NASA 在太阳系内发现了一个不明飞行物,它来自太阳系以外

知乎日报 刘博洋;Luyao Zou 270℃ 评论

NASA 在太阳系内发现了一个不明飞行物,它来自太阳系以外

图片:Public Domain

刘博洋,天体物理学博士生

一张图告诉你这个天体怎么个与众不同:

我下载了JPL 小天体数据库里所有在册天体的轨道数据,把所有 748525 个天体画在偏心率 - 轨道倾角两个维度的参数平面上,结果如图所示。

绝大部分天体分布在左下角,轨道偏心率小于 1、轨道倾角小于 35 度。它们的在椭圆轨道上绕太阳旋转,偏心率越接近 0,轨道越圆;轨道倾角越接近 0,天体轨道面越接近黄道面(地球公转轨道面)。

所以这部分天体都是我们熟知的那些矮行星、小行星、彗星。

在偏心率为 1 的地方,有一些数据点摆成了一个竖线:它们偏心率为 1,意味着它们在抛物轨道上运动。抛物轨道的意思是,在无穷远处,它们的速度几乎为零。这些天体本来存在于太阳系边缘的奥尔特云中,在极缓慢的运动中偶然受到一些扰动,掉入内太阳系。由于奥尔特云呈球形分布,它们可以从各个方向掉进来,所以轨道倾角也从 0 到 180 度均有分布。

而再往右,远离偏心率等于 1 的竖线处,豁然冒出一个孤立的数据点,它就是 A/2017 U1。

它的偏心率达到了近 1.2,轨道倾角为 123°,与其他所有太阳系内小天体格格不入。

偏心率显著大于 1,意味着它在无穷远处(太阳的引力范围之外)仍然有着不为 0 的速度,这个初始的速度很有可能是它在之前的母星周围,遭到引力弹射而获得的。

所以我们认为它很有可能来自太阳系以外,是一个“星际来客”。


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Luyao Zou,光谱学/物理化学/文理叠加态/别再邀请我回答高中化学了

作为一个做天体化学的人,看到这个新闻,想想都兴奋。虽然——这次我们肯定来不及做出响应了,但肯定还有下次。

为什么说 A/2017 U1 很可能来自太阳系之外,这个刘博洋的回答已经解释得很清楚了。对于研究行星形成和生命起源的科学家来说,这样的外来之物简直就是送上门的福利。

我们一直想搞清楚,在行星系统形成的过程中,到底有哪些化学物质可以在星际空间中被合成出来。除太阳系,其他的行星系统或者说恒星形成区,都离我们非常遥远,近则几百光年,远则数万光年。我们观测它们的唯一方式,就是通过望远镜被动地接受来自那里的光,从光谱中获取一些化学物质的信息。我在我的回答 Luyao Zou:我们平常所学的化学知识在宇宙中是不是没多大用处? 中介绍了光谱学在天体化学中的应用。

尽管光谱学方法非常强大,现在也在不断地发现新的成果,但是在分析化学物质成分上,总是有局限性的。为什么这么说呢?能够鉴别分子组成的光谱学方法,大致是两种。一种是我自己的研究方向,我非常喜欢的,微波毫米波光谱,探测的是分子的转动。另一种是大家更为熟悉的红外光谱,探测的是分子的振动。这两种光谱的机制不一样。

微波毫米波是发射光谱,它要求:1. 分子是气体的状态,2. 分子的量非常大。满足这两点要求,望远镜才能收集到足够的信号。因此,微波毫米波光谱通常只能用来观测行星系统形成之前的分子星云,而当行星系统差不多形成之后,空间中残余的气体已经很少了,没办法看到。此外,尽管微波毫米波是可以明确确定分子结构的光谱,而且分辨率非常高。但是它要求分子有永久偶极矩(见氢分子的诞生),因此,非极性分子,比如甲烷和氮气,是无法直接探测到的。而且,分子越大,它的发射光谱也相对越微弱。对具有生物活性的有机大分子来说,它们即使在星际空间存在,气相中的含量可能也非常低,光谱非常微弱,很难被观测到。

红外光谱是吸收光谱。它要求,存在一个背景光源,通常是恒星的星光。但是,红外光谱有两个硬伤:1. 从化学上看,红外光谱只能确定分子的官能团或者非常小的小分子,而不是分子本身的类型。所以你只能知道,哦,这里有一个甲基(意味着有有机物),这里有一个羟基(意味着有水),这里有一个二氧化碳的峰。2. 红外光谱通常都是星际空间中冰的光谱,而化学物质在冰中,吸收峰会因为固体环境而展宽,这展宽很厉害,于是光谱分辨率很低,也就意味着光谱谱线可以分辨的物质种类有一个很有限的上限(一段光谱能分辨出 X 个峰,那撑死了对应 X 个物质)。比如下图,Spitzer 望远镜的数据,你们感受一下,这一个峰,就横跨了数微米的光波波长;这段光谱理论上能够分辨出的物质上限,可能只有 10 个左右。对比上图,波长的分辨率在几十纳米。因此,红外光谱无力鉴别具有生物活性的有机大分子。

上面扯了这么多,是想说啥呢?是想说,我们现在拥有的光谱学方法,其实很难确认,生物大分子能否在太空中被合成。到目前为止,太空中,我们连最简单的糖(甘油醛)和氨基酸(甘氨酸)都没有找到,更别说有没有核糖,有没有多肽,有没有脂肪酸,这些疑问了。

现在好了,有了一个天外来客。如果我们能够抓住这个机会,发一个探测器上去,抓一把上面的物质来分析;或者更干脆,如果有技术能够直接把它拖回地球(我 YY 的,现在的技术应该没有能力做到把几十千米 / 小时高速运动的物体停下来),送到地面实验室上来做分析,那……哈哈哈!化学家们笑开了花!因为——在地面上,我们分析化学成分的手段,可不要太多:

有机物表征的三大手段:高效液相色谱 / 气相色谱 + 质谱联用,核磁共振,红外光谱,全都可以派上用场。我们还可以做显微镜切片,直接观测它的表面和内部;我们可以做扫描和透射电镜,观测它的内部微观结构;我们可以做粉末 X 光衍射,判断它的矿物组成……关键是,这些都是化学界分析物质组成的常规技术了,用了几十年了,可靠性和稳定性都有极高的保证!

如果能够实地采样,那这些从其他行星系统来的信使,上面究竟有没有携带氨基酸?蛋白质?核酸?立马就能搞清楚了,铁证如山。天体化学中的一大悬案,可以瞬间被解决。

很可惜,这回肯定是赶不上了。而且,从这次的经验来看,这样的天外来客,在太阳系地球轨道内停留的时间,可能只有一两个月。从发现它的行踪开始,我们能不能在如此短的时间内,确定它的轨道,并且调集资源发射探测器登陆,我不知道。看上去是很有技术难度的。

不过,即便我们错过了探测系外来客物质的好机会,它仍旧给我们带来了一些信息。通过计算它的轨道,我们可以反推出这个天体进入太阳系之前的速度。这个速度,应该是它从被其他行星系统中抛射出来时,获得的速度。这个速度,可以作为一个数据,验证我们现有的行星系统形成的动力学模型的正确性。

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