2017年10月24日深夜，一封電子郵件傳來，帶來了令人興奮的天文訊息。美國國家航空航天局噴氣推進實驗室的天文學家達維德·法爾諾基亞正在給我們其中一位作者（Jewitt）寫信，內容是關於天空中一個軌跡非常奇怪的新物體。這個物體最初被命名為P10Ee5V，是夏威夷大學當時的博士後研究員羅伯特·韋裡克在六天前發現的，它的速度非常快，太陽無法將其束縛在軌道上。它預測的路徑不是閉合的橢圓，而是開放的軌道，表明它將一去不復返。“我們仍然需要更多資料，”法爾諾基亞寫道，“但軌道似乎是雙曲線的。”幾個小時內，Jewitt給長期合作者簡·盧，一位與挪威有聯絡的合作者寫信，詢問是否可以用西班牙的北歐光學望遠鏡觀測這個新物體。世界各地的許多其他天文臺也同時爭先恐後地想要觀測到它。
天文學的新時代由此開啟。這個物體先是被重新命名為C/2017 U1（“C”代表“彗星”），然後是A/2017 U1（代表“小行星”），最終定名為1I/’Oumuamua。事實證明，這個物體是天文學家在太陽系中見過的第一個起源於太陽系之外的天體。其名稱中的“1I”表明了其作為首個已知星際物體的官方地位，而名稱‘Oumuamua——夏威夷語中“來自遠方的先行信使”——是由韋裡克及其同事提出的，他們使用了位於夏威夷茂宜島的Pan-STARRS望遠鏡進行了這項發現。
最初引起觀測者注意的是該物體相對於太陽的極端速度。在考慮了太陽引力的拉力後，‘Oumuamua的超額速度為每秒26公里（每小時58,000英里）。與太陽系天體的任何相互作用都無法產生如此大的推動力，而太陽的引力也無法捕獲如此快速移動的物體；‘Oumuamua必定來自太陽系之外。
支援科學新聞事業
如果您喜歡這篇文章，請考慮支援我們屢獲殊榮的新聞事業，方式是 訂閱。透過購買訂閱，您將幫助確保關於塑造我們今天世界的發現和思想的具有影響力的故事能夠延續下去。
這個物體經歷了怎樣的旅程？我們所能判斷的是，它可能已經在銀河系中漂流了數億年。觀測表明，它來自天琴座中明亮的恆星織女星的方向，儘管大約在30萬年前‘Oumuamua到達那裡時，織女星並不在同一個位置。
儘管天文學家長期以來一直認為星際天體會穿過太陽系，但真正找到一個還是一個很大的驚喜。就在前一年，當時在夏威夷大學的託尼·恩格爾哈特和他的同事們進行了一項詳盡的分析，結論是識別這樣的星際入侵者的前景“似乎很渺茫”——他們認為這些天體太小太暗，我們不太可能找到它們。但隨著我們對‘Oumuamua瞭解的更多，我們的驚訝變成了徹底的困惑。從它的形狀和大小到它缺乏彗星般的特性，一切都與我們的預期背道而馳。如果這是一個來自更廣闊宇宙的典型訪客，那麼我們還有很多東西要學習。
2I/BORISOV，第二個已知的星際訪客，於2019年首次被發現。圖片來源：羅恩·米勒
外星人造物還是宇宙塵埃兔子？
來自北歐光學望遠鏡和其他望遠鏡的觀測很快表明，‘Oumuamua缺乏彗尾和周圍由昇華的塵埃和冰直接從固態轉變為氣態的彗發——這是彗星的標誌。相反，除了其獨特的軌道外，‘Oumuamua看起來像一顆岩石小行星。儘管如此，考慮到它來自星際空間，那裡的平均溫度僅比絕對零度高几度，但沒有證據表明冰昇華是令人震驚的。水是宇宙中含量最豐富的分子，僅次於分子氫，應該存在。
然後是物體的形狀。天文學家使用小行星的亮度來衡量其大小，因為較大的物體會將更多的陽光反射回地球。‘Oumuamua的平均亮度表明其直徑約為100米——與大多數已知的小行星相比，這非常小。事實上，如果‘Oumuamua像我們太陽系中大多數小行星所在的asteroid belt一樣遙遠，我們永遠不會看到它。相反，我們很幸運：它非常靠近我們——約6000萬公里，僅佔太陽和地球之間平均距離的40%。大多數形狀像在太空中旋轉的凹凸不平的土豆的小行星，其亮度會週期性地變化，因為它們交替地將較小和較大的側面呈現給地球。觀測這種旋轉會產生一條“光變曲線”，這是一張光線如何變化的圖表，它告訴我們旋轉週期，併為我們估算小行星的比例。2017年12月，科學家們報告了‘Oumuamua的光變曲線。其週期約為八小時，與太陽系小行星相比，這並不顯眼。但是，大多數小行星在旋轉時亮度變化為10%到20%，而‘Oumuamua的變化幅度卻達到了前所未有的10倍，這表明它具有非凡的針狀形狀，有時呈現出較大且明亮的面，有時只顯示非常狹窄的邊緣。
該物體的大小和比例與大型火箭（例如，土星五號，尺寸約為110米乘10米）的相似之處令人難以忽視。事實上，天文學家在對天空進行小行星和彗星巡視時，偶爾會重新發現繞太陽執行的廢棄火箭，例如2000年發現的2000 SG344，這很可能是一個阿波羅計劃的遺物。但是，‘Oumuamua的軌道過於極端，不可能是1960年代的火箭。它會不會是來自另一個文明的火箭？儘管這聽起來難以置信，但根據現有資料，科學家們無法立即排除這種可能性。
當宇航員們思考這個難題時，他們又得到了一個驚喜。2018年6月，歐洲航天局的義大利天文學家馬爾科·米凱利和他的同事們報告了對‘Oumuamua軌道形狀的測量結果，結果顯示，除了太陽和行星的引力外，還有一個微弱的、類似火箭的力在推動這個天體。
所謂的非引力力在彗星中是眾所周知的，它來自於彗核向陽面昇華的冰不對稱的推力。但‘Oumuamua不是彗星。而且它沒有顯示出任何質量損失的跡象，而質量損失本可以解釋這種力。難道是‘Oumuamua只釋放氣體，而氣體比彗星塵埃更難探測嗎？有可能，但這將使‘Oumuamua獨一無二：天文學家不知道有任何其他宇宙天體會釋放氣體但不釋放塵埃或冰。米凱利提出，‘Oumuamua可能噴射出望遠鏡無法看到的非常大的塵埃顆粒。
2018年11月，馬里蘭大學的什穆埃爾·比亞利和哈佛-史密森天體物理中心的亞維·勒布提出，非引力力可能是由陽光引起的，陽光對其路徑中的任何物體都會施加微弱的壓力。然而，要體驗到足夠大的輻射壓力以至於我們可以測量它，‘Oumuamua要麼必須像聚酯薄膜片（用於製作生日氣球的鍍鋁塑膠）一樣非常薄，要麼密度非常低。比亞利和勒布認為，該物體可能是一艘“光帆”，一種扁平的、帆狀的飛行器，由另一個文明發送，旨在透過星光在太空中推進。
儘管這個想法可能很吸引人，但大多數天文學家傾向於‘Oumuamua的自然起源。2019年2月，我們其中一位作者（莫羅-馬丁）計算出，要使‘Oumuamua被陽光推動，它的密度必須比空氣低100倍。這樣一個宇宙塵埃兔子——一個“冰凍分形聚集體”——可能在另一顆恆星的原行星盤的外部區域生長，在那裡，幼行星從冰和塵埃碎屑中凝結而成。2020年夏天，當時都在奧斯陸大學的盧、埃裡克·弗萊克Ø伊和雷諾·圖桑提出，‘Oumuamua是從一顆活躍彗星彗發中的塵埃顆粒集合體中生長出來的，然後逃逸出來的。這種型別的物質在地球上是未知的，但可能在星際空間的終極真空中生存下來。
考慮到‘Oumuamua是多麼奇怪，最令人難以置信的可能是像它這樣的物體一定很常見。我們知道，這個相對微小的天體之所以被探測到，僅僅是因為它靠近地球，而且人類在短短幾年內才具備看到這樣一個物體的能力（Pan-STARRS設施於2010年開始執行，但在近十年後才達到完全效率）。僅憑統計資料，這兩個事實就讓科學家們估計出，每單位空間體積內類似的星際入侵者的數量約為每10立方天文單位一個（一個天文單位，或AU，是地球和太陽之間的距離）。因此，在我們太陽系的行星區域（定義為半徑為海王星軌道半徑的球體）中，必定存在約10,000個類似的物體，其中‘Oumuamua只是第一個足夠接近，可以在Pan-STARRS的執行壽命中被探測到的物體。如果這些物體大約需要十年才能穿過行星區域，那麼星際入侵者到達的平均速率必定約為每天三個！
那麼，這個頻率對‘Oumuamua的起源有何啟示呢？外星人可能有能力傳送一個土星五號大小的火箭或一大塊類似聚酯薄膜的材料穿過銀河系並穿過我們的太陽系，但他們為什麼要傳送這麼多呢？更令人震驚的是，如果我們從太陽系將我們的分析推斷到整個銀河系，我們發現銀河系中必定存在1 × 1024到1 × 1025（一萬億萬億到十萬億萬億）個類似的物體。很難相信一個外星文明會有能力用如此多的太空垃圾淹沒銀河系，而且更難理解他們為什麼要這樣做。因此，鑑於“非常的主張需要非常的證據”這一格言，大多數天文學家認為‘Oumuamua只是來自銀河系其他地方的一塊形狀怪異但天然的碎片。
圖片來源：馬修·特沃姆利；來源：小天體資料庫瀏覽器，噴氣推進實驗室/NASA（軌跡）
第二個發現
‘Oumuamua的怪異性讓天文學家們熱切期待著第二個星際入侵者的發現。下一個會像第一個一樣古怪，還是會看起來像一顆普通的太陽系彗星或一顆沒有非引力運動的小行星？
在不瞭解這些問題的答案的情況下，我們預測第二個物體會在一兩年內到達，這是基於每10立方天文單位必定存在約一個像‘Oumuamua這樣的天體的估計。令我們高興的是，在‘Oumuamua出現兩年後，烏克蘭業餘天文學家根納季·鮑裡索夫使用自制望遠鏡發現了C/2019 Q4；它很快被重新命名為2I/Borisov——第二個星際物體。它的軌道甚至比‘Oumuamua的軌道更極端，但它似乎是一顆相當普通的彗星。來自哈勃太空望遠鏡的測量表明，它的彗核比‘Oumuamua大，半徑在0.2到0.5公里之間。與‘Oumuamua相比，2I/Borisov沒有顯示出極端的光變曲線，其非引力運動僅僅是由於冰從其表面脫落而導致的不對稱脫氣的結果，就像太陽系彗星一樣。2020年3月，它的亮度短暫地爆發，然後呈現出雙重外觀，因為一小塊彗核脫落了，這在太陽系彗星中是很常見的。換句話說，這個天體幾乎完全符合我們對星際物體可能樣子的預期。
我們的預期是基於行星形成的理論，這些理論表明存在一種現成的機制，可以將一些物體從其所屬的行星系統中踢出並進入銀河系，在那裡它們最終可能會到達我們宇宙中這個小角落。研究表明，行星形成開始時是有序的，但結束時卻是一片混亂。例如，太陽誕生於46億年前，誕生於一個扁平的、旋轉的圓盤中，該圓盤隨著巨大的分子云在其自身引力作用下收縮而增長。這個由氣體、冰和塵埃組成的圓盤為中心新生的恆星提供養料，密度非常高，這使得微小的顆粒能夠碰撞並相互粘附。最初形成的是卵石，然後是稱為星子的大型天體，最終是行星。一些星子在形成後不久被散射到外太陽系時，逃脫了進一步的生長和加熱。在那裡，在深度凍結中，它們幾乎保持了自那時以來的狀態，沒有改變。
但是，有時，這些天體會散射回內部系統，在那裡，太陽的熱量會導致它們的冰昇華；它們會形成噴射物質的彗尾，我們稱之為彗星。其他星子則完全被驅逐出系統，註定要在星塵中永恆地漂流。一旦迷失在浩瀚的銀河系中，這樣的物體重新進入其來源行星系統的機會微乎其微，但它肯定會被外星恆星的引力所偏轉。鑑於這個過程的混亂性以及‘Oumuamua和Borisov在我們到達之前必定經歷過的無數次遭遇，我們可能永遠無法確切地知道這些物體已經漂流了多久，也無法有信心地確定它們來自哪裡。
儘管如此，我們可以確信Borisov是一個來自未知恆星的行星形成盤外部區域的富含冰的星子。事實上，我們從Borisov身上學到的一切——以及它提供的證據，證明一些星際物體看起來非常符合我們的預期——都突顯了‘Oumuamua的怪異之處。鑑於兩者之間存在著非同尋常的差異，我們沒有理由假設它們具有共同的起源。
天文學家仍在努力研究‘Oumuamua到底是什麼，新的想法經常出現。芝加哥大學的達里爾·塞利格曼和耶魯大學的格雷戈裡·勞克林在2020年5月提出的一個建議是，‘Oumuamua是一種由分子氫冰構成的新型天體——一種起源於分子云最冷區域的宇宙冰山。然而，在2020年6月，勒布和韓國天文與空間科學研究所的提姆·黃認為，分子氫非常不穩定，以至於這樣的天體既不可能在分子云中形成，也不可能在星際旅行中倖存下來。中國科學院國家天文臺的張韻和加州大學聖克魯茲分校的道格拉斯·N.C.林在同年4月提出的另一種選擇是，‘Oumuamua可能反而是行星或其他天體過於靠近其母星時，被引力撕裂而產生的碎片。
撇開‘Oumuamua的奇怪特性不談，該物體竟然被探測到本身就與關於行星系統形成的傳統觀點背道而馳，傳統觀點認為星際訪客應該非常罕見。我們可以根據觀測到的恆星數量以及我們對恆星和行星形成、恆星演化和動力學的瞭解，估計我們預期存在的每單位空間體積內的星際星子數量。計算涉及許多不確定性，但一個慷慨的上限至少是先前提到的行星區域中此類物體統計頻率估計值10,000個的十分之一到百分之一。簡而言之，我們無法解釋銀河系中有如此多的垃圾。也許隨著我們探測到更多的星際入侵者並更好地瞭解它們，推斷和估計出的空間密度值將開始收斂。但也有可能我們遺漏了一個重要的星際物體來源——也許除了我們描述的星子散射之外，太空中的某些過程創造了到達我們這裡的天體。
圖片來源：馬修·特沃姆利；來源：小天體資料庫瀏覽器，噴氣推進實驗室/NASA（軌跡）
來自遙遠的救生艇
除了教給我們關於行星系統如何形成的知識外，星際訪客的發現可能還與科學中最基本的奧秘之一有關：地球上的生命是如何開始的？一種稱為泛種論的觀點認為，古代生物的種子搭乘來自其他系統的asteroid的順風車。
正如我們預計星際天體會偶爾進入我們的太陽系一樣，我們也必須假設它們有時會撞擊我們的星球。根據我們從‘Oumuamua和2I/Borisov的探測中推斷出的每10立方天文單位一個物體的數值，我們可以估計，類似的物體大約每1億到2億年撞擊一次，比大小相當的小行星的撞擊頻率低數千倍。大多數可能會在大氣層中爆炸並消散，但少數會真正到達地面。科學家估計，在過去的漫長歲月中，必須有數十億噸的星際物質撞擊過地球。
這些撞擊是否有可能將生命帶到我們的星球？現代科學的泛種論概念可以追溯到19世紀。令人驚訝的是，小行星和彗星可能是脆弱細胞生命的良好保護者。能夠破壞DNA的有害宇宙射線只能穿透固體物質幾米深，因此埋藏在岩石內部的活細胞可能在持續數百萬甚至數億年的星際旅程中倖存下來。在接近零度的星際溫度下，任何細胞都將處於休眠狀態。它們需要承受行星撞擊的衝擊，但這可能不像聽起來那麼成問題。實驗已經表明，地球細菌可以在宇宙速度的撞擊中倖存下來。儘管沒有證據表明生命透過搭乘小行星和彗星的腹部在銀河系中傳播，但鑑於我們目前的無知狀態，我們必須承認這種可能性仍然存在。
為了提高我們對星際物體的理解，我們需要找到更多例子。目前，只有兩個例子可供參考，我們的掌握非常有限。幸運的是，天文學的新發展使得我們很可能很快就會觀測到數十個類似的物體，而這些發現將使我們能夠更好地確定統計資料並瞭解它們的物理特性。大多數專業望遠鏡的視野非常小，通常只有滿月面積的千分之幾。但是，光學器件和大型探測器現在能夠在單次拍攝中捕捉到整個月球甚至更多，並在一個或兩個晚上的連續掃描中捕捉到整個天空。強大的計算機使得比較連續的全天掃描以找到移動物體（包括星際入侵者）成為可能。
擁有更大的星際物體樣本將幫助我們回答關於物體本身的許多問題。有多少星際入侵者像‘Oumuamua一樣奇怪地無冰且細長，又有多少像2I/Borisov這樣的彗星？有沒有更大的例子？有沒有更小的例子？它們是由什麼構成的？是否有一些真的足夠多孔，可以被光壓推動？在智利山頂正在建設中的魯賓天文臺的新資料應該會提供新的見解。魯賓望遠鏡有一個直徑8.4米的聚光鏡和一個30億畫素的探測器，這在十年前是不可想象的。來自這個巨型相機的每張影像都將覆蓋月球面積的40倍，這是一個巨大的進步。它還將比以往任何時候都更系統地、更深入地、反覆地巡視天空。這個新設施預計將大量揭示星際入侵者，以及來自我們自身太陽系的大量小行星、彗星和柯伊伯帶天體。
為了真正瞭解任何給定的星際入侵者的性質，我們希望派遣一艘宇宙飛船去訪問它，甚至著陸在其上。一個實際問題是，制定計劃的時間不多，因為這些物體移動得太快。‘Oumuamua在其被發現後的幾個月內就變得即使是最大的望遠鏡也無法看到。預計2I/Borisov將在幾年內變得太暗而無法探測到。相比之下，太空任務通常需要十年或更長時間，包括其設計、批准、建造和發射，這使得為任何特定的星際目標制定計劃變得不可能。一個可能的解決方案是在知道任務將前往何處之前，將宇宙飛船送入儲存軌道。這就是歐洲航天局計劃於2029年發射的彗星攔截器背後的想法。攔截器將停泊在距離地球150萬公里的地球L2拉格朗日點，在那裡它可以輕鬆地維持穩定的軌道，等待有趣的物體飛掠而過。然而，除非有星際入侵者碰巧非常靠近L2，否則攔截器缺乏與星際入侵者會合的能力。
功能更強大的火箭本質上是沉重且發射成本高昂的；即使飛掠是可能的，加速到雙曲線軌道速度以獲取樣本也不容易。由新型推進方法（例如，由來自地球的雷射束或太陽輻射壓力加速的光帆）驅動的宇宙飛船是另一種選擇，但它們也涉及自身的困難。儘管如此，能夠近距離檢查一個明確起源於我們太陽系之外的物體的前景是非凡的，科學家們在提出各種方法來做到這一點時毫不羞澀。無論如何，我們將從我們的星際訪客那裡撬開秘密。