24.03.2023. - Простое объяснение странной орбиты Оумуамуа

Простое объяснение странной орбиты Оумуамуа

В 2017 году загадочная комета под названием «Оумуамуа» взбудоражила воображение ученых и общественности. Это был первый известный посетитель из-за пределов нашей Солнечной системы, у него не было яркой комы или пылевого хвоста, как у большинства комет, и своеобразной формы — нечто среднее между сигарой и блином — и его небольшой размер больше подходил астероиду, чем комете. Но тот факт, что он удалялся от Солнца с такой скоростью, которую астрономы не могли объяснить, озадачил ученых, что заставило некоторых предположить, что это был инопланетный космический корабль.

Теперь астрохимик из Калифорнийского университета в Беркли и астроном из Корнельского университета утверждают, что загадочные отклонения кометы от гиперболического пути вокруг Солнца можно объяснить простым физическим механизмом, который, вероятно, является общим для многих ледяных комет: выделение водорода при нагревании кометы. на солнце. Что отличало Оумуамуа от любой другой хорошо изученной кометы в нашей Солнечной системе, так это ее размер: она была настолько мала, что ее гравитационное отклонение вокруг Солнца было слегка изменено крошечным толчком, вызванным выбросом газообразного водорода изо льда.

Большинство комет, по сути, представляют собой грязные снежки, которые периодически приближаются к Солнцу из дальних пределов нашей Солнечной системы. Подогреваясь солнечным светом, комета выбрасывает воду и другие молекулы, образуя вокруг себя яркое гало или кому и часто хвосты из газа и пыли. Выброшенные газы действуют как двигатели космического корабля, придавая комете крошечный толчок, который немного меняет ее траекторию по сравнению с эллиптическими орбитами, типичными для других объектов Солнечной системы, таких как астероиды и планеты.

Когда Оумуамуа обнаружили, у него не было ни комы, ни хвоста, он был слишком мал и слишком далеко от Солнца, чтобы улавливать достаточно энергии для выброса большого количества воды, что заставило астрономов строить дикие предположения о его составе и о том, что толкает его наружу. Был ли это водородный айсберг, выделяющий H2? Большая пушистая снежинка, сдвинутая световым напором солнца? Световой парус, созданный инопланетной цивилизацией? Космический корабль своим ходом?

Дженнифер Бергнер, доцент кафедры химии Калифорнийского университета в Беркли, изучающая химические реакции, происходящие на ледяных камнях в холодном космическом вакууме, считает, что может быть более простое объяснение. Она затронула эту тему с коллегой Дэррилом Селигманом, ныне научным сотрудником Национального научного фонда в Корнельском университете, и они решили работать вместе, чтобы проверить это.

«Комета, путешествующая через межзвездную среду, в основном нагревается космическим излучением, в результате чего образуется водород. был нагрет, он выделял бы этот водород?» — сказал Бергнер. «Может ли это количественно произвести силу, необходимую для объяснения негравитационного ускорения?»

Удивительно, но она обнаружила, что экспериментальные исследования, опубликованные в 1970-х, 80-х и 90-х годах, продемонстрировали, что, когда лед сталкивается с высокоэнергетическими частицами, похожими на космические лучи, молекулярный водород (H2) в изобилии образуется и задерживается во льду. На самом деле космические лучи могут проникать в толщу льда на десятки метров, превращая четверть или более воды в газообразный водород.

«Для кометы диаметром несколько километров выделение газа будет происходить из очень тонкой оболочки по сравнению с основной массой объекта, поэтому как с точки зрения состава, так и с точки зрения любого ускорения вы не обязательно ожидаете, что это будет обнаруживаемый эффект», — сказала она. сказал. «Но поскольку Оумуамуа был таким маленьким, мы думаем, что он на самом деле производил достаточную силу для обеспечения этого ускорения».

Комета, которая была слегка красноватой, имела размер примерно 115 на 111 на 19 метров. Хотя относительные размеры были довольно точны, астрономы не могли быть уверены в реальном размере, потому что он был слишком мал и далек для телескопов. Размер нужно было оценить по яркости кометы и тому, как яркость менялась, когда комета падала. На сегодняшний день все кометы, наблюдаемые в нашей Солнечной системе — короткопериодические кометы из пояса Койпера и долгопериодические кометы из более отдаленного облака Оорта — имеют диаметр от 1 до сотен километров.

«Что прекрасно в идее Дженни, так это то, что это именно то, что должно происходить с межзвездными кометами», — сказал Селигман. «У нас были все эти глупые идеи, такие как водородные айсберги и другие сумасшедшие вещи, и это просто самое общее объяснение». Бергнер и Селигман опубликуют свои выводы на этой неделе в журнале Nature. Оба были научными сотрудниками Чикагского университета, когда они начали сотрудничать в этой статье.

Посланник издалека

Кометы — это ледяные скалы, оставшиеся от формирования Солнечной системы 4,5 миллиарда лет назад, поэтому они могут рассказать астрономам об условиях, которые существовали, когда формировалась наша Солнечная система. Межзвездные кометы также могут дать представление об условиях вокруг других звезд, окруженных дисками, формирующими планеты.

«Кометы сохраняют моментальный снимок того, как выглядела Солнечная система, когда она находилась на той стадии эволюции, на которой сейчас находятся протопланетные диски», — сказал Бергнер. «Изучение их — это способ оглянуться на то, как выглядела наша Солнечная система на ранней стадии формирования».

Похоже, что в далеких планетных системах также есть кометы, и многие из них, вероятно, будут выброшены из-за гравитационных взаимодействий с другими объектами в системе, которые, как известно астрономам, происходили на протяжении всей истории нашей Солнечной системы. Некоторые из этих комет-изгоев должны время от времени входить в нашу солнечную систему, предоставляя возможность узнать о формировании планет в других системах.

«Кометы и астероиды в Солнечной системе, возможно, научили нас большему о формировании планет, чем то, что мы узнали из реальных планет в Солнечной системе», — сказал Селигман. «Я думаю, что межзвездные кометы могли бы рассказать нам больше о внесолнечных планетах, чем те внесолнечные планеты, которые мы пытаемся измерить сегодня». В прошлом астрономы опубликовали множество статей о том, что мы можем узнать из неудачных наблюдений межзвездных комет в нашей Солнечной системе.

Затем появился Оумуамуа.

19 октября 2017 года на острове Мауи астрономы с помощью телескопа Pan-STARRS1, которым управляет Институт астрономии Гавайского университета в Маноа, впервые заметили то, что они приняли за комету или астероид. Как только они поняли, что его наклонная орбита и высокая скорость — 87 километров в секунду — подразумевают, что он прибыл из-за пределов нашей Солнечной системы, они дали ему имя 1I/'Оумуамуа (о-о-о-о-у-у-у-у), что на гавайском языке. для «посланника издалека, прибывшего первым». Это был первый межзвездный объект, кроме пылинок, когда-либо замеченный в нашей Солнечной системе. Вторая, 2I/Borisov, была обнаружена в 2019 году, хотя выглядела и вела себя скорее как типичная комета. По мере того как все больше и больше телескопов фокусировались на Оумуамуа, астрономы смогли наметить его орбиту и определить, что он уже совершил петлю вокруг Солнца и направляется за пределы Солнечной системы.

Поскольку яркость Оумуамуа периодически менялась в 12 раз и изменялась асимметрично, предполагалось, что он сильно вытянут и переворачивается из конца в конец. Астрономы также заметили небольшое ускорение при удалении от Солнца, большее, чем у астероидов, и более характерное для комет. Когда кометы приближаются к Солнцу, вода и газы, выбрасываемые с поверхности, создают светящуюся газовую кому и при этом выделяют пыль. Как правило, пыль, оставленная в следе кометы, становится видимой как один хвост, в то время как пар и пыль, выталкиваемые световым давлением солнечных лучей, создают второй хвост, направленный в сторону от Солнца, плюс небольшой инерционный толчок наружу. Другие соединения, такие как захваченные органические материалы и окись углерода, также могут быть высвобождены.

Почему оно ускорилось?

Но астрономы не смогли обнаружить ни комы, ни выделившихся молекул, ни пыли вокруг Оумуамуа. Кроме того, расчеты показали, что солнечной энергии, падающей на комету, будет недостаточно для сублимации воды или органических соединений с ее поверхности, чтобы придать ей наблюдаемый негравитационный толчок. Только сверхлетучие газы, такие как H2, N2 или окись углерода (CO), могут обеспечить достаточное ускорение, чтобы соответствовать наблюдениям, учитывая поступающую солнечную энергию. «Мы никогда не видели в Солнечной системе кометы, у которой не было бы пылевой комы. Так что негравитационное ускорение действительно было странным», — сказал Селигман.

Это привело к большому количеству предположений о том, какие летучие молекулы могли быть в комете, чтобы вызвать ускорение. Сам Селигман опубликовал статью, в которой утверждал, что если комета состоит из твердого водорода — водородного айсберга, — то из-за солнечного тепла она выделяет достаточно водорода, чтобы объяснить странное ускорение. При правильных условиях комета, состоящая из твердого азота или твердого монооксида углерода, также выделяла бы газ с достаточной силой, чтобы повлиять на орбиту кометы.

Но астрономам пришлось потрудиться, чтобы объяснить, какие условия могли привести к образованию твердых тел из водорода или азота, которых раньше никогда не наблюдалось. И как твердое тело H2 могло существовать в межзвездном пространстве в течение примерно 100 миллионов лет? Бергнер считал, что выделения водорода, заключенного во льду, может быть достаточно для ускорения Оумуамуа. Как экспериментатор и теоретик, она изучает взаимодействие очень холодного льда — охлажденного до 5 или 10 градусов по Кельвину, температуры межзвездной среды (МЗС) — с видами энергичных частиц и излучения, обнаруженными в МЗС.

Просматривая прошлые публикации, она нашла множество экспериментов, демонстрирующих, что высокоэнергетические электроны, протоны и более тяжелые атомы могут превращать водяной лед в молекулярный водород и что пушистая структура кометы, напоминающая снежный ком, может улавливать газ в виде пузырьков внутри льда. Эксперименты показали, что при нагревании, например, под воздействием солнечного тепла, лед отжигает — из аморфной структуры переходит в кристаллическую — и вытесняет пузырьки наружу, выделяя газообразный водород. Лед на поверхности кометы, подсчитали Бергнер и Селигман, может испускать достаточно газа либо в виде коллимированного луча, либо в виде веерных брызг, чтобы повлиять на орбиту небольшой кометы, такой как Оумуамуа.

«Основной вывод заключается в том, что «Оумуамуа» соответствует стандартной межзвездной комете, которая только что подверглась интенсивной обработке», — сказал Бергнер. «Модели, которые мы запускали, согласуются с тем, что мы видим в Солнечной системе от комет и астероидов. Таким образом, вы можете начать с чего-то, похожего на комету, и этот сценарий сработает». Идея также объясняет отсутствие пылевой комы. «Даже если в ледяной матрице была пыль, вы не сублимируете лед, вы просто перестраиваете лед, а затем позволяете H2 высвободиться. Таким образом, пыль даже не выйдет наружу», — сказал Селигман.

«Темные» кометы

Селигман сказал, что их заключение об источнике ускорения Оумуамуа должно закрыть книгу о комете. С 2017 года он, Бергнер и их коллеги идентифицировали шесть других небольших комет без наблюдаемой комы, но с небольшими негравитационными ускорениями, предполагая, что такие «темные» кометы распространены. Бергнер отметил, что хотя H2 вряд ли отвечает за ускорение темных комет, вместе с Оумуамуа они показывают, что многое еще предстоит узнать о природе малых тел в Солнечной системе. Одна из этих темных комет, 1998 KY26, является следующей целью японской миссии Hayabusa2, которая недавно собрала образцы с астероида Рюгу. KY26 1998 года считался астероидом, пока в декабре его не идентифицировали как темную комету.

«Дженни определенно права насчет захваченного водорода. Никто раньше об этом не думал», — сказал он. «Между открытием других темных комет в Солнечной системе и потрясающей идеей Дженни, я думаю, что это должно быть правильно. Вода является наиболее распространенным компонентом комет в Солнечной системе и, вероятно, во внесолнечных системах. богатой кометой в облаке Оорта или выбросив ее в межзвездную среду, вы должны получить аморфный лед с очагами Н2».

Поскольку H2 должен образовываться в любом богатом льдом теле, подвергающемся воздействию энергичного излучения, исследователи подозревают, что тот же механизм будет работать в приближающихся к Солнцу кометах из облака Оорта во внешних пределах Солнечной системы, где кометы облучаются космическим излучением. лучи, очень похожие на межзвездную комету. Будущие наблюдения за выделением водорода из долгопериодических комет могут быть использованы для проверки сценария образования и захвата H2.

Еще много межзвездных и темных комет должно быть обнаружено Обсерваторией Рубина в рамках исследования пространства и времени (LSST), что позволит астрономам определить, распространено ли выделение водорода в кометах. Селигман подсчитал, что исследование, которое будет проводиться в обсерватории Веры С. Рубин в Чили и должно начаться в начале 2025 года, должно обнаруживать от одной до трех межзвездных комет, таких как Оумуамуа, каждый год, и, вероятно, гораздо больше, которые предательская кома, как у Борисова.

Источник