那些宇宙中的流浪者

谢懿

近几年来，天文学中正刮起一场打破常规、突破范式和模糊类别的旋风。引发这场风暴的正是宇宙中一系列最不可能的天体：流浪天体。

这一切都始于1996年，当时哈勃空间望远镜发现了游离在星系引力束缚之外的流浪恒星。两年后，又发现了第一颗疑似流浪的行星，它不围绕任何一颗恒星旋转，反倒在太空中自由穿行。此后，科学家又发现了十几颗潜在的流浪行星、两个星际天体以及数百颗从银河系奔向仙女星系的流浪恒星。

这些不同寻常的天体打破了天文学家以宿主系统对天体进行分类的传统——卫星隶属于行星，行星隶属于恒星，恒星属于星系，等等。一旦突破这个等级式的框架，可以想象宇宙中充满了没有宿主行星的卫星、没有宿主恒星的行星，以及没有宿主星系的恒星或黑洞。虽然还没有确切而严格的定义，但流浪天体一般是指摆脱了原有系统隶属关系的天体。幸运的是，新一代空间和地面望远镜将会解开它们身上的秘密。

星际闯入者

此前发现的两个流浪天体就在太阳系中，2017年10月发现的奥陌陌和2019年8月发现的鲍里索夫星际彗星。它们都是意料之外的发现，是已知第一批来自太阳系之外的访客。

从表面上看，鲍里索夫彗星似曾相识，它有着与太阳系彗星类似的大小和行为。然而，重大的差别就在于速度和轨迹。鲍里索夫彗星在双曲线轨道上运动，速度高达32千米/秒。这两点意味着它并非太阳系的原住民。其运动速度过高，太阳的引力无法束缚住它。类似于奥陌陌的开放轨道表明，它并非起源自太阳系，并且最终也会离开太阳系。

另一边的奥陌陌则在每个方面都显得特立独行。它的形状如同长棍面包，长是宽的6倍。虽然它的运动速度比鲍里索夫彗星慢得多，但也足以飞出太阳系。每过4个小时，其亮度就会发生变化，明暗度相差12倍，表明它会在太空中翻滚。没有彗发（即彗核的蒸发物）说明它是一颗岩质小行星，但随着它不断远离太阳，奇怪的事情发生了——它在加速。对此最有可能的解释是它因太阳加热而释放出气体。如果真是如此，那它就应该形成一个由气体和尘埃组成的彗发，并且自转速率也会加快。但这两点都没有出现。

外星冰山

那么，奥陌陌究竟是一颗彗星、小行星还是其他什么东西？在过近日点之后大约40天，我们就已无法再看见它了，由此也失去了了解其特性的关键信息。有人提出，它是外星飞船或光帆，但大多数天文学家都表示反对，因为没有探测到它发出的任何无线电信号，而它足球场般的长度会需要一张薄如纸的帆才能产生观测到的加速度。其他科学家则提出了更加自然的解释——它在阳光直射的地方排出气体，并随着自转直射点的不断变化，它像单摆一样来回滚动，它的表面也在向阳和背阴的交替中被不断加热和冷却。

最近，有人提出奥陌陌可能是一座氢冰山。长久以来，科学界一直猜想存在星际分子氢冰，但从未真的探测到。这是一种神秘的物质，一些宇宙学家曾相信分子云中就包含了大量分子氢冰，它们充当了把星系束缚在一起的暗物质。

由于从未探测到该物质成分，因此这一解释确实会显得有点牵强。但如果真的有分子氢冰存在，那么就完全可以用它解释发生在奥陌陌身上的现象。除了这一解释，其他可能的排气机制要么易于探测，要么会排出大量气体，都与观测结果不符。而分子氢冰因为其难以探测，且可以作为增压推进剂，甚至是目前最好的加速剂。虽然氮和其他物质也能奏效，但这需要其整个表面都被这些物质覆盖，而分子氢冰只需要零散分布即可实现同样效果。它还能解释奥陌陌的长条形——它在受阳光照射时，长轴表面会接收到更多光线，因此会以更快的速度融化。这很像我们用花洒冲淋肥皂，肥皂也会缩小变成长条形。

对太阳系中的居民来说，已经不会再见到奥陌陌了，于是，我们也永远无法知道到底发生了什么。不过，仅在两年的时间里就恰巧发现了奥陌陌和鲍里索夫这两个星际天体，这也在一定程度上说明，在我们的太阳系中，应该还存在许多类似的天体。

幸运的是，发现它们所需的技术很快就会问世。位于智利的薇拉·鲁宾天文台计划于2023年投入运转。它拥有一台能够拍摄32亿像素照片的相机，可以每3个晚上就对整个天空进行一次巡视，开展具有里程碑意义的为期10年的宇宙研究，由此可以发现近在太阳系中的星际天体和近地小行星，以及远在宇宙深处的超新星和伽马射线暴。

流浪行星

到21世纪20年代末，美国航空航天局（NASA）计划发射南希·格雷丝·罗曼空间望远镜来寻找另一类流浪天体——流浪行星，即不围绕任何恒星公转的行星。罗曼空间望远镜具有与哈勃空间望远镜相当的分辨率，其视场却是后者的100倍，并且具有能穿透银河系尘埃和气体的红外观测能力。它的主要目标是搜寻太阳系外行星，研究暗物质和暗能量。根据最新的研究，罗曼空间望远镜很有可能会发现一些同样惊人的东西，那就是数量比可见恒星还要多的流浪行星。

虽然银河系中可能充满了流浪行星，但目前对它们还没有一个明确的定义。奥陌陌的发现表明，在太阳系内外可能一直存在着许多极低质量的自由运动天体，只是眼下有了更好的探测手段才发现了它们。

罗曼空间望远镜最令人兴奋的地方之一就是它可以探测到质量和冥王星相当的流浪行星，为此它会利用微引力透镜等多种方法。地面观测团队已由此发现了一些流浪行星候选体。一个多世纪前，爱因斯坦就预言了引力透镜——一个大质量天体的引力场会弯曲并放大其后方的天体所发出的光。当一颗流浪行星从一颗距离更远的恒星前方经过时，它也会放大后者的亮度。这一亮度变化事件的持续时间和流浪行星的质量有关。质量越小，微引力透镜事件持续的时间就越短。

位于智利的光学引力透镜实验正在使用一架1.3米口径的望远镜来搜寻这样的事件。目前观测到的绝大多数事件持续时间都是几天，是由恒星造成的。流浪行星引发的微引力透镜事件持续时间只有几个小时。此前发现了一个质量比地球还小的流浪行星候选体，其导致的微引力透镜事件时长打破了纪录，为41.5分钟。除了事件持续的时间之外，流浪行星的质量也决定了背景恒星的亮度随时间的变化，即光变曲线。综合罗曼空间望远镜和地面鲁宾天文台的观测结果，可以估计出微引力透镜事件中流浪行星的距離，更加精确地测定它的质量。此外，导致上述事件的也有可能是一颗行星，但它到其宿主恒星的距离是日地距离的至少8倍。

对流浪行星的起源，科学家提出了多种可能性。一种解释是，在其宿主恒星演化成红巨星时，行星会从该系统中逃逸，成为流浪行星。这是因为，在这个过程中恒星会抛射外部包层，其质量和所能施加的引力都会减小，对其最遥远行星的束缚能力也随之下降。当太阳演化到晚期时，天王星和海王星很可能也会脱离太阳的束缚。另一种解释认为，一颗恒星从另一个恒星系统附近经过时，可以剥离距宿主恒星较远的行星，使其自由运动。第三种解释是，在形成初期，行星间会竞相吸积物质生长，并频繁发生相互作用，质量较大的行星会把质量较小的行星散射出该系统。

一些疑似流浪行星的天体实则可能是已经熄灭的褐矮星。它们已经耗尽了所有的氘，无法产生足够的压强和热量来启动其他的核反应。为了燃烧氘，这些褐矮星最初的质量都在木星的13倍以上。随着能支撑其自身物质的辐射压不断下降，它们会冷却并收缩。

已知温度最低的褐矮星温度为-23℃，比地球表面的平均温度还低。那么它究竟是一颗行星，还是一颗褐矮星？这是眼下的一大争议热点。

虽然发现了不少候选体，但目前还无法确认它们是否真是流浪行星，还是某颗距离其宿主恒星较远的行星。这需要等到下一代30米口径巨型望远镜投入使用才会得知结果。借由其强大的分辨能力，通过测量天体在天空中的运动，可以把这些行星可能的宿主恒星和背景恒星区分开。

任性的卫星

如果行星能去流浪，那它们的卫星呢？在恒星系统中，对流浪卫星的搜寻也已开始。这些卫星先前绕着行星运动，但由于某些原因挣脱了行星的引力束缚，进入了独立于其原始宿主行星且环绕恒星公转的轨道。由于太阳系外卫星的数目应该会远超行星，因此存在流浪卫星的可能性极高。但要想探测到它们，就算是对下一代技术手段而言也极为困难。

目前，科学界对流浪卫星的认识都来自理论模型。计算机模拟显示，在宿主行星与其宿主恒星的剧烈相互作用下，会形成流浪行星。热类木星会以螺旋般的轨迹向内运动靠近其宿主恒星，其轨道半径尚不足水星轨道的大小。随着它不断接近宿主恒星，潮汐力就會开始撕扯它。在引力和摩擦力复杂的共同作用下，行星的潮汐隆起会降低它的自转速度，但会抬高它周围卫星的轨道。随着卫星轨道的升高，行星和卫星间的束缚力就会减小，直至宿主恒星的引力把这颗卫星从其行星旁剥离。

当这样一颗巨行星及其卫星所围绕的宿主恒星隶属于一个双星系统时，被剥离出来的卫星就有可能成为一颗流浪卫星。第二颗恒星的引力会把行星推到一条大偏心率轨道上，把它送到非常靠近其宿主恒星的地方。由此，卫星会在恒星的引力作用下脱离行星的束缚，进入一条独立的轨道。

研究显示，在这个过程中，仅有约10%的卫星能存活下来，其余的会飞入恒星、撞上行星或者被恒星的辐射气化，留下一个由尘埃、气体和残骸构成的环。这些残骸环会不断使得其宿主恒星的视亮度变暗。没有成功逃逸而被摧毁的卫星，也解释了为什么有些太阳系外行星会拥有几十道光环。

这些现象几乎都会发生，但问题是它们发生的概率是否足以产生能被现有仪器设备探测到的事件。到目前为止，这些残骸环也许是推测流浪卫星存在的最佳机会。毕竟，就算在某颗恒星周围发现了流浪卫星，也很难把它和普通行星区分开。这个问题还没有被审慎地研究过，也许天文学家将来会在不知情的状态下寻找到这些流浪卫星。

流浪恒星

如果卫星可以挣脱行星，行星可以挣脱恒星，那么恒星是否也能挣脱星系呢？100多年前，问这个问题都是没有意义的，因为当时认为银河系就是整个宇宙。就算是当时最顶尖的天文学家，说不定也会嘲笑存在众多星系的想法。但是，1908年亨利埃塔·莱维特发现造父变星可以用来测量距离，此后的1924年，埃德温·哈勃对仙女星系中的造父变星进行了测量，由此证明宇宙中包含了无数个星系。在异常强大的引力束缚下，每一个星系又可能包含了数十亿颗恒星。

很难想象恒星可以从星系中逃脱。然而，1997年哈勃空间望远镜在室女星系团中发现了数百颗游荡的红巨星，它们不属于任何一个星系。2005年，又发现有恒星正在以240万千米/时的速度飞离银河系。几年前，在银河系的边缘发现了数百颗超高速星，它们正在飞向仙女星系。与此同时，天文学家开始使用搭载在探空火箭上的近红外望远镜来探测原初星系发出的光。结果探测到了一片微弱且弥散的光，但它太蓝也太亮了，不可能来自极为遥远的天体，因为后者的光会被明显地红移到频率更靠近红端的波段上。由此得出结论，这些光来自流浪恒星，且宇宙中流浪恒星的数目远超此前人们的想象。

这些恒星很有可能是在星系间发生碰撞时被抛射出来的。这些碰撞往往十分剧烈，星系在并合长大的同时，也会抛射出很多物质。极为遥远的流浪恒星兴许有助于解决重子物质缺失问题——在宇宙学中，即便加上所有已知的星系，仍有大量本该被观测到的物质和光不见了踪影。

重子缺失问题并非暗物质问题，后者充满整个宇宙，并且是维系星系的主要引力源。如果把所有可见星系的光加起来，其总和差不多与星系之外所有流浪恒星的光总量相当。对这些孱弱的辉光还有其他更加另类的解释，例如暗物质的衰变等。但流浪恒星似乎是所有解释中最佳的选择。

目前，人类正在计划发射新的探空火箭，其探测能力可以延伸到可见光波段，这将有助于证明这些辉光确实源于星光。

眼花缭乱

星系际流浪天体还不止于此。在室女星系团中，有一些球状星团会在星系间的空隙中游荡。有人怀疑它们其实是在环绕着居无定所的黑洞转动，后者是在星系间的相互作用下被抛射出来的。不仅如此，有天文学家把流浪天体的质量推向了极致。他们计算发现，在环绕星系中心超大质量黑洞转动的气体和尘埃盘中，可以形成不围绕任何恒星转动的行星，其质量可以达到地球的3000倍。这些黑洞行星会被束缚在距离黑洞视界10光年的范围内运动。

可见流浪天体的世界令人眼花缭乱。卫星可以成为流浪卫星，失败的恒星可以成为流浪恒星，星际小行星表现得像彗星，黑洞会孕育出黑洞行星。天文学家相信，在银河系的恒星之间也许飘浮着许许多多的行星，在宇宙中的星系之间则游荡着许多恒星。随着望远镜看得越来越深入，各色天体就会越来越丰富，不断颠覆我们对太阳系、银河系乃至更遥远宇宙的认识。