謝懿

近幾年來(lái)，天文學(xué)中正刮起一場(chǎng)打破常規(guī)、突破范式和模糊類別的旋風(fēng)。引發(fā)這場(chǎng)風(fēng)暴的正是宇宙中一系列最不可能的天體：流浪天體。

這一切都始于1996年，當(dāng)時(shí)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了游離在星系引力束縛之外的流浪恒星。兩年后，又發(fā)現(xiàn)了第一顆疑似流浪的行星，它不圍繞任何一顆恒星旋轉(zhuǎn)，反倒在太空中自由穿行。此后，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了十幾顆潛在的流浪行星、兩個(gè)星際天體以及數(shù)百顆從銀河系奔向仙女星系的流浪恒星。

這些不同尋常的天體打破了天文學(xué)家以宿主系統(tǒng)對(duì)天體進(jìn)行分類的傳統(tǒng)——衛(wèi)星隸屬于行星，行星隸屬于恒星，恒星屬于星系，等等。一旦突破這個(gè)等級(jí)式的框架，可以想象宇宙中充滿了沒(méi)有宿主行星的衛(wèi)星、沒(méi)有宿主恒星的行星，以及沒(méi)有宿主星系的恒星或黑洞。雖然還沒(méi)有確切而嚴(yán)格的定義，但流浪天體一般是指擺脫了原有系統(tǒng)隸屬關(guān)系的天體。幸運(yùn)的是，新一代空間和地面望遠(yuǎn)鏡將會(huì)解開(kāi)它們身上的秘密。

星際闖入者

此前發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)流浪天體就在太陽(yáng)系中，2017年10月發(fā)現(xiàn)的奧陌陌和2019年8月發(fā)現(xiàn)的鮑里索夫星際彗星。它們都是意料之外的發(fā)現(xiàn)，是已知第一批來(lái)自太陽(yáng)系之外的訪客。

從表面上看，鮑里索夫彗星似曾相識(shí)，它有著與太陽(yáng)系彗星類似的大小和行為。然而，重大的差別就在于速度和軌跡。鮑里索夫彗星在雙曲線軌道上運(yùn)動(dòng)，速度高達(dá)32千米/秒。這兩點(diǎn)意味著它并非太陽(yáng)系的原住民。其運(yùn)動(dòng)速度過(guò)高，太陽(yáng)的引力無(wú)法束縛住它。類似于奧陌陌的開(kāi)放軌道表明，它并非起源自太陽(yáng)系，并且最終也會(huì)離開(kāi)太陽(yáng)系。

另一邊的奧陌陌則在每個(gè)方面都顯得特立獨(dú)行。它的形狀如同長(zhǎng)棍面包，長(zhǎng)是寬的6倍。雖然它的運(yùn)動(dòng)速度比鮑里索夫彗星慢得多，但也足以飛出太陽(yáng)系。每過(guò)4個(gè)小時(shí)，其亮度就會(huì)發(fā)生變化，明暗度相差12倍，表明它會(huì)在太空中翻滾。沒(méi)有彗發(fā)（即彗核的蒸發(fā)物）說(shuō)明它是一顆巖質(zhì)小行星，但隨著它不斷遠(yuǎn)離太陽(yáng)，奇怪的事情發(fā)生了——它在加速。對(duì)此最有可能的解釋是它因太陽(yáng)加熱而釋放出氣體。如果真是如此，那它就應(yīng)該形成一個(gè)由氣體和塵埃組成的彗發(fā)，并且自轉(zhuǎn)速率也會(huì)加快。但這兩點(diǎn)都沒(méi)有出現(xiàn)。

外星冰山

那么，奧陌陌究竟是一顆彗星、小行星還是其他什么東西？在過(guò)近日點(diǎn)之后大約40天，我們就已無(wú)法再看見(jiàn)它了，由此也失去了了解其特性的關(guān)鍵信息。有人提出，它是外星飛船或光帆，但大多數(shù)天文學(xué)家都表示反對(duì)，因?yàn)闆](méi)有探測(cè)到它發(fā)出的任何無(wú)線電信號(hào)，而它足球場(chǎng)般的長(zhǎng)度會(huì)需要一張薄如紙的帆才能產(chǎn)生觀測(cè)到的加速度。其他科學(xué)家則提出了更加自然的解釋——它在陽(yáng)光直射的地方排出氣體，并隨著自轉(zhuǎn)直射點(diǎn)的不斷變化，它像單擺一樣來(lái)回滾動(dòng)，它的表面也在向陽(yáng)和背陰的交替中被不斷加熱和冷卻。

最近，有人提出奧陌陌可能是一座氫冰山。長(zhǎng)久以來(lái)，科學(xué)界一直猜想存在星際分子氫冰，但從未真的探測(cè)到。這是一種神秘的物質(zhì)，一些宇宙學(xué)家曾相信分子云中就包含了大量分子氫冰，它們充當(dāng)了把星系束縛在一起的暗物質(zhì)。

由于從未探測(cè)到該物質(zhì)成分，因此這一解釋確實(shí)會(huì)顯得有點(diǎn)牽強(qiáng)。但如果真的有分子氫冰存在，那么就完全可以用它解釋發(fā)生在奧陌陌身上的現(xiàn)象。除了這一解釋，其他可能的排氣機(jī)制要么易于探測(cè)，要么會(huì)排出大量氣體，都與觀測(cè)結(jié)果不符。而分子氫冰因?yàn)槠潆y以探測(cè)，且可以作為增壓推進(jìn)劑，甚至是目前最好的加速劑。雖然氮和其他物質(zhì)也能奏效，但這需要其整個(gè)表面都被這些物質(zhì)覆蓋，而分子氫冰只需要零散分布即可實(shí)現(xiàn)同樣效果。它還能解釋奧陌陌的長(zhǎng)條形——它在受陽(yáng)光照射時(shí)，長(zhǎng)軸表面會(huì)接收到更多光線，因此會(huì)以更快的速度融化。這很像我們用花灑沖淋肥皂，肥皂也會(huì)縮小變成長(zhǎng)條形。

對(duì)太陽(yáng)系中的居民來(lái)說(shuō)，已經(jīng)不會(huì)再見(jiàn)到奧陌陌了，于是，我們也永遠(yuǎn)無(wú)法知道到底發(fā)生了什么。不過(guò)，僅在兩年的時(shí)間里就恰巧發(fā)現(xiàn)了奧陌陌和鮑里索夫這兩個(gè)星際天體，這也在一定程度上說(shuō)明，在我們的太陽(yáng)系中，應(yīng)該還存在許多類似的天體。

幸運(yùn)的是，發(fā)現(xiàn)它們所需的技術(shù)很快就會(huì)問(wèn)世。位于智利的薇拉·魯賓天文臺(tái)計(jì)劃于2023年投入運(yùn)轉(zhuǎn)。它擁有一臺(tái)能夠拍攝32億像素照片的相機(jī)，可以每3個(gè)晚上就對(duì)整個(gè)天空進(jìn)行一次巡視，開(kāi)展具有里程碑意義的為期10年的宇宙研究，由此可以發(fā)現(xiàn)近在太陽(yáng)系中的星際天體和近地小行星，以及遠(yuǎn)在宇宙深處的超新星和伽馬射線暴。

流浪行星

到21世紀(jì)20年代末，美國(guó)航空航天局（NASA）計(jì)劃發(fā)射南希·格雷絲·羅曼空間望遠(yuǎn)鏡來(lái)尋找另一類流浪天體——流浪行星，即不圍繞任何恒星公轉(zhuǎn)的行星。羅曼空間望遠(yuǎn)鏡具有與哈勃空間望遠(yuǎn)鏡相當(dāng)?shù)姆直媛?，其視?chǎng)卻是后者的100倍，并且具有能穿透銀河系塵埃和氣體的紅外觀測(cè)能力。它的主要目標(biāo)是搜尋太陽(yáng)系外行星，研究暗物質(zhì)和暗能量。根據(jù)最新的研究，羅曼空間望遠(yuǎn)鏡很有可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一些同樣驚人的東西，那就是數(shù)量比可見(jiàn)恒星還要多的流浪行星。

雖然銀河系中可能充滿了流浪行星，但目前對(duì)它們還沒(méi)有一個(gè)明確的定義。奧陌陌的發(fā)現(xiàn)表明，在太陽(yáng)系內(nèi)外可能一直存在著許多極低質(zhì)量的自由運(yùn)動(dòng)天體，只是眼下有了更好的探測(cè)手段才發(fā)現(xiàn)了它們。

羅曼空間望遠(yuǎn)鏡最令人興奮的地方之一就是它可以探測(cè)到質(zhì)量和冥王星相當(dāng)?shù)牧骼诵行?，為此它?huì)利用微引力透鏡等多種方法。地面觀測(cè)團(tuán)隊(duì)已由此發(fā)現(xiàn)了一些流浪行星候選體。一個(gè)多世紀(jì)前，愛(ài)因斯坦就預(yù)言了引力透鏡——一個(gè)大質(zhì)量天體的引力場(chǎng)會(huì)彎曲并放大其后方的天體所發(fā)出的光。當(dāng)一顆流浪行星從一顆距離更遠(yuǎn)的恒星前方經(jīng)過(guò)時(shí)，它也會(huì)放大后者的亮度。這一亮度變化事件的持續(xù)時(shí)間和流浪行星的質(zhì)量有關(guān)。質(zhì)量越小，微引力透鏡事件持續(xù)的時(shí)間就越短。

位于智利的光學(xué)引力透鏡實(shí)驗(yàn)正在使用一架1.3米口徑的望遠(yuǎn)鏡來(lái)搜尋這樣的事件。目前觀測(cè)到的絕大多數(shù)事件持續(xù)時(shí)間都是幾天，是由恒星造成的。流浪行星引發(fā)的微引力透鏡事件持續(xù)時(shí)間只有幾個(gè)小時(shí)。此前發(fā)現(xiàn)了一個(gè)質(zhì)量比地球還小的流浪行星候選體，其導(dǎo)致的微引力透鏡事件時(shí)長(zhǎng)打破了紀(jì)錄，為41.5分鐘。除了事件持續(xù)的時(shí)間之外，流浪行星的質(zhì)量也決定了背景恒星的亮度隨時(shí)間的變化，即光變曲線。綜合羅曼空間望遠(yuǎn)鏡和地面魯賓天文臺(tái)的觀測(cè)結(jié)果，可以估計(jì)出微引力透鏡事件中流浪行星的距離，更加精確地測(cè)定它的質(zhì)量。此外，導(dǎo)致上述事件的也有可能是一顆行星，但它到其宿主恒星的距離是日地距離的至少8倍。

對(duì)流浪行星的起源，科學(xué)家提出了多種可能性。一種解釋是，在其宿主恒星演化成紅巨星時(shí)，行星會(huì)從該系統(tǒng)中逃逸，成為流浪行星。這是因?yàn)?，在這個(gè)過(guò)程中恒星會(huì)拋射外部包層，其質(zhì)量和所能施加的引力都會(huì)減小，對(duì)其最遙遠(yuǎn)行星的束縛能力也隨之下降。當(dāng)太陽(yáng)演化到晚期時(shí)，天王星和海王星很可能也會(huì)脫離太陽(yáng)的束縛。另一種解釋認(rèn)為，一顆恒星從另一個(gè)恒星系統(tǒng)附近經(jīng)過(guò)時(shí)，可以剝離距宿主恒星較遠(yuǎn)的行星，使其自由運(yùn)動(dòng)。第三種解釋是，在形成初期，行星間會(huì)競(jìng)相吸積物質(zhì)生長(zhǎng)，并頻繁發(fā)生相互作用，質(zhì)量較大的行星會(huì)把質(zhì)量較小的行星散射出該系統(tǒng)。

一些疑似流浪行星的天體實(shí)則可能是已經(jīng)熄滅的褐矮星。它們已經(jīng)耗盡了所有的氘，無(wú)法產(chǎn)生足夠的壓強(qiáng)和熱量來(lái)啟動(dòng)其他的核反應(yīng)。為了燃燒氘，這些褐矮星最初的質(zhì)量都在木星的13倍以上。隨著能支撐其自身物質(zhì)的輻射壓不斷下降，它們會(huì)冷卻并收縮。

已知溫度最低的褐矮星溫度為-23℃，比地球表面的平均溫度還低。那么它究竟是一顆行星，還是一顆褐矮星？這是眼下的一大爭(zhēng)議熱點(diǎn)。

雖然發(fā)現(xiàn)了不少候選體，但目前還無(wú)法確認(rèn)它們是否真是流浪行星，還是某顆距離其宿主恒星較遠(yuǎn)的行星。這需要等到下一代30米口徑巨型望遠(yuǎn)鏡投入使用才會(huì)得知結(jié)果。借由其強(qiáng)大的分辨能力，通過(guò)測(cè)量天體在天空中的運(yùn)動(dòng)，可以把這些行星可能的宿主恒星和背景恒星區(qū)分開(kāi)。

任性的衛(wèi)星

如果行星能去流浪，那它們的衛(wèi)星呢？在恒星系統(tǒng)中，對(duì)流浪衛(wèi)星的搜尋也已開(kāi)始。這些衛(wèi)星先前繞著行星運(yùn)動(dòng)，但由于某些原因掙脫了行星的引力束縛，進(jìn)入了獨(dú)立于其原始宿主行星且環(huán)繞恒星公轉(zhuǎn)的軌道。由于太陽(yáng)系外衛(wèi)星的數(shù)目應(yīng)該會(huì)遠(yuǎn)超行星，因此存在流浪衛(wèi)星的可能性極高。但要想探測(cè)到它們，就算是對(duì)下一代技術(shù)手段而言也極為困難。

目前，科學(xué)界對(duì)流浪衛(wèi)星的認(rèn)識(shí)都來(lái)自理論模型。計(jì)算機(jī)模擬顯示，在宿主行星與其宿主恒星的劇烈相互作用下，會(huì)形成流浪行星。熱類木星會(huì)以螺旋般的軌跡向內(nèi)運(yùn)動(dòng)靠近其宿主恒星，其軌道半徑尚不足水星軌道的大小。隨著它不斷接近宿主恒星，潮汐力就會(huì)開(kāi)始撕扯它。在引力和摩擦力復(fù)雜的共同作用下，行星的潮汐隆起會(huì)降低它的自轉(zhuǎn)速度，但會(huì)抬高它周圍衛(wèi)星的軌道。隨著衛(wèi)星軌道的升高，行星和衛(wèi)星間的束縛力就會(huì)減小，直至宿主恒星的引力把這顆衛(wèi)星從其行星旁剝離。

當(dāng)這樣一顆巨行星及其衛(wèi)星所圍繞的宿主恒星隸屬于一個(gè)雙星系統(tǒng)時(shí)，被剝離出來(lái)的衛(wèi)星就有可能成為一顆流浪衛(wèi)星。第二顆恒星的引力會(huì)把行星推到一條大偏心率軌道上，把它送到非?？拷渌拗骱阈堑牡胤健Ｓ纱?，衛(wèi)星會(huì)在恒星的引力作用下脫離行星的束縛，進(jìn)入一條獨(dú)立的軌道。

研究顯示，在這個(gè)過(guò)程中，僅有約10%的衛(wèi)星能存活下來(lái)，其余的會(huì)飛入恒星、撞上行星或者被恒星的輻射氣化，留下一個(gè)由塵埃、氣體和殘骸構(gòu)成的環(huán)。這些殘骸環(huán)會(huì)不斷使得其宿主恒星的視亮度變暗。沒(méi)有成功逃逸而被摧毀的衛(wèi)星，也解釋了為什么有些太陽(yáng)系外行星會(huì)擁有幾十道光環(huán)。

這些現(xiàn)象幾乎都會(huì)發(fā)生，但問(wèn)題是它們發(fā)生的概率是否足以產(chǎn)生能被現(xiàn)有儀器設(shè)備探測(cè)到的事件。到目前為止，這些殘骸環(huán)也許是推測(cè)流浪衛(wèi)星存在的最佳機(jī)會(huì)。畢竟，就算在某顆恒星周圍發(fā)現(xiàn)了流浪衛(wèi)星，也很難把它和普通行星區(qū)分開(kāi)。這個(gè)問(wèn)題還沒(méi)有被審慎地研究過(guò)，也許天文學(xué)家將來(lái)會(huì)在不知情的狀態(tài)下尋找到這些流浪衛(wèi)星。

流浪恒星

如果衛(wèi)星可以掙脫行星，行星可以掙脫恒星，那么恒星是否也能掙脫星系呢？100多年前，問(wèn)這個(gè)問(wèn)題都是沒(méi)有意義的，因?yàn)楫?dāng)時(shí)認(rèn)為銀河系就是整個(gè)宇宙。就算是當(dāng)時(shí)最頂尖的天文學(xué)家，說(shuō)不定也會(huì)嘲笑存在眾多星系的想法。但是，1908年亨利埃塔·萊維特發(fā)現(xiàn)造父變星可以用來(lái)測(cè)量距離，此后的1924年，埃德溫·哈勃對(duì)仙女星系中的造父變星進(jìn)行了測(cè)量，由此證明宇宙中包含了無(wú)數(shù)個(gè)星系。在異常強(qiáng)大的引力束縛下，每一個(gè)星系又可能包含了數(shù)十億顆恒星。

很難想象恒星可以從星系中逃脫。然而，1997年哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在室女星系團(tuán)中發(fā)現(xiàn)了數(shù)百顆游蕩的紅巨星，它們不屬于任何一個(gè)星系。2005年，又發(fā)現(xiàn)有恒星正在以240萬(wàn)千米/時(shí)的速度飛離銀河系。幾年前，在銀河系的邊緣發(fā)現(xiàn)了數(shù)百顆超高速星，它們正在飛向仙女星系。與此同時(shí)，天文學(xué)家開(kāi)始使用搭載在探空火箭上的近紅外望遠(yuǎn)鏡來(lái)探測(cè)原初星系發(fā)出的光。結(jié)果探測(cè)到了一片微弱且彌散的光，但它太藍(lán)也太亮了，不可能來(lái)自極為遙遠(yuǎn)的天體，因?yàn)楹笳叩墓鈺?huì)被明顯地紅移到頻率更靠近紅端的波段上。由此得出結(jié)論，這些光來(lái)自流浪恒星，且宇宙中流浪恒星的數(shù)目遠(yuǎn)超此前人們的想象。

這些恒星很有可能是在星系間發(fā)生碰撞時(shí)被拋射出來(lái)的。這些碰撞往往十分劇烈，星系在并合長(zhǎng)大的同時(shí)，也會(huì)拋射出很多物質(zhì)。極為遙遠(yuǎn)的流浪恒星興許有助于解決重子物質(zhì)缺失問(wèn)題——在宇宙學(xué)中，即便加上所有已知的星系，仍有大量本該被觀測(cè)到的物質(zhì)和光不見(jiàn)了蹤影。

重子缺失問(wèn)題并非暗物質(zhì)問(wèn)題，后者充滿整個(gè)宇宙，并且是維系星系的主要引力源。如果把所有可見(jiàn)星系的光加起來(lái)，其總和差不多與星系之外所有流浪恒星的光總量相當(dāng)。對(duì)這些孱弱的輝光還有其他更加另類的解釋，例如暗物質(zhì)的衰變等。但流浪恒星似乎是所有解釋中最佳的選擇。

目前，人類正在計(jì)劃發(fā)射新的探空火箭，其探測(cè)能力可以延伸到可見(jiàn)光波段，這將有助于證明這些輝光確實(shí)源于星光。

眼花繚亂

星系際流浪天體還不止于此。在室女星系團(tuán)中，有一些球狀星團(tuán)會(huì)在星系間的空隙中游蕩。有人懷疑它們其實(shí)是在環(huán)繞著居無(wú)定所的黑洞轉(zhuǎn)動(dòng)，后者是在星系間的相互作用下被拋射出來(lái)的。不僅如此，有天文學(xué)家把流浪天體的質(zhì)量推向了極致。他們計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在環(huán)繞星系中心超大質(zhì)量黑洞轉(zhuǎn)動(dòng)的氣體和塵埃盤中，可以形成不圍繞任何恒星轉(zhuǎn)動(dòng)的行星，其質(zhì)量可以達(dá)到地球的3000倍。這些黑洞行星會(huì)被束縛在距離黑洞視界10光年的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。

可見(jiàn)流浪天體的世界令人眼花繚亂。衛(wèi)星可以成為流浪衛(wèi)星，失敗的恒星可以成為流浪恒星，星際小行星表現(xiàn)得像彗星，黑洞會(huì)孕育出黑洞行星。天文學(xué)家相信，在銀河系的恒星之間也許飄浮著許許多多的行星，在宇宙中的星系之間則游蕩著許多恒星。隨著望遠(yuǎn)鏡看得越來(lái)越深入，各色天體就會(huì)越來(lái)越豐富，不斷顛覆我們對(duì)太陽(yáng)系、銀河系乃至更遙遠(yuǎn)宇宙的認(rèn)識(shí)。