草帽星系

1972年，被喻為20世紀科幻小說三巨頭之一的阿瑟·克拉克出版了科幻小說《與拉瑪相會》，這部小說一經問世就在科幻圈引起了轟動。繼《2001：太空漫遊》後，克拉克硬科幻的魅力在這部小說中再次展現得淋漓盡緻。1973年的星雲獎、1974年的雨果獎在幾乎沒有懸念的情況下，頒給了《與拉瑪相會》。

這個故事是這樣的：公元2130年，一個小天體突然闖入太陽系，當它被地球上的小行星預警系統發現時，已經接近木星軌道。進一步的觀測令全世界震驚——這個小天體是一個長50千米、寬20千米的圓柱體，就像一節巨大的五号電池，來自太陽系外，直奔太陽飛去。人們以印度教中一位神的名字把它命名為“拉瑪”。

拉瑪的外形、運行軌迹、表面反射率等都表明，這很可能不是一個自然天體，而是一艘外星智慧文明建造的飛船。于是，人類派出了考察船西塔，成功地與拉瑪相會。它果然是一艘外星文明飛船，因為人類宇航員打開了拉瑪的“艙門”，進入了拉瑪的内部。

拉瑪的内部有着令人驚歎的複雜結構，就像數個迷宮般的巨大城市以管道互相聯結，冷傲地向人類展示着這個文明的高度。然而，這似乎是一艘幽靈飛船，除了寂靜的建築物外，沒有任何燈光，也沒有任何活物的迹象。人類宇航員對拉瑪内部進行了詳盡的考察，除了一次又一次的驚歎外，我們沒有得到任何更有價值的東西。

拉瑪義無反顧地沖向太陽，速度越來越快，所有計算都表明，拉瑪将像飛蛾撲火一樣被太陽的烈焰吞噬。可是，拉瑪再一次震驚了人類，它以2000千米／秒的速度在距離太陽極近的地方拉出一條優美的弧線，就像一隻飛鳥高速俯沖到水面飲了一口水，又輕巧地飛離水面。在吸飽了太陽的能量後，拉瑪朝着大麥哲倫星雲（Large Magellanic Cloud, LMC）的方向飛出黃道面，一去不複返。

此時的人類終于明白過來，拉瑪來到這樣靠近太陽的地方，隻是為了汲取能量，使它能以更快的速度飛向未知的目标。而人類對它的小小騷擾似乎引不起它的任何興趣，它用自己的沉默表示了對人類這種低等文明的輕蔑。

現在，請大家從科幻小說的情節中走出來，我們回到現實。有時候，真實的宇宙帶給我們的震撼一點也不亞于科幻小說。

2017年10月19日晚上，位于夏威夷毛伊島上哈雷阿卡拉天文台（Haleakala Observatory）的泛星1号望遠鏡打開圓頂，開始了巡天觀測。泛星計劃的一個重要目标就是監測近地小天體，尋找有可能給地球帶來天地大沖撞的危險天體。這天晚上，夏威夷大學天文系的羅伯特·威裡克（Robert Weryk）博士坐在了電腦前，開始工作。可能與大家想的不一樣，現代的天文學家基本不再需要用眼睛湊到望遠鏡的目鏡中觀看。天文觀測早已經變得完全自動化，威裡克隻需要打開電腦，一邊喝咖啡，一邊等着電腦上出現提示信息即可。

很快，電腦提示出現了一個可疑的近地天體。這很正常，因為這樣的消息幾乎每天晚上都有很多。威裡克開始比對之前的觀測數據，計算這個天體的運行軌道，當計算結果出來後，他揉了揉自己的眼睛，有點不敢相信。天哪，如果不是哪裡弄錯的話，這個小天體是來自太陽系以外的闖入者，威裡克馬上就想到了拉瑪，這可是人類曆史上從未發生過的事件。他迅速地又驗算了幾遍，沒有發現任何錯誤。

威裡克盡量克制着自己激動的心情，立即按照規定流程把此天體的信息提交給了國際天文學聯合會下屬的小行星中心，看到消息的所有人都跟着激動了起來。接下來的幾天，威裡克又利用更大口徑的加法夏望遠鏡（CFHT）對這個小天體進行追蹤觀測。沒錯，這個小天體的運行軌迹是一條罕見的雙曲線軌道，偏心率達到了驚人的1.19，這是目前已知的最高紀錄。隻有一個可能：人類曆史上第一個來自太陽系外的小天體被發現了。

于是，地球上幾乎所有的大型天文望遠鏡都把鏡頭對準了它。盡管已經做足了迎接更多新發現的心理準備，但随後的發現還是掀起了一波又一波的驚呼，謎團也是一個接一個。

在發現這個小天體的6天後，10月25日，小行星中心通過電子公告的形式正式宣布了這一發現，并給了它一個臨時的編号：C/2017 U1。這裡的C表示彗星的意思。然而，就在同一天，歐洲南方天文台的甚大望遠鏡（VLT）否定了這是一顆彗星的猜測，因為它沒有彗星必備的彗發(1)和其他任何彗星活動迹象，這是一個表面呈現暗紅色的岩石或者金屬天體。于是，小行星中心決定更改臨時編号中的C為A，表示這是一顆小行星。

準确的軌道計算出來了，該天體大緻來自天琴座（Lyra）方向，在被發現的一個多月前，也就是2017年9月9日，經過近日點，到太陽的距離僅為0.255天文單位，比水星離太陽近得多，這個距離相當于地球到月球距離的10倍，這在天文尺度上，就是貼着太陽飛過了。換句話說，它目前正在朝着遠離地球的方向飛去。

不過，真正令人驚訝的發現是對它光度變化的觀測。在天文觀測中，記錄觀測目标的亮度變化非常基本，也非常重要，天體的亮度變化會透露出許多重要信息。這個太陽系外來客一經發現，就引起了國際天文界的高度重視，很多台大型天文望遠鏡都開始記錄它的光度變化。觀測證實，它每隔7.3小時就會有高達10倍的亮度變化，簡直就像太空中的一盞手機呼吸燈。



奧陌陌

這說明了兩個重要特征：

第一，它有7.3小時的自轉周期。這個應該不難理解吧，小天體自己不發光，它的周期性光度變化隻能來自天體本身的自轉。

第二，我們可以根據光變周期推測它的形狀。不知道這一點你能不能想明白。什麼樣的形狀在轉動的時候會導緻反射到地球上的光亮度不同呢？假如目标是一個完美的球體，那麼轉動不會導緻任何光度變化。隻有當它不是一個球體，在轉動的時候，從地球上看到的反射面積才會發生變化。10倍的光度變化，說明這個小天體的長寬比是10∶1，它的長度是寬度的10倍。這是一個什麼形狀呢？對，一根細長的雪茄形狀。這個小天體是一根“翻着跟頭”飛行的長雪茄。

這是一個令天文學家們感到吃驚的形狀，因為形狀不規則的小天體很常見，但是長寬比能達到10∶1的小天體，我們從未發現過，太奇葩了。

不過，随後對小天體更精密的軌道計算震驚了天文學家。作為一個越來越嚴謹的科普作者，我現在輕易不會使用“震驚”這個詞，但這個發現确實是震驚了天文學家。

人類曆史上的首個太陽系外天體自然受到了天文學界的最高禮遇。除了絕大多數地面的大型望遠鏡，哈勃太空天文望遠鏡也立即改變原來的觀測計劃，将鏡頭對準了它。要知道，這個小天體的速度超過了第三宇宙速度(2)，它将飛出太陽系，再也不可能回來。這麼小的天體，亮度在迅速地衰減，很快就會超出人類所擁有的觀測能力。所以我們必須分秒必争，抓緊時間觀測。以天文學家凱倫·珍·米奇（Karen Jean Meech）為首的一個國際聯合小組，用哈勃望遠鏡對它進行連續的追蹤觀測，計算機一刻不停地繪制它的精确運動軌迹。我們知道，假如一個沒有任何動力來源的小天體在萬有引力的作用下運動，它的運動軌迹必然嚴格遵循牛頓力學計算出來的軌道。但是，這個小天體的運行軌道卻大大地出人意料，它沒有遵循經典力學軌道，必須加入一個非常大的非引力項才能解釋它的運行，這意味着該小天體需要有額外的動力來源。你沒有看錯，哈勃望遠鏡的觀測表明，我們有幾乎百分之百的把握說，這個小天體必須有一個類似“噴氣引擎”一樣的動力裝置，否則無法解釋它奇怪的飛行軌迹。在科學中，我們用置信度來表示一個結論的可靠程度。這個結論的置信度達到了驚人的30σ（西格瑪）(3)。要知道，3σ的置信度就相當于有99.7%的把握，那30σ意味着置信度已經爆表，普通的計算軟件根本無法算出小數點後面有多少個9了。

聽到這裡，請你絲毫不要懷疑我的科普嚴謹性，我講的東西和《飛碟探索》雜志中的那些奇聞異事有着本質的不同。

其實，太空中已知的擁有天然引擎的小天體并不是沒有，彗星就是。大家知道，彗星在靠近太陽的時候，就會産生彗尾，它是彗核的噴發物質形成的。彗尾就好像是彗星的天然引擎，會給彗星提供源源不斷的額外動力。因此，在計算彗星的運行軌迹時，就必須加入一個非引力改正項。但問題是，這個來自太陽系外的小天體不是彗星啊，歐洲南方天文台的甚大望遠鏡用很深的疊加影像表明，它沒有任何彗星的特征，沒有絲毫的彗尾迹象。



彗星帶有彗尾

2017年11月6日，發現小天體的17天後，國際天文學聯合會決定專門為這個來自太陽系外的小天體新增加一個前綴編号“I”，也就是interstellar object的首字母，意思是“星際天體”。這個小天體被正式命名為1I/2017 U1，第一個數字“1”表示它是人類曆史上第一個該類型的天體。同時，國際天文學聯合會還給它起了一個便于傳播的昵稱，以夏威夷當地的土語命名為“ ‘Oumuamua”，意思是“第一位來自遠方的使者”。11月25日，中國科學技術名詞審定委員會經過讨論，決定采用國家天文台星系宇宙學部副主任陳學雷研究員提出的“奧陌陌”為其正式中文譯名(4)。“奧秘”的“奧”，“陌生”的“陌”，可以說非常傳神貼切。



奧陌陌的行動軌迹

2017年11月，在頂級學術期刊《自然》雜志上，米奇、威裡克等共同發表了發現奧陌陌經過的論文，論文标題是《一個極其細長的暗紅色星際小行星短暫造訪》。毫不誇張地說，從那時起直到現在，奧陌陌都是天文圈的熱門話題，如果今天你才第一次看到有關奧陌陌的故事，這隻能說明你還不算天文愛好者。千萬不要以為故事講到這裡就完了，奧陌陌的精彩故事還遠沒有結束。

一個巨大的謎團正困擾着人類所有的天文學家：既然不是彗星，為什麼奧陌陌會有額外的動力源呢？或許你跟我一樣，馬上就想到了克拉克筆下的拉瑪。40多年前，偉大的科幻小說大師創造了來自太陽系外的智慧文明飛船拉瑪，莫非，真的被大師言中了？遺憾的是，克拉克2008年以90歲高齡去世了，沒能看到奧陌陌出現在太陽系，否則我很擔心老人家會不會過于激動，身子骨撐不住。

整個2018年，天文學界關于奧陌陌的讨論和争論就沒有停止過，有很多人提出了外星飛船的假說。但這種假說太過驚人，當然也會有大量的反對者。到了2018年11月，美國著名的天文學學術期刊《天體物理學雜志通訊》（Astrophysical Journal Letters）刊登了一篇引起轟動的論文，标題是《是否能用太陽光帆飛船來解釋奧陌陌的奇特加速度》(5)。說實話，引起轟動的并不是這個猜想，而是這篇論文第一作者的身份。

他就是大名鼎鼎的哈佛大學天文系主任，同時也是著名的哈佛-史密森天體物理學中心理論和計算研究所主任，全世界知名的天文學家亞伯拉罕·勒布（Abraham Loeb）教授。他領導的研究團隊提出，奧陌陌的奇特運動軌迹或許可以用光帆飛船來解釋。

光帆也叫作“太陽帆”，原理是利用太陽風或者光壓來提供動力，雖然能提供的加速度非常微小，但因為作用的持續時間可以非常長，所以能夠累積非常可觀的效應。

我閱讀了勒布教授的原始論文，整篇論文基本上以數學計算為主。他假設奧陌陌的額外加速度是由太陽帆提供的，根據已經獲得的奧陌陌的所有觀測數據，計算是否有可能存在這樣的太陽帆。最終，他的計算結果是，假如能夠制造出一種密度在每平方厘米1—3克，承重強度大約為每平方厘米0.1克的材料，就能夠利用太陽輻射産生與奧陌陌的觀測數據相符的動力源，這并不是超出人類認知水平的材料。勒布教授推測，奧陌陌的光帆厚度在0.3毫米到0.9毫米。勒布教授的這個計算同樣适用于人類制造光帆飛船。在論文的最後，勒布教授寫道：“奧陌陌可能是一個由外星文明特意向地球附近發射的、完全可操作的探測器。”

這可是哈佛大學天文系主任、當今世界最著名的天文學家之一寫出來的結論。不出所料，勒布教授的論文一出，天下嘩然，奧陌陌再次成為刷屏新聞，連新華社也對勒布教授做了專訪(6)。

當然，盡管勒布教授的名氣很大、身份很高，但科學精神強調的是質疑精神，科學界也從來不會迷信某個著名科學家。勒布教授如此驚人的主張當然也會遭到最嚴苛的質疑，于是各種各樣的質疑聲從四面八方湧來。比如，有人提出，既然奧陌陌需要一張巨大的光帆，那為什麼在望遠鏡中看不到呢？我沒有查到勒布教授本人的公開回應，但是有其他人回應說，這不難解釋，這張光帆的輻射吸收率太好，所以幾乎沒有反射光，人類的望遠鏡看不到也不奇怪。

熱熱鬧鬧的争論一直持續了大約半年，直到2019年7月1日，《自然》雜志的《天文學》子刊發表了一篇重量級的論文(7)，而這篇論文的作者正是國際空間科學研究所的奧陌陌小組（The ‘Oumuamua ISSI Team）。這個小組一共有14名成員，來自世界各地，他們就是為了研究奧陌陌而專門成立的科學共同體，可以說，這是到目前為止最權威的奧陌陌研究團體。這篇論文的标題是《奧陌陌的自然演化史》，大家可能從論文的标題看出來了，他們并不支持“奧陌陌是外星人飛船”的觀點，而認為奧陌陌是自然演化的産物。

論文很長，正文10頁，引用的文獻資料多達96篇。可以說，這是迄今為止對奧陌陌最全面的一次綜述，代表了目前天文學界對首次出現在太陽系的星際天體的認知程度。

這篇論文的結論部分：

作為太陽系的第一個星際訪客，奧陌陌挑戰了很多假設，比如我們對另一個恒星系的小天體的外觀所做的很多猜想。雖然奧陌陌帶出了許多引人入勝的問題，但我們已經證明，隻要假設“奧陌陌隻是一個自然物體”，每個問題就可以得到解答。目前來說，隻要你對太陽系的小天體和行星有足夠深入的了解，就能明白，“奧陌陌可能是人造物體”的這個結論是不合理的。

不過，我相信大家跟我一樣，最關心的肯定不是有關星際天體如何起源的理論，盡管這占了整篇論文絕大部分的篇幅幅。對我們這些喜歡科學的吃瓜群衆來說，最感興趣的肯定還是這篇論文到底是如何批駁哈佛大學勒布教授的觀點的。

首先，奧陌陌之所以會被認為是外星飛船，最重要的就是它奇特的運動軌迹。換句話說，到底是什麼給它提供了額外的動力。該論文給出了兩種可能的解釋：

第一種解釋：奧陌陌噴出的是大顆粒塵埃物質，而這種大顆粒塵埃物質以人類現有的技術觀測不到。論文還舉了兩顆長周期彗星的例子，說明由于某些未知的機制，長周期彗星就能噴發出在可見光波段無法檢測的塵埃。

第二種解釋：與彗星噴出的水汽不同，奧陌陌噴出的有可能是一氧化碳或者二氧化碳。這兩種氣體我們的望遠鏡很難看到。

接着，論文又給了勒布教授的光帆假說以緻命一擊。論文認為，光帆假說有一個緻命的漏洞，那就是光帆的朝向問題。為了與觀測數據相符，奧陌陌的光帆需要與太陽保持适當的朝向。然而，奧陌陌的亮度變化表明，它同時繞着自己的長軸和短軸旋轉。論文的計算表明，沒有任何一種光帆的朝向，可以符合奧陌陌的實際觀測數據。

論文的最後一部分指出，盡管奧陌陌符合自然天體的特征，但也依然有一些問題有待進一步的研究。這些問題包括：奧陌陌的形狀為什麼能這麼細長？它的旋轉方式為什麼是現在這樣的？它到底來自哪個具體的恒星系？

此時，奧陌陌正孤獨地飛行在土星軌道與天王星軌道之間，預計2022年将越過海王星軌道，再也不會回頭。它就像拉瑪一樣，靜悄悄地來，又靜悄悄地走，留下一堆疑問給好奇的人類。

一個好消息是，人類觀天的又一個神器——大型綜合巡天望遠鏡（LSST）預計将于2022年全面投入運營，預計它每年都将發現一個類似奧陌陌這樣的星際天體。因此，我們很快就能搞明白奧陌陌的這些特性到底是普遍的還是罕見的。奧陌陌的故事劇情是否會再次反轉呢？

我覺得反轉的可能性完全存在，我也會像追美劇一樣，始終關注有關奧陌陌和星際來客的消息，這一切都是正在進行時。

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