇的火流星记录,这个发生的概率不是特别高,绝大部分都是近圆轨道或者椭圆轨道,就是在地球周围绕太阳旋转的。发现了这种流星体,再参照与它尺寸类似的流星体,比如说零点几米的、一米的尺寸,那么就可以推出某个流星体再次造访地球的时间大概在每十年一次。但是它只是一个概率,并不是绝对的。


【问】所以这个只是一个概率说。

【答】对,至于说如何去探测更多来自太阳系外的星际访客,掌握更多的情况,那就需要“普遍撒网、重点培养”,所以科学家也是希望布置更多的流星监测点位,构成覆盖全球的网络。

其实在这篇研究论文当中,研究人员也给出了一定的建议,比如部署大约600个全天相机系统,就能够较大概率地捕捉到厘米级的流星,并以此来推测相应的轨道,还有可能掌握更多来自太阳系外的流星体的迹象。


【问】您说这个全天相机什么样?它是如何拍到流星的?

【答】全天相机像一个鱼眼镜头,能够覆盖整个天空,尽可能地扩大我们的搜索范围。这个镜头需要有比较高的敏感度,感光度要比较高,能够准确地捕捉到类似的流星体。

雪龙号上的全天相机装置 图源:国家天文科学数据中心

另外除了相机本身,还要有一套识图像识别系统。也就是说它能够根据天上划过的亮斑,感知到这是流星,而不是飞机卫星或者其他的东西。

还可能要有一个预警系统。发生了火流星,它能迅速形成报文,让更多的天文学家关注到这个事件。

数据大了之后,可能还需要有一定的计算能力,能够把可疑的目标或者是我们感觉比较有意思的目标甄选出来。

当然,还有一点也很重要,就是不管多少台设备多少套系统,要它们同时发挥作用,就要具有统一的标准,比如时间的校准。


所以说这实际上是一个比较大的网络,里面有很多门道。现在我们国内的研究人员,包括我们上海天文馆也在寻求这方面的合作以及突破,希望以后能够构建一个这种流星雨以及小行星的监测网络。


【问】所以您的意思是,这个监测网络的建立其实挺不容易的,对设备的硬件有要求,设备搭好了,还要求它们彼此之间的通信严丝合缝,否则数据就容易出现偏差,这个大工程还需要一步一步往下建。

【答】是的。


研究星际访客的意义


【问】这位人类首次确认的星际来客还有碎片或者真身落在地球上吗?科学家们有没有捡到它?我们研究它是不是可以了解太阳系外一些星系的物质组成,或者其他我们以前没有想到的事情?

【答】这是个很好的问题。不过这一次肯定是没留下什么东西,因为它的体量不大,应该在大气层当中就烧毁了。不过以后也有可能在我们捡到的陨石中挑出元素的组成、风化程度等不太一样陨石,这都是说不准的。


探测流星的物质组成不一定要持有流星的“真身”。捕捉流星事件的全天相机加一个光谱分析的功能,我们或许也能通过流星在大气当中燃烧产生的颜色来判断它大概是什么元素。中学阶段我们学过一个原理叫“焰色反应”,流星体在大气层中燃烧,就相当于我们给它点了一把火。如果流星上面有一些比较特殊的物质,我们就可以通过它产生的火焰颜色推测它的组成成分。

一些金属及其化合物的焰色反应 图源 网络

不过这其实更难,因为我们不知道流星什么时候出现,只能守株待兔,里面有很大的运气成分。


【问】除了这种方法外,我们直接通过光谱观测太阳系外的某些数据,也可以得到关于元素的信息吗?

【答】目前来说,我们了解太阳系外的世界,更多的是通过恒星、星际物质,包括一些气体、星云,比如发射星云等等,它自身可能含有比较浓的电离氢和其他一些物质,是可以在光谱中来呈现出来的。因为它有一定的温度,这一点很重要。


那么像这次我们所说的流星体、彗星、小行星等等就比较尴尬,因为它们都属于不发光的物体,在茫茫宇宙中显不出来,只能等它们靠近的时候,我们再通过地面的一些观测设备来捕捉。所以说观测到这种天体也是千载难逢的机会,当时奥陌陌、鲍里索夫彗星来的时候,我们就是非常激动。


如果来到我们身边的太阳系外的流星体有比较可观的数量,那对于我们来说无疑是一个更好的机会,因为在茫茫宇宙当中、两颗恒星之间,能跋涉千里过来的小行星、彗星还是比较少的。但是相对来讲,这种流星体的规模应该是更大的,所以如果我们未来掌握了一定的技术和能力,机会也会更多。


当然最后也要提醒大家,虽然哈佛大学的研究成果表示该流星体是地球首位已知星际访客,但是这里面还有很多值得我们思考研究的地方,并不是说他们的研究成果就是板上钉钉确凿无误。因为这毕竟只是一个孤证,希望未来我们能有更多机会探测系外小天体的可能性。


很多学科在历史上都曾因为一个爆炸性的成果或现象而令人欣喜不已,但人们又在积累更多的数据后发现了当时的失误。科学精神是科学研究的灵魂,科学精神倡导冷静、客观,对待遥远的系外访客,也要保持冷静客观才能得出结论。希望未来我们能收集到更多的数据,去证明系外访客的身份。