Запропоновано напрочуд просте пояснення дивної орбіти Оумуамуа

Науковці запропонували напрочуд просте пояснення дивної орбіти комети, яка випірнула з-за меж Сонячної системи та яку дехто навіть вважав інопланетним космічним кораблем.

Про це розповідають в Каліфорнійському університеті в Берклі, передають OstanniPodii.com.

У 2017 році загадкова комета, що отримала назву Оумуамуа, вразила уяву як учених, так і громадськості. Це була перша відома гостя з-за меж нашої Сонячної системи, вона не мала яскравої коми або пилового хвоста, як у більшості комет, а її незвичайна форма - щось середнє між сигарою та млинцем - і невеликий розмір більше відповідали астероїду, ніж кометі.

Але той факт, що вона прискорювалася в бік від Сонця в такий спосіб, який астрономи не могли пояснити, збентежив учених, що змусило декого припустити, що це інопланетний космічний корабель.

Тепер астрохімік Каліфорнійського університету в Берклі та астроном Корнелльського університету стверджують, що загадкові відхилення комети від гіперболічної траєкторії навколо Сонця можна пояснити простим фізичним механізмом, імовірно, характерним для багатьох крижаних комет: виділенням водню під час нагрівання комети під сонячними променями.

Що відрізняло Оумуамуа від усіх інших добре вивчених комет у нашій Сонячній системі, то це її розмір: Вона була настільки мала, що її гравітаційне відхилення навколо Сонця було злегка змінене крихітним поштовхом, створеним під час виверження водневого газу з льоду.

Більшість комет - це, по суті, брудні сніжки, які періодично наближаються до Сонця із зовнішніх областей нашої Сонячної системи. Нагріта сонячним світлом, комета викидає воду та інші молекули, створюючи навколо себе яскравий ореол або кому, а також часто хвости з газу й пилу. Викинуті гази діють подібно до двигунів космічного корабля, надаючи кометі невеликий поштовх, який злегка змінює її траєкторію порівняно з еліптичними орбітами, характерними для інших об'єктів Сонячної системи, таких як астероїди та планети.

Дивна комета

Коли комета була відкрита, в Оумуамуа не було ні коми, ні хвоста, вона була занадто мала й занадто далеко від Сонця, щоб захопити достатньо енергії для викиду великої кількості води, що призвело астрономів до бурхливих спекуляцій про її склад і про те, що штовхає її назовні. Чи був це водневий айсберг, що викидає H2? Велика пухнаста сніжинка, що виштовхується тиском світла від Сонця? Світлове вітрило, створене інопланетною цивілізацією? Космічний корабель під дією власної сили?

Дженніфер Бергнер, доцентка кафедри хімії Каліфорнійського університету в Берклі, що вивчає хімічні реакції, які відбуваються в крижаних породах у холодному вакуумі космосу, подумала: може бути простіше пояснення. Вона обговорила цю тему з колегою, Деррілом Селігманом, який зараз є постдокторантом Національного наукового фонду в Корнелльському університеті, і вони разом вирішили перевірити ідею.

"Комета, що проходить через міжзоряне середовище, по суті, просмажується космічним випромінюванням, унаслідок чого утворюється водень. Ми подумали: Якби це відбувалося, то можна було б зловити його в пастку в тілі комети, щоб, коли вона увійде в Сонячну систему та нагріється, вона випустила б водень?", - каже Бергнер. "Чи могло б це кількісно виробити силу, необхідну для пояснення негравітаційного прискорення?"

На свій подив, вона виявила, що експериментальні дослідження, опубліковані в 1970-х, 80-х і 90-х роках, показали, що під час потрапляння в лід високоенергетичних частинок, подібних до космічних променів, молекулярний водень (H2) утворюється в достатку та затримується всередині льоду. Фактично, космічні промені можуть проникати в лід на десятки метрів, перетворюючи чверть або більше води на газоподібний водень.

"Для комети розміром у кілька кілометрів газовиділення відбуватиметься з оболонки, дуже тонкої у співвідношенні до загального розміру об'єкта, тому як з погляду складу, так і з погляду будь-якого прискорення, не обов'язково очікувати, що ефект буде помітним", - каже вона. "Але оскільки Оумуамуа була такою маленькою, ми вважаємо, що вона дійсно виробила достатню силу, щоб викликати це прискорення".

Комета, що мала злегка червонуватий колір, як вважають, була розміром приблизно 115 на 111 на 19 метрів. Однак, хоча відносні розміри були досить точно визначені, астрономи не могли бути впевнені в реальному розмірі комети, оскільки вона була занадто мала та віддалена, щоб телескопи змогли її розгледіти. Розмір довелося оцінювати за яскравістю комети та за тим, як яскравість змінювалася під час її руху. На сьогодні всі комети, спостережувані в нашій Сонячній системі - короткоперіодичні комети з поясу Койпера та довгоперіодичні комети з більш віддаленої хмари Оорта - мають розміри від 1 кілометра до сотень кілометрів у поперечнику.

"Ідея Дженні прекрасна тим, що це саме те, що має відбуватися з міжзоряними кометами", - сказав Селігман. "У нас були всі ці дурні ідеї, такі як водневі айсберги та інші божевільні речі, а це просто найзагальніше пояснення".

Висновки Бергнер і Селігмана прийняті до публікації в журналі Nature. Обидва вони були постдокторантами в Чиказькому університеті, коли почали співпрацювати над цією статтею.

Посланець здалеку

Комети - це крижане каміння, що залишилося після утворення Сонячної системи 4,5 мільярда років тому, тому вони можуть розповісти астрономам про умови, що існували під час формування нашої Сонячної системи. Міжзоряні комети також можуть дати підказки про умови навколо інших зірок, оточених планетоутворювальними дисками.

"Комети зберігають знімок того, який вигляд мала Сонячна система, коли вона перебувала на тій стадії еволюції, на якій зараз перебувають протопланетні диски", - каже Бергнер. "Їхнє вивчення - це спосіб озирнутися назад і подивитися, який вигляд мала наша Сонячна система на ранній стадії формування".

У далеких планетних системах також є комети, і багато з них, імовірно, викидаються через гравітаційну взаємодію з іншими об'єктами в системі, що, як відомо астрономам, відбувалося протягом історії нашої Сонячної системи. Деякі з цих комет-ізгоїв мають час від часу потрапляти в нашу Сонячну систему, надаючи можливість дізнатися про формування планет в інших системах.

"Комети й астероїди в Сонячній системі, можливо, навчили нас більше про формування планет, ніж те, що ми дізналися від самих планет у Сонячній системі", - сказав Селігман. "Я думаю, що міжзоряні комети можуть розповісти нам більше про позасонячні планети, ніж ті позасонячні планети, вимірювання яких ми намагаємося отримати сьогодні".

У минулому астрономи опублікували безліч робіт про те, що ми можемо дізнатися з того, що в нашій Сонячній системі не спостерігається жодної міжзоряної комети.

Потім з'явилася Оумуамуа.

19 жовтня 2017 року на острові Мауї астрономи за допомогою телескопа Pan-STARRS1, що перебуває у віданні Інституту астрономії Гавайського університету в Маноа, уперше помітили те, що вони прийняли за комету або астероїд. Коли вони зрозуміли, що його похила орбіта та висока швидкість - 87 кілометрів на секунду - вказують на те, що він прибув з-за меж нашої Сонячної системи, вони дали йому ім'я 1I/'Oumuamua, що в перекладі з гавайської означає "гонець здалеку, який прибув першим". Це був перший міжзоряний об'єкт, не рахуючи зерен пилу, коли-небудь помічений у нашій Сонячній системі. Другий об'єкт, 2I/Borisov, був виявлений 2019 року, хоча він мав вигляд і поводився швидше як типова комета.

У міру того, як дедалі більше телескопів фокусувалися на Оумуамуа, астрономи змогли скласти карту його орбіти та визначити, що він уже здійснив виток навколо Сонця й прямує за межі Сонячної системи.

Оскільки яскравість Оумуамуа періодично змінювалася у 12 разів і змінювалася асиметрично, було припущено, що він сильно витягнутий і перекидається з боку в бік. Астрономи також помітили невелике прискорення в бік від Сонця, більше, ніж у астероїдів, і більш характерне для комет. Коли комети наближаються до Сонця, вода й гази, що викидаються з поверхні, утворюють газоподібну кому, що світиться, і при цьому викидають пил. Зазвичай пил, що залишився в сліді комети, видно як один хвіст, тоді як пар і пил, що підштовхуються легким тиском сонячних променів, створюють другий хвіст, спрямований у бік від Сонця, плюс невеликий інерційний поштовх назовні. Також можуть вивільнятися й інші сполуки, такі як захоплені органічні матеріали та чадний газ.

Чому вона прискорювалася?

Але астрономи не змогли виявити навколо Оумуамуа ні коми, ні викинутих молекул, ні пилу. Крім того, розрахунки показали, що сонячної енергії, яка потрапляє на комету, було б недостатньо для сублімації води або органічних сполук з її поверхні, щоб надати їй спостережуваний негравітаційний поштовх. Тільки надлеткі гази, такі як H2, N2 або монооксид вуглецю (CO), могли б забезпечити достатнє прискорення, щоб відповідати спостереженням, з огляду на сонячну енергію, що надходить на комету.

"Ми ніколи не бачили комету в Сонячній системі, у якої не було б пилової коми. Так що негравітаційне прискорення дійсно було дивним", - сказав Селігман.

Це викликало безліч припущень про те, які летючі молекули могли перебувати в кометі, щоб викликати прискорення. Сам Селігман опублікував роботу, в якій стверджував, що якби комета складалася з твердого водню - водневого айсберга, - то під впливом сонячного тепла вона б виділила достатньо водню, щоб пояснити дивне прискорення. За відповідних умов комета, що складається з твердого азоту або монооксиду вуглецю, також могла б вивергатися з достатньою силою, щоб вплинути на орбіту комети.

Але астрономам довелося потрудитися, щоб пояснити, які умови можуть призвести до утворення твердих тіл з водню або азоту, які ніколи раніше не спостерігалися. І як тверде тіло H2 могло вижити протягом, можливо, 100 мільйонів років у міжзоряному просторі?

Бергнер вважала, що для прискорення Оумуамуа може бути достатньо газовиділення водню, укладеного в лід. Як експериментатор і теоретик, вона вивчає взаємодію дуже холодного льоду, охолодженого до 5 або 10 градусів Кельвіна, температури міжзоряного середовища (МЗС), з видами енергійних частинок і випромінювання, присутніх у МЗС.

Переглядаючи минулі публікації, вона виявила безліч експериментів, які демонструють, що високоенергетичні електрони, протони й важчі атоми можуть перетворювати водяний лід на молекулярний водень, і що пухнаста, сніжна структура комети може захоплювати газ у бульбашки всередині льоду. Експерименти показали, що під час нагрівання, наприклад, під впливом сонячного тепла, лід відпалюється - переходить з аморфної в кристалічну структуру - і виштовхує бульбашки назовні, вивільняючи газоподібний водень. За розрахунками Бергнер і Селігмана, лід на поверхні комети може виділяти достатньо газу, або у вигляді колімованого пучка, або у вигляді віялоподібних бризок, щоб вплинути на орбіту такої невеликої комети, як Оумуамуа.

"Головний висновок полягає в тому, що Оумуамуа відповідає стандартній міжзоряній кометі, яка щойно зазнала важкої обробки", - каже Бергнер. "Моделі, які ми прогнали, узгоджуються з тим, що ми бачимо в Сонячній системі від комет і астероїдів. Тож, по суті, можна почати з чогось схожого на комету, і цей сценарій працюватиме".

Ця ідея також пояснює відсутність пилової коми.

"Навіть якби в матриці льоду був пил, ви не сублімуєте лід, ви просто перебудовуєте лід, а потім дозволяєте H2 вивільнитися. Таким чином, пил навіть не збирається виходити назовні", - сказав Селігман.

"Темні" комети

Селігман сказав, що їхній висновок про джерело прискорення Оумуамуа має завершити книгу про комету. З 2017 року він, Бергнер та їхні колеги ідентифікували ще шість невеликих комет без спостережуваної коми, але з невеликими негравітаційними прискореннями, припускаючи, що такі "темні" комети зустрічаються часто. Хоча H2, найімовірніше, не є причиною прискорень темних комет, зазначив Бергнер, разом з Оумуамуа вони показують, що ще багато чого належить дізнатися про природу малих тіл у Сонячній системі.

Одна з цих темних комет, 1998 KY26, є наступною метою для японської місії Hayabusa2, яка нещодавно зібрала зразки з астероїда Рюгу. 1998 KY26 вважався астероїдом, поки в грудні він не був ідентифікований як темна комета.

"Дженні безумовно права щодо захопленого водню. Ніхто не думав про це раніше", - сказав він. "Між виявленням інших темних комет у Сонячній системі та приголомшливою ідеєю Дженні, я думаю, що вона має бути правильною. Вода є найбагатшим компонентом комет у Сонячній системі та, ймовірно, у позасонячних системах. І якщо помістити багату на воду комету в хмару Оорта або викинути її в міжзоряне середовище, то має вийти аморфний лід з кишенями H2".

Оскільки H2 повинен утворюватися в будь-якому багатому льодом тілі, що піддається впливу енергійного випромінювання, дослідники підозрюють, що той самий механізм діятиме в кометах, що наближаються до Сонця з хмари Оорта в зовнішній частині Сонячної системи, де комети опромінюються космічними променями так само, як і міжзоряні комети. Майбутні спостереження за газовиділенням водню з довгоперіодичних комет можуть бути використані для перевірки сценарію утворення й захоплення H2.

Програма спостережень Legacy Survey of Space and Time (LSST) обсерваторії Рубін має виявити набагато більше міжзоряних і темних комет, що дасть змогу астрономам визначити, чи поширене газовиділення водню в кометах. За розрахунками Селігмана, огляд, який проводитиметься в обсерваторії Віри Рубін у Чилі (має стати до ладу на початку 2025 року), має щорічно виявляти від однієї до трьох міжзоряних комет типу Оумуамуа та, ймовірно, набагато більше комет з характерною комою, як у Борисова.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.

• Оумуамуа