Ấn tượng của nghệ sĩ về ʻOumuamua, vật thể liên sao đầu tiên được biết đến đi qua Hệ mặt trời. (ESO / M. KORNMESSER)

Một tỷ năm trong không gian giữa các vì sao: Những gì chúng ta biết ngày nay về 'Oumuamua

Đây là những gì chúng ta đã học được từ vật thể đầu tiên từng được phát hiện để vào Hệ Mặt trời từ không gian giữa các vì sao.

Hàng tỷ năm trước, Hệ mặt trời của chúng ta là một nơi cực kỳ khác biệt so với những gì chúng ta biết ngày nay. Trái đất không có sự sống đa bào trên đó: không thực vật, không động vật, không sinh sản hữu tính. Sao Thổ chưa có nhẫn, vì vụ va chạm phá hủy một trong những mặt trăng khổng lồ của nó chưa xảy ra. Và vành đai tiểu hành tinh đã phong phú hơn nhiều so với ngày nay, đầy những xác đá từ lâu đã bị hút ra ngoài không gian giữa các vì sao.

Mỗi hệ mặt trời, nếu chúng ta hiểu cách chúng hình thành chính xác, có một câu chuyện tương tự. Những cơ thể nhỏ bé, đá - cũng như những người thống trị băng ở xa hơn - sẽ bị đá bởi các hành tinh và các vật thể khác xung quanh chúng. Nhiều vật thể trong số này sẽ bị đẩy ra, di chuyển qua thiên hà cho đến khi chúng ngẫu nhiên đi vào vùng lân cận của hệ mặt trời ngoài hành tinh khác. Vào năm 2017, lần đầu tiên, chúng tôi đã phát hiện một vật thể đi qua Hệ mặt trời của chúng ta phải có nguồn gốc bên ngoài nó: liên sao giữa các vì sao 'Oumuamua. Đây là những gì chúng ta biết về nó ngày hôm nay.

Đối tượng bây giờ được gọi là 'Oumuamua ban đầu được gọi là C / 2017 U1 khi nó được cho là sao chổi, và sau đó là A / 2017 U1 khi nó được cho là một tiểu hành tinh. Ngày nay, nó được gọi là I / 2017 U1, vì đây là đối tượng liên sao (I) đầu tiên được biết đến thăm Hệ mặt trời của chúng ta. Nó đã tiếp cận Hệ mặt trời của chúng ta từ trên cao, đi gần Mặt trời nhất vào ngày 9 tháng 9. Hiện tại nó đang trên đường tới Thiên vương tinh, định ra khỏi Hệ mặt trời. (NASA / JPL-CALTECH)

Tên Hawaii 'Oumuamua có sức gợi phi thường, được dịch là một trinh sát hoặc sứ giả từ quá khứ xa xôi. Khi chúng tôi thấy vật thể này đi qua Hệ mặt trời của chúng tôi, nó nhảy ra như không giống bất cứ thứ gì khác. Mọi vật thể mà chúng ta từng tìm thấy đều có quỹ đạo liên quan đến Mặt trời của chúng ta. Bốn tùy chọn là:

  • hình tròn, có độ lệch tâm bằng 0,
  • hình elip, có độ lệch tâm từ 0 đến 1,
  • parabol, với độ lệch tâm chính xác là 1,
  • hoặc hyperbolic, với độ lệch tâm lớn hơn 1.

Chúng tôi đã tìm thấy các vật thể trong cả bốn lớp, với các vật thể hyperbol tương ứng với các sao chổi bị đá trọng lực theo cách chúng sẽ thoát khỏi Hệ mặt trời. Chúng có độ lệch tâm lớn hơn 1 chút, với các giá trị như 1,0001 hoặc hơn.

Nhưng khi chúng tôi lần đầu tiên tìm thấy 'Oumuamua, chúng tôi nhận ra đó là một điều đặc biệt. Không giống như mọi thứ khác mà chúng tôi từng tìm thấy, độ lệch tâm của nó là 1,2.

Quỹ đạo danh nghĩa của tiểu hành tinh liên sao ʻOumuamua, được tính toán dựa trên các quan sát ngày 19 tháng 10 năm 2017 và sau đó. Quỹ đạo quan sát bị lệch bởi gia tốc tương ứng với tốc độ cực nhỏ ~ 5 micron mỗi giây so với dự đoán, nhưng điều đó đủ quan trọng để yêu cầu một lời giải thích. (TONY873004 CỦA CỘNG ĐỒNG WIKIMEDIA)

Một cách khác để hiểu tại sao nó lại phi thường như vậy là nhìn vào tốc độ của nó trên đường ra khỏi Hệ mặt trời.

Nếu bạn là một vật thể vành đai Kuiper tương tác với một thế giới rộng lớn khác ngoài Sao Hải Vương, hoặc bị nhiễu loạn bởi chính Sao Hải Vương, bạn có thể hấp dẫn nó khỏi Hệ Mặt Trời của chúng ta, tạo cho nó một quỹ đạo siêu hình. Nhưng tốc độ tối đa của nó, khi thoát khỏi Hệ mặt trời, sẽ ở mức ~ 1 km / s. Cùng một thỏa thuận cho một tiểu hành tinh bị nhiễu loạn bởi Sao Mộc: nó có thể đạt tốc độ vài (nhưng dưới 10) km / giây khi rời khỏi Hệ Mặt trời, nhưng không lớn hơn.

Cho 'Oumuamua? Khi nó rời khỏi Hệ mặt trời, tốc độ của nó sẽ là 26 km / s, một con số lớn không thể tưởng tượng được đối với một thứ gì đó có nguồn gốc trong khu phố địa phương của chúng tôi.

Các hành tinh của Hệ Mặt trời, cùng với các tiểu hành tinh trong vành đai tiểu hành tinh, quay quanh tất cả trong cùng một mặt phẳng, tạo thành các quỹ đạo hình elip, gần như tròn. Ngoài sao Hải Vương, mọi thứ dần dần trở nên kém tin cậy. Nhưng bất kỳ vật thể nào có nguồn gốc Hệ mặt trời nên có tốc độ tối đa khi nó thoát khỏi Hệ mặt trời, thấp hơn nhiều so với những gì chúng ta quan sát được cho 'Oumuamua. (HỌC VIỆN KHOA HỌC ĐIỆN THOẠI KHÔNG GIAN, ĐỒ HỌA HÌNH ẢNH.)

Nói cách khác, nó phải có nguồn gốc ngoài mặt trời. Vật thể này phải đến từ không gian giữa các vì sao: từ một hệ sao khác có khả năng đẩy nó ra một thời gian dài không biết trước. Theo các mô hình lý thuyết tốt nhất của chúng ta, ít nhất phải có hàng tỷ vật thể này, cho mỗi ngôi sao trong thiên hà của chúng ta. Rất có khả năng nhiều vật thể trong số này đi qua Hệ Mặt trời của chúng tôi hàng năm, nhưng chúng tôi chưa bao giờ phát hiện ra chúng trước đây.

Cho đến khi 'Oumuamua.

Một hình ảnh động cho thấy đường đi của các ngôi sao liên sao hiện được gọi là ʻOumuamua. Sự kết hợp giữa tốc độ, góc, quỹ đạo và tính chất vật lý đều tạo nên kết luận rằng điều này đến từ ngoài Hệ mặt trời của chúng ta. (NASA / JPL - CALTECH)

Khi đi qua Hệ mặt trời, nó đi qua quỹ đạo của Sao Thủy: cực kỳ gần Mặt trời. Bởi vì các kính viễn vọng của chúng ta hiếm khi quét rất gần Mặt trời, chúng tôi đã không thực sự phát hiện ra nó cho đến khi nó vượt qua phía bên kia quỹ đạo Trái đất, khi nó đang trên đường ra khỏi Hệ Mặt trời. Chúng tôi đã tìm thấy nó khi nó ở gần điểm gần nhất với thế giới của chúng tôi, ở khoảng cách chỉ 23 triệu km: khoảng 60 lần khoảng cách Trái đất-Mặt trăng.

Nó đang di chuyển cực nhanh ở cách tiếp cận gần nhất, đạt tốc độ tối đa 88 km / giây: gấp khoảng ba lần tốc độ Trái đất quay quanh Mặt trời. Tuy nhiên, đối với tất cả những điều này, chúng tôi đã vô cùng may mắn khi lấy nó ra khỏi dữ liệu. Tuy nhiên, một khi chúng ta đã có những dấu hiệu ban đầu về sự tồn tại của nó - thu được từ khảo sát Pan-STARRS - chúng ta đã có cơ hội theo dõi những quan sát đó bằng một loạt các kính viễn vọng lớn, mạnh mẽ.

Đài thiên văn Pan-STARRS1 trên đỉnh Haleakala Maui vào lúc hoàng hôn. Bằng cách quét toàn bộ bầu trời có thể nhìn thấy đến độ sâu nông nhưng thường xuyên, Pan-STARRS có thể tự động tìm thấy bất kỳ vật thể chuyển động nào trong Hệ Mặt trời của chúng tôi trên độ sáng rõ ràng cụ thể. Việc phát hiện ra 'Oumuamua được thực hiện chính xác theo cách đó, bằng cách theo dõi chuyển động của nó so với nền của các ngôi sao cố định. (ROB RATKOWSKI)

Nó có màu đỏ hơn nhiều so với hầu hết mọi thứ khác mà chúng ta biết: tương tự như các tiểu hành tinh Trojan mà chúng ta thấy quay quanh Sao Mộc. Nó có màu khác với thế giới băng giá thực sự mà chúng ta biết, bao gồm các nhân mã, sao chổi và các vật thể vành đai Kuiper mà chúng ta tìm thấy trong Hệ Mặt trời của chính chúng ta. Nhưng nó cũng cực kỳ nhàm chán theo một nghĩa nào đó, không hiển thị các tính năng phân tử, hấp thụ hoặc phát xạ.

Trời tối, nó màu đỏ và bằng cách kết hợp thông tin đó với các phép đo độ sáng và khoảng cách chúng ta đã thực hiện, các nhà thiên văn học có thể xác định kích thước của nó. Nó nhỏ hơn thực tế mọi vật thể chúng ta biết, với kích thước chỉ khoảng 100 mét. Các quan sát chỉ ra rằng thực tế chắc chắn không có bụi: nhiều nhất là bụi có kích thước micron (0,000001 mét) được phát ra từ bề mặt của nó. 'Oumuamua, bất kể nguồn gốc của nó là gì, chắc chắn không giống sao chổi chút nào.

Khi chúng quay quanh Mặt trời, sao chổi và tiểu hành tinh có thể vỡ ra một chút, với những mảnh vụn giữa các khối dọc theo quỹ đạo bị kéo dài theo thời gian và gây ra mưa sao băng mà chúng ta nhìn thấy khi Trái đất đi qua dòng chảy mảnh vỡ đó. Một trong những câu đố tuyệt vời của 'Oumuamua là tại sao, khi nó được chụp bởi Spitzer (đã lấy hình ảnh hiển thị ở đây), không có mảnh vỡ nào được phát hiện: nó hoàn toàn giống như điểm. (NASA / JPL-CALTECH / W. REACH (SSC / CALTECH))

Trong tháng 10 năm 2017, một loạt các kính thiên văn đã quan sát độ sáng của nó và cách nó thay đổi theo thời gian. Trong khoảng thời gian khoảng 3,6 giờ, độ sáng của nó thay đổi theo kiểu định kỳ theo hệ số 15: một số lượng lớn chưa từng thấy đối với sao chổi hoặc tiểu hành tinh. Giải thích duy nhất là 'Oumuamua phải là một vật thể cực kỳ dài, xoay tròn. Không có bụi, phát tán hoặc một số cơ chế che khuất ánh sáng từ nó, đơn giản là phải có một số khác biệt về kích thước phụ thuộc vào hướng của nó. Khi chúng ta nhìn thấy hướng đi dài của người Hồi giáo 'Oumuamua, chúng ta thấy nó sáng nhất; Khi chúng ta nhìn thấy hướng ngắn của nó, chúng ta thấy nó ở vị trí mờ nhạt nhất.

Đường cong ánh sáng của 'Oumuamua, ở bên phải, và hình dạng và hướng suy luận, lộn xộn từ chính đường cong. (CỘNG ĐỒNG NAGUALDESIGN / WIKIMEDIA)

Nhưng sau đó, mọi thứ trở nên kỳ lạ. Khi chúng tôi theo dõi con đường của 'Oumuamua, chúng tôi thấy rằng một quỹ đạo hyperbol bình thường, hoàn toàn không phù hợp lắm. Có một gia tốc bổ sung, như thể có thứ gì đó đang đẩy nó, ngoài ảnh hưởng của trọng lực. Trong khi một số người ủng hộ nổi bật đưa ra những lời giải thích cực kỳ hoang dã như người ngoài hành tinh, đó không phải là những gì dữ liệu chỉ ra.

Chúng ta không cần phải dùng đến những lời giải thích tuyệt vời khi cõi trần sẽ làm. Chỉ vì nó không hôn mê - đặc điểm phổ biến nhất của thế giới băng và đá nóng lên - không có nghĩa là không thể có một hình thức nào đó vượt trội. Với kích thước nhỏ và khoảng cách lớn của 'Oumuamua, chúng ta có thể kết luận rằng nó không có quầng khí xung quanh nó, nhưng chúng ta sẽ không thể phát hiện ra một luồng ejecta khuếch tán.

Sao chổi 67P / CG như được chụp bởi Rosetta. 'Oumuamua rất khác nhau về hình dạng, kích thước và thành phần bề mặt của sao chổi này, nhưng một máy bay phản lực tương tự như cái này, nếu ngoài tâm và ngoài trục, có thể giải thích chuyển động dị thường của nó. (ESA / ROSETTA / NAVCAM)

Làm thế nào chúng ta có thể mang tất cả các thông tin này lại với nhau để hiểu ý nghĩa của nó theo một cách nhất quán?

Điều đó là có thể, nhưng đòi hỏi sự kết hợp của các yếu tố chúng ta chưa từng thấy trước đây. Đặc biệt:

  • một máy bay phản lực vượt trội, như chúng ta đã thấy phát sinh từ bên trong Comet 67P / ChuryumovTHER Gerasimenko,
  • không hôn mê, và do đó một bề mặt hầu như không có các chất dễ bay hơi,
  • một nguồn gốc từ ngoài Hệ mặt trời,
  • và một cơ thể không chỉ xoay, mà hỗn loạn khi nó di chuyển qua Hệ mặt trời.

Điều này chỉ có thể xảy ra nếu có một máy bay phản lực xuất hiện từ 'Oumuamua, và máy bay phản lực nằm ngoài trung tâm và ngoài trục từ sự xoay tròn, lộn xộn này.

Tiểu hành tinh chứa một số lượng hợp chất dễ bay hơi và thường có thể phát triển đuôi khi chúng đến gần Mặt trời. Mặc dù ʻOumuamua có thể không có đuôi hoặc hôn mê, rất có khả năng là một lời giải thích vật lý thiên văn cho hành vi của nó có liên quan đến sự xa lạ, và hoàn toàn không liên quan gì đến người ngoài hành tinh. (ESA TừSCIENCEOFFICE.ORG)

Kết luận đáng kinh ngạc không chỉ là 'Oumuamua đến từ bên ngoài Hệ Mặt trời của chúng ta, mà điều này vừa hiếm vừa phổ biến. Đối với một đối tượng riêng lẻ, như 'Oumuamua, nó có thể sẽ không bao giờ đến gần Hệ mặt trời khác nữa. Chỉ sau mỗi 100 nghìn tỷ năm - khoảng 10.000 lần so với tuổi hiện tại của Vũ trụ - nó sẽ vượt qua rất gần với một ngôi sao. Như nhà khoa học Gregory Smilelin đã nói, đây là thời gian của cuộc đời 'Oumuamua.

Nhưng đối với Hệ mặt trời của chúng ta, vì số lượng vật thể lớn như thế này bay qua thiên hà, chúng ta có thể trải nghiệm một cuộc chạm trán gần như thế này khoảng một vài lần mỗi năm. Năm 2017 đánh dấu lần đầu tiên chúng ta nhìn thấy một vật thể như vậy, nhưng chúng ta có thể đã nhận được hàng tỷ trong số chúng trong suốt vòng đời của Hệ mặt trời. Một số trong số chúng, nếu thiên nhiên tốt bụng, thậm chí có thể va chạm với Trái đất.

Có thể có khoảng ~ 10²⁵ vật thể như thế này bay qua thiên hà của chúng ta. Mỗi lần như vậy, chúng ta sẽ có đủ may mắn để gặp một trong số họ. Lần đầu tiên, chúng tôi thực sự đã nhìn thấy một cái cho chính mình.

Starts With A Bang hiện đã có mặt trên Forbes và được tái bản trên Medium nhờ những người ủng hộ Patreon của chúng tôi. Ethan là tác giả của hai cuốn sách Beyond The Galaxy và Treknology: The Science of Star Trek from Tricnings to Warp Drive.