Предложено удивительно простое объяснение странной орбиты Оумуамуа

Ученые предложили удивительно простое объяснение странной орбиты кометы, которая вынырнула из-за пределов Солнечной системы и которую некоторые даже считали инопланетным космическим кораблем.

Об этом рассказывают в Калифорнийском университете в Беркли, передают OstanniPodii.com.

В 2017 году загадочная комета, получившая название Оумуамуа, поразила воображение как ученых, так и общественности. Это была первая известная гостья из-за пределов нашей Солнечной системы, она не имела яркой комы или пылевого хвоста, как у большинства комет, а ее необычная форма - нечто среднее между сигарой и блином - и небольшой размер больше соответствовали астероиду, чем комете.

Но тот факт, что она ускорялась в сторону от Солнца таким образом, который астрономы не могли объяснить, смутил ученых, что заставило некоторых предположить, что это инопланетный космический корабль.

Теперь астрохимик Калифорнийского университета в Беркли и астроном Корнелльского университета утверждают, что загадочные отклонения кометы от гиперболической траектории вокруг Солнца можно объяснить простым физическим механизмом, вероятно, характерным для многих ледяных комет: выделением водорода при нагревании кометы под солнечными лучами.

Что отличало Оумуамуа от всех других хорошо изученных комет в нашей Солнечной системе, так это ее размер: она была настолько мала, что ее гравитационное отклонение вокруг Солнца было слегка изменено крошечным толчком, созданным во время извержения водородного газа изо льда.

Большинство комет - это, по сути, грязные снежки, которые периодически приближаются к Солнцу из внешних областей нашей Солнечной системы. Нагретая солнечным светом, комета выбрасывает воду и другие молекулы, создавая вокруг себя яркий ореол или ком, а также часто хвосты из газа и пыли. Выброшенные газы действуют подобно двигателям космического корабля, придавая комете небольшой толчок, который слегка изменяет ее траекторию по сравнению с эллиптическими орбитами, характерными для других объектов Солнечной системы, таких как астероиды и планеты.

Странная комета

Когда комета была открыта, у Оумуамуа не было ни комы, ни хвоста, она была слишком мала и слишком далеко от Солнца, чтобы захватить достаточно энергии для выброса большого количества воды, что привело астрономов к бурным спекуляциям о ее составе и о том, что толкает ее наружу. Был ли это водородный айсберг, выбрасывающий H2? Большая пушистая снежинка, выталкиваемая давлением света от Солнца? Световой парус, созданный инопланетной цивилизацией? Космический корабль под действием собственной силы?

Дженнифер Бергнер, доцент кафедры химии Калифорнийского университета в Беркли, изучающая химические реакции, происходящие в ледяных породах в холодном вакууме космоса, подумала: может быть, есть объяснение попроще. Она обсудила эту тему с коллегой, Деррилом Селигманом, который сейчас является постдокторантом Национального научного фонда в Корнелльском университете, и они вместе решили проверить идею.

"Комета, проходящая через межзвездную среду, по сути, промазывается космическим излучением, в результате чего образуется водород. Мы подумали: Если бы это происходило, то можно было бы поймать его в ловушку в теле кометы, чтобы, когда она войдет в Солнечную систему и нагреется, она выпустила бы водород?", - говорит Бергнер. "Могло бы это количественно произвести силу, необходимую для объяснения негравитационного ускорения?"

К своему удивлению, она обнаружила, что экспериментальные исследования, опубликованные в 1970-х, 80-х и 90-х годах, показали, что при попадании в лед высокоэнергетических частиц, подобных космическим лучам, молекулярный водород (H2) образуется в изобилии и задерживается внутри льда. Фактически, космические лучи могут проникать в лед на десятки метров, превращая четверть или более воды в газообразный водород.

"Для кометы размером в несколько километров газовыделение будет происходить из оболочки, очень тонкой по отношению к общему размеру объекта, поэтому как с точки зрения состава, так и с точки зрения любого ускорения, не обязательно ожидать, что эффект будет заметным", - говорит она. "Но поскольку Оумуамуа была такой маленькой, мы считаем, что она действительно произвела достаточную силу, чтобы вызвать это ускорение".

Комета, имевшая слегка красноватый цвет, как полагают, была размером примерно 115 на 111 на 19 метров. Однако, хотя относительные размеры были достаточно точно определены, астрономы не могли быть уверены в реальном размере кометы, поскольку она была слишком мала и удалена, чтобы телескопы смогли ее разглядеть. Размер пришлось оценивать по яркости кометы и по тому, как яркость менялась во время ее движения. На сегодняшний день все кометы, наблюдаемые в нашей Солнечной системе - короткопериодические кометы из пояса Койпера и длиннопериодические кометы из более отдаленного облака Оорта - имеют размеры от 1 километра до сотен километров в поперечнике.

"Идея Дженни прекрасна тем, 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, а это просто самое общее объяснение".

Выводы Бергнер и Селигмана приняты к публикации в журнале Nature. Оба они были постдокторантами в Чикагском университете, когда начали сотрудничать над этой статьей.

Посланник издалека

Кометы - это ледяные камни, оставшиеся после образования Солнечной системы 4,5 миллиарда лет назад, поэтому они могут рассказать астрономам об условиях, существовавших во время формирования нашей Солнечной системы. Межзвездные кометы также могут дать подсказки об условиях вокруг других звезд, окруженных планетообразующими дисками.

"Кометы сохраняют снимок того, как выглядела Солнечная система, когда она находилась на той стадии эволюции, на которой сейчас находятся протопланетные диски", - говорит Бергнер. "Их изучение - это способ оглянуться назад и посмотреть, как выглядела наша Солнечная система на ранней стадии формирования".

В далеких планетных системах также есть кометы, и многие из них, предположительно, выбрасываются из-за гравитационного взаимодействия с другими объектами в системе, что, как известно астрономам, происходило на протяжении истории нашей Солнечной системы. Некоторые из этих комет-изгоев должны время от времени попадать в нашу Солнечную систему, предоставляя возможность узнать о формировании планет в других системах.

"Кометы и астероиды в Солнечной системе, возможно, научили нас больше о формировании планет, чем то, что мы узнали от самих планет в Солнечной системе", - сказал Селигман. "Я думаю, что межзвездные кометы могут рассказать нам больше о внесолнечных планетах, чем те внесолнечные планеты, измерения которых мы пытаемся получить сегодня".

В прошлом астрономы опубликовали множество работ о том, что мы можем узнать из того, что в нашей Солнечной системе не наблюдается ни одной межзвездной кометы.

Затем появилась Оумуамуа

19 октября 2017 года на острове Мауи астрономы с помощью телескопа Pan-STARRS1, находящегося в ведении Института астрономии Гавайского университета в Маноа, впервые заметили то, что они приняли за комету или астероид. Когда они поняли, что его наклонная орбита и высокая скорость - 87 километров в секунду - указывают на то, что он прибыл из-за пределов нашей Солнечной системы, они дали ему имя 1I/'Oumuamua, что в переводе с гавайского означает "гонец издалека, прибывший первым". Это был первый межзвездный объект, не считая зерен пыли, когда-либо замеченный в нашей Солнечной системе. Второй объект, 2I/Borisov, был обнаружен в 2019 году, хотя он выглядел и вел себя скорее как типичная комета.

По мере того, как все больше телескопов фокусировались на Оумуамуа, астрономы смогли составить карту его орбиты и определить, что он уже совершил виток вокруг Солнца и направляется за пределы Солнечной системы.

Поскольку яркость Оумуамуа периодически менялась в 12 раз и менялась асимметрично, было предположено, что он сильно вытянут и кувыркается из стороны в сторону. Астрономы также заметили небольшое ускорение в сторону от Солнца, большее, чем у астероидов, и более характерное для комет. Когда кометы приближаются к Солнцу, вода и газы, выбрасываемые с поверхности, образуют светящийся газообразный ком и при этом выбрасывают пыль. Обычно пыль, оставшаяся в следе кометы, видна как один хвост, тогда как пар и пыль, подталкиваемые легким давлением солнечных лучей, создают второй хвост, направленный в сторону от Солнца, плюс небольшой инерционный толчок наружу. Также могут высвобождаться и другие соединения, такие как захваченные органические материалы и угарный газ.

Почему она ускорялась?

Но астрономы не смогли обнаружить вокруг Оумуамуа ни комы, ни выброшенных молекул, ни пыли. Кроме того, расчеты показали, что солнечной энергии, попадающей на комету, было бы недостаточно для сублимации воды или органических соединений с ее поверхности, чтобы придать ей наблюдаемый негравитационный толчок. Только сверхлетучие газы, такие как H2, N2 или монооксид углерода (CO), могли бы обеспечить достаточное ускорение, чтобы соответствовать наблюдениям, учитывая солнечную энергию, поступающую на комету.

"Мы никогда не видели комету в Солнечной системе, у которой не было бы пылевой комы. Так что негравитационное ускорение действительно было странным", - сказал Селигман.

Это вызвало множество предположений о том, какие летучие молекулы могли находиться в комете, чтобы вызвать ускорение. Сам Селигман опубликовал работу, в которой утверждал, что если бы комета состояла из твердого водорода - водородного айсберга, - то под воздействием солнечного тепла она бы выделила достаточно водорода, чтобы объяснить странное ускорение. При подходящих условиях комета, состоящая из твердого азота или монооксида углерода, также могла бы извергаться с достаточной силой, чтобы повлиять на орбиту кометы.

Но астрономам пришлось потрудиться, чтобы объяснить, какие условия могут привести к образованию твердых тел из водорода или азота, которые никогда ранее не наблюдались. И как твердое тело H2 могло выжить в течение, возможно, 100 миллионов лет в межзвездном пространстве?

Бергнер считала, что для ускорения Оумуамуа может быть достаточно газовыделения водорода, заключенного в лед. Как экспериментатор и теоретик, она изучает взаимодействие очень холодного льда, охлажденного до 5 или 10 градусов Кельвина, температуры межзвездной среды (МЗС), с видами энергичных частиц и излучения, присутствующих в МЗС.

Просматривая прошлые публикации, она обнаружила множество экспериментов, демонстрирующих, что высокоэнергетические электроны, протоны и более тяжелые атомы могут превращать водяной лед в молекулярный водород, и что пушистая, снежная структура кометы может захватывать газ в пузырьки внутри льда. Эксперименты показали, что при нагревании, например, под воздействием солнечного тепла, лед отжигается - переходит из аморфной в кристаллическую структуру - и выталкивает пузырьки наружу, высвобождая газообразный водород. По расчетам Бергнер и Селигмана, лед на поверхности кометы может выделять достаточно газа, либо в виде коллимированного пучка, либо в виде веерообразных брызг, чтобы повлиять на орбиту такой небольшой кометы, как Оумуамуа.

"Главный вывод заключается в том, что Оумуамуа соответствует стандартной межзвездной комете, которая только что подверглась тяжелой обработке", - говорит Бергнер. "Модели, которые мы прогнали, согласуются с тем, что мы видим в Солнечной системе от комет и астероидов. Поэтому, по сути, можно начать с чего-то похожего на комету, и этот сценарий будет работать".

Эта идея также объясняет отсутствие пылевой комы.

"Даже если бы в матрице льда была пыль, вы не сублимируете лед, вы просто перестраиваете лед, а затем позволяете H2 высвободиться. Таким образом, пыль даже не собирается выходить наружу", - сказал Селигман.

"Темные" кометы

Селигман сказал, что их вывод об источнике ускорения Оумуамуа должен завершить книгу о комете. С 2017 года он, Бергнер и их коллеги идентифицировали еще шесть небольших комет без наблюдаемой комы, но с небольшими негравитационными ускорениями, предполагая, что такие "темные" кометы встречаются часто. Хотя H2, вероятнее всего, не является причиной ускорений темных комет, отметил Бергнер, вместе с Оумуамуа они показывают, что еще многое предстоит узнать о природе малых тел в Солнечной системе.

Одна из этих темных комет, 1998 KY26, является следующей целью для японской миссии Hayabusa2, которая недавно собрала образцы с астероида Рюгу. 1998 KY26 считался астероидом, пока в декабре он не был идентифицирован как темная комета.

"Дженни определенно права насчет захваченного водорода. Никто не думал об этом раньше", - сказал он. "Между обнаружением других темных комет в Солнечной системе и потрясающей идеей Дженни, я думаю, что она должна быть правильной. Вода является самым богатым компонентом комет в Солнечной системе и, вероятно, во внесолнечных системах. И если поместить богатую водой комету в облако Оорта или выбросить ее в межзвездную среду, то должен получиться аморфный лед с карманами H2".

Поскольку H2 должен образовываться в любом богатом льдом теле, подвергающемся воздействию энергичного излучения, исследователи подозревают, что тот же механизм будет действовать в кометах, приближающихся к Солнцу из облака Оорта во внешней части Солнечной системы, где кометы облучаются космическими лучами так же, как и межзвездные кометы. Будущие наблюдения за газовыделением водорода из долгопериодических комет могут быть использованы для проверки сценария образования и захвата H2.

Программа наблюдений Legacy Survey of Space and Time (LSST) обсерватории Рубин должна обнаружить гораздо больше межзвездных и темных комет, что позволит астрономам определить, распространено ли газовыделение водорода в кометах. По расчетам Селигмана, обзор, который будет проводиться в обсерватории Веры Рубин в Чили (должен вступить в строй в начале 2025 года), должен ежегодно обнаруживать от одной до трех межзвездных комет типа Оумуамуа и, вероятно, гораздо больше комет с характерной комой, как у Борисова.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.

• Оумуамуа