望远镜揭示了罕见的、穿越我们太阳系的星际天体的令人惊讶的化学成分

今年早些时候，7月1日，智利里约哈图多山谷的一架20英寸望远镜正在进行夜间观测时，探测到了一件非凡的事物。作为NASA资助的“小行星陆地撞击最后预警系统”（ATLAS）的五架望远镜之一，该仪器旨在探测可能与地球相撞的近地天体。

但在ATLAS望远镜自2015年投入使用以来发现的数千个天体中，这个特定天体很不寻常：它是一个来自太阳系之外的天体，是第三个被发现的此类天体。在被探测到的一天之内，天文学家就测量了它的轨道，发现它的速度太快，无法绕太阳运行，这意味着它一定来自星际空间。

近两个月后，世界各地和太空中的望远镜都进行了后续观测，以获取更多关于3I/ATLAS（该天体的名称）的信息。位于智利的甚大望远镜（VLT）探测到了该天体中的镍，但没有探测到铁——这是一个难题，表明该金属来自一种前所未见的化学过程。詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）测量到的二氧化碳含量远高于水蒸气。这两项发现都已提交给arXiv平台，作为尚未经过同行评审的预印本论文。

这些探测表明，3I/ATLAS的古老形成过程和穿越星际空间的非凡旅程，赋予了它与绕太阳运行的任何天体都不同的特征。

“我们刚刚打开了一扇通往全新化学世界的大门，以前我们从未接触过，”位于智利天主教大学、分析了VLT观测数据的天文学家Thomas Puzia说。

在3I/ATLAS的彗发中探测到了高镍含量和大量的二氧化碳。彗发是围绕彗星和类似冰冷天体的气体和尘埃的包层，当物质升华并从主体（称为彗核）脱落时形成。

“其彗发中的二氧化碳与水比率……是我们在任何彗星中见过的最高之一，”美国天主教大学、JWST观测首席研究员Martin Cordiner说。

3I/ATLAS距离太阳仍然很远，但天文学家已经探测到的活动量已经令人惊讶——JWST观测捕捉到该天体距离太阳3.3个天文单位，或地球与太阳平均距离的3.3倍，而最近的VLT观测发生在2.85个天文单位。这个正在逼近的天体将在10月30日左右到达近日点，也就是离太阳最近的点，然后绕恒星滑行，再次冲入星际空间。

3I/ATLAS独特成分的一个可能原因是，根据其相对于太阳的速度模型，它可能在星际空间中飞行了极其漫长的时间，可能长达七十亿年或更长。“如果这个天体穿过了[银河系]圆盘几次，它可能穿过了星际云，可能穿过了正在诞生新巨星、正在发生超新星爆炸的恒星形成区，”Cordiner说。“它可能穿过了各种各样的不同环境。”

NASA戈达德太空飞行中心的天体化学家、参与JWST观测的Stefanie Milam说，3I/ATLAS可能已经在近乎绝对零度的虚空中漂浮了数万年，暴露在宇宙射线的持续辐射下，其表面可能形成了一个“烤熟的外壳”，在那里产生了二氧化碳冰。过量的二氧化碳现在正被太阳加热，并释放到彗发中。

VLT团队提出，通常与铁一起出现的镍，在从彗星升华时与铁一同出现，可能来自彗发中由四羰基镍组成的尘埃颗粒。这种分子具有高度挥发性，暴露在紫外线下时容易分解，释放出镍和一氧化碳，因此它可能有助于解释3I/ATLAS即使在远离太阳时仍表现出高活动性的原因。

这些物质中的一些可能是该天体形成时遗留下来的，如果真是如此，它可能会揭示该天体在其原行星盘——围绕年轻恒星形成行星的厚气体和尘埃——中的形成位置。“当它在其原行星盘中形成时，它可能形成在二氧化碳冰线所在的位置，”Milam说。“所以，相当靠外的地方。”

随着它接近太阳，活动预计会增加，特别是水冰升华成水蒸气。3I/ATLAS在9月之前都可以从地球上观测到，之后它将太靠近太阳而无法观测，然后在11月下旬或12月初重新出现。

天文学家将尽可能多地观察这一过程，以揭示这块来自极其遥远和古老太阳系的物质的本质。

夏威夷大学天文学家、ATLAS联合首席研究员Larry Denneau是第一个看到3I/ATLAS图像的人。“那天晚上我正好在审查小行星数据，”他说。“当时它是一个完全普通的、看起来很正常的近地天体。”

第二天早上，Denneau和他的ATLAS同事John Tonry乘坐直升机前往冒纳罗亚火山，为他们的其中一台望远镜进行检修。通往该地点的道路在2022年的火山喷发中遭到损坏。“当我们到达山上时，所有……后续观测都表明这个天体可能是星际的。”

探测发生后，世界各地数十个天文台立即将望远镜转向新的目标，并在第二天确认了它的星际轨道。该天体在被发现时距离太阳约4.5个天文单位，正朝着太阳靠近，并显示出早期类彗星活动的迹象。

“我们在它应该变得最活跃之前就抓住了它，”密歇根州立大学天文学家、参与3I/ATLAS初步定性的Darryl Seligman说。随后的观测“基本上每晚都在进行”。

3I/ATLAS不仅是星际的，它的速度还异常快，约每小时13万英里。这比之前探测到的两个星际天体——1I/‘Oumuamua和2I/Borisov——的速度都快得多，这表明3I/ATLAS在星际空间中已经旅行了极其漫长的时间，并受到像巨型分子云这样的大尺度结构引力的持续推动。

“像3I这样的轨道上的天体很可能来自银河系中非常古老的恒星，”新西兰坎特伯雷大学天文学家Michele Bannister说。Bannister及其同事的建模工作表明，3I/ATLAS来自银河系的厚盘，这是包围着太阳所在的致密且活跃的薄盘的、主要由古老恒星组成的弥散外层。

如果它确实有七十亿多年的历史，“那将意味着3I是我们目前在太阳系中见过的最古老的宏观物体，”Bannister说。

近日点过后，天文学家将密切关注3I/ATLAS如何度过这次旅程。尽管它离太阳最近的距离只有约1.4个天文单位，仅在火星轨道之内，但释放到彗发中的物质成分可能会发生转变。

“我们想知道它在近日点后，是否会像Borisov那样改变其相对成分，”奥本大学天文学家John Noonan说。在近日点之前，Borisov的彗发中检测到了一氧化碳和水蒸气的混合物，而在经过太阳后，水蒸气的来源似乎已基本耗尽。

也许3I/ATLAS也会发生类似的情况。这样的变化可能有助于区分在星际空间旅行时在天体表面形成的物质，以及来自彗核深处、保留了其古老形成时期特征的更古老的物质。

另一个悬而未决的问题是彗星核的真实大小。哈勃太空望远镜发现3I/ATLAS的主体半径不超过约1.7英里，但望远镜未能直接探测到彗核。因此，在12月，天文学家将尝试使用JWST上的其他仪器，穿过朦胧的彗发来测量内部的彗核。这个关键变量可能会揭示物质从该天体脱落的速度。

通过JWST和其他望远镜更详细的观测，天文学家还希望能发现3I/ATLAS上存在哪些其他类型的物质。

“我们希望能够探测到其他气体，比如甲醇、甲醛、甲烷、乙烷，可能还有氰化氢、氨——这取决于有什么在释气，”Cordiner说。“目标是……获得该天体内部的详细化学成分，这将对我们与我们自己的太阳系进行比较非常有启发意义。”

到目前为止只探测到三个星际天体，天文学家还不确定这些神秘天体究竟来自何方。“最受欢迎的机制是它们从银河系其他地方的年轻恒星形成的盘中被弹出，”加州大学洛杉矶分校天文学家、哈勃观测3I/ATLAS的负责人David Jewitt说。

“我们知道[太阳系]是从这个盘开始的，然后盘中的许多物质都丢失了，”Jewitt说。“它们被抛出去了，90%或99%都丢失了，被抛到了星际介质中……也许银河系的盘中充满了以这种方式被抛出的彗星，如果那样的话，应该有非常多的。”

尽管Borisov也像3I/ATLAS一样有彗星活动，但第一个星际天体‘Oumuamua却很独特。‘Oumuamua只在离开太阳系时才被探测到，似乎没有明显的活动，其亮度快速变化表明它可能是一个极端细长的物体，在翻滚。更重要的是，‘Oumuamua还因非引力以外的某种力而意外加速。这让天文学家感到困惑，因为他们没有探测到能引起彗星这种加速现象的释气，尽管许多科学家认为逃逸的气体可能太微弱而无法探测到。

Jewitt推测，‘Oumuamua可能是Borisov或3I/ATLAS这类物体经过太阳后失去了大部分挥发性气体而演化而来的形态。

但在发现更多星际天体之前，天文学家只能猜测这些漂浮在恒星之间的更大群体。幸运的是，像智利新的Vera C. Rubin天文台这样的最先进的巡天望远镜，预计在未来几年将发现更多这样的遥远访客。

“这仅仅是开始，”Cordiner说。

相关文章