Нашу Солнечную систему впервые за всю историю астрономических наблюдений посетил странник из глубокого межзвездного пространства. Уникальный объект, не похожий ни на одну известную комету или астероид, привлек внимание ведущих мировых обсерваторий и заставил ученых пересмотреть модели космической эволюции. Ведущий научно-популярного канала PBS Space Time подробно разбирает результаты свежего исследования голландских астрономов, пытающихся раскрыть тайну происхождения этого загадочного гостя.
☄️ Загадочный межзвездный странник 0:02
19 октября группа астрономов с помощью системы телескопов Pan-STARRS (панорамного обзорного телескопа и системы быстрого реагирования), которая непрерывно сканирует небо в поисках движущихся или переменных объектов, заметила необычное космическое тело. Оно двигалось на колоссальной скорости, удаляясь от Солнца. Первоначально исследователи приняли его за новую комету, однако после 34 дней непрерывных последующих наблюдений и точных расчетов орбитальной механики стало абсолютно очевидно: перед нами первый в истории зафиксированный объект, прилетевший из-за пределов нашей планетной системы.
Международный астрономический союз оперативно утвердил для него совершенно новый класс обозначений — «1I», где буква «I» означает «межзвездный» (interstellar). Объект получил официальное и весьма поэтичное имя — Оумуамуа (Oumuamua), что в переводе с гавайского языка означает «посланник издалека, прибывший первым».
🛸 Уникальные физические свойства и форма Оумуамуа 1:36
Для детального анализа происхождения межзвездного странника эксперты обратились к научной работе группы голландских ученых из Лейденской обсерватории (исследование Портегиса Цварта и др., 2017 год, условно обозначаемое как PZ 17). На момент публикации видео эта статья проходила процедуру рецензирования, но уже предлагала глубокий анализ природы объекта.
Оумуамуа обладает крайне необычными физическими характеристиками:
- Аномальная форма: Объект имеет сильно вытянутые пропорции, напоминая гигантскую сигару или монолит из культового фильма «Космическая одиссея 2001 года». Его длина составляет несколько сотен метров.
- Характер вращения: Определить точные размеры и форму напрямую по снимкам невозможно, так как даже для самых мощных телескопов Оумуамуа остается лишь едва заметной тусклой точкой. Однако его яркость циклически и крайне неравномерно меняется. Астрономы пришли к выводу, что это свидетельствует о хаотичном, кувыркающемся вращении тела, что указывает на мощное столкновение в его далеком прошлом.
- Отсутствие кометного хвоста: У объекта полностью отсутствует характерное газопылевое облако (кома) или хвост. Это означает, что его поверхность не испаряется под воздействием солнечной радиации. Соответственно, как минимум на глубину до одного метра Оумуамуа состоит из твердых скальных пород, как типичный астероид, а не из льда, как кометы.
Ведущий канала в шутку замечает, что любители уфологии могли бы разглядеть в этом мерцающий выхлоп разведывательного корабля пришельцев, собирающегося доложить о пригодной для вторжения планете, однако тут же добавляет свое традиционное ироничное правило: «Это никогда не пришельцы».
📐 Законы Кеплера и гиперболическая траектория 2:58
Самой поразительной особенностью Оумуамуа, по словам автора видео, является характер его движения. Абсолютно все ранее наблюдавшиеся объекты внутри нашей системы — будь то планеты, астероиды или кометы — движутся по эллиптическим орбитам в строгом соответствии с законами Кеплера.
Степень вытянутости орбиты измеряется её эксцентриситетом:
- Эксцентриситет, равный 0, описывает идеальный круг.
- Значения меньше 1 соответствуют эллиптическим орбитам, при которых объект гравитационно связан с Солнцем и постоянно вращается вокруг него. Например, Земля имеет почти круговую орбиту с эксцентриситетом 0,0167, а знаменитая комета Галлея движется по сильно вытянутому эллипсу с эксцентриситетом 0,967.
- Объекты с эксцентриситетом строго больше 1 движутся по незамкнутым гиперболическим траекториям. Они не вращаются вокруг Солнца, а лишь однократно отклоняются его гравитацией при пролете мимо.
Эксцентриситет орбиты Оумуамуа составляет внушительные 1,2. Это неопровержимо доказывает, что его путь является гиперболическим, и он навсегда покинет Солнечную систему. Другой способ убедиться в этом — сопоставить его скорость со второй космической скоростью (скоростью убегания). В момент максимального сближения с Солнцем, которое произошло глубоко внутри орбиты Меркурия, Оумуамуа разогнался до рекордных 87,7 км/с. Скорость убегания для этой точки пространства составляла чуть более 80 км/с. Обладая таким колоссальным запасом кинетической энергии, объект легко преодолеет гравитационный колодец нашего светила и уйдет обратно в межзвездную бездну.
🔬 Три гипотезы происхождения космического скитальца 4:36
В своей работе исследователи из Лейденской обсерватории проверили три ключевые гипотезы происхождения загадочного объекта:
- Происхождение в Поясе Койпера или Облаке Оорта. Согласно этому предположению, объект мог прилететь с дальних окраин нашей собственной системы, получив мощный гравитационный импульс от некой неоткрытой планеты. Однако компьютерное моделирование показало, что вероятность такого события ничтожно мала.
- Выброс из соседней звездной системы. Ученые смоделировали траектории движения Оумуамуа и 3700 звезд в радиусе 100 световых лет от Солнца. Выяснилось, что около 1,3 миллиона лет назад объект пролетел сквозь Облако Оорта звезды TYC 4742-1027-1. Тем не менее его скорость относительно этой звезды превышала скорость убегания более чем на 100 км/с, что делает её лишь очередной транзитной точкой на его пути.
- Межзвездный «мусор». Наиболее вероятным сценарием авторы работы считают то, что Оумуамуа принадлежит к огромной популяции случайных обломков, дрейфующих в космическом пространстве. При формировании звездных систем из бурных протопланетных дисков выбрасывается колоссальное количество твердого вещества.
Поскольку звезд во Вселенной бесчисленное множество, межзвездное пространство должно быть буквально наводнено подобными «одинокими камнями» (авторы исследования используют термин solar lapis, а также приводят шуточный перевод на клингонский язык — mo'bula nOl). Наше Солнце, вращаясь вокруг центра Галактики, периодически проходит сквозь эти невидимые поля древних обломков.
🌌 Плотность межзвездного вещества и новые телескопы 7:17
Основываясь на факте обнаружения всего одного объекта за пять лет работы обсерватории Pan-STARRS и зная объем просканированного пространства, ученые экстраполировали эти данные для оценки плотности межзвездного «мусора». По их расчетам, в окрестностях нашей Солнечной системы должно находиться колоссальное количество таких тел — порядка 700 триллионов объектов на один кубический парсек. Это даже выше, чем плотность комет в нашем собственном Облаке Оорта.
Из этих расчетов авторы исследования делают смелый прогноз: ежегодно через внутреннюю область Солнечной системы (в пределах орбиты Земли) должно проходить от 2 до 12 подобных межзвездных объектов. Главная причина, почему мы не замечали их раньше, заключается в том, что они крайне редко подлетают достаточно близко для обнаружения существующими приборами. Оумуамуа подошел к Земле на расстояние всего в 18 миллионов километров, но даже при этом телескопы Pan-STARRS засекли его на пределе своих возможностей. Любой чуть более мелкий или удаленный объект остался бы незамеченным.
Ситуация должна в корне измениться благодаря технологическому прогрессу:
- В чилийских Андах ведется строительство Большого синоптического обзорного телескопа (LSST).
- Его запуск («первый свет») запланирован на 2019 год.
- Этот прибор будет фотографировать все доступное ночное небо каждые несколько ночей и сможет фиксировать объекты примерно в 14 раз более тусклые, чем Pan-STARRS.
Оумуамуа окончательно покинет Солнечную систему примерно через 20 000 лет, взяв курс на созвездие Пегаса. Однако для наших телескопов он станет полностью невидимым уже через месяц-другой.
✏️ Научный интерактив: импульс и квантовая неопределенность 9:44
В традиционном блоке ответов на вопросы зрителей ведущий разобрал две фундаментальные физические концепции.
Зритель Илья Козлов Леонард поинтересовался, существует ли верхний предел для импульса частицы, если скорость света строго ограничена, и может ли импульс превышать значение $m \cdot c$.
Ведущий пояснил, что импульс релятивистской частицы может стремиться к бесконечности. Привычная нам формула Ньютона:
$$P = m \cdot v$$
справедлива исключительно для малых скоростей. При приближении к скорости света необходимо использовать релятивистскую формулу, разделив произведение массы на скорость на фактор Лоренца:
$$P = \frac{m \cdot v}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}}$$
По мере того как скорость объекта $v$ приближается к скорости света $c$, подкоренное выражение устремляется к нулю. Деление на величину, близкую к нулю, приводит к тому, что импульс $P$ любого обладающего массой объекта начинает стремиться к бесконечности.
Второй вопрос задал Уильям Смит: каким образом частота фотона может интерпретироваться как импульс, и содержит ли она информацию о направлении движения.
Согласно ответу ведущего, квантовая механика связывает эти понятия через принцип неопределенности Гейзенберга. Для обычной материи неопределенность импульса может распределяться между массой и скоростью. Однако фотоны не имеют массы покоя и всегда движутся со строго постоянной скоростью света. Следовательно, вся квантовая неопределенность их импульса сосредоточена в их частоте и в направлении движения. Именно этим объясняется дифракционное размытие пучка света при прохождении через узкую щель: ограничивая пространственное положение фотона щелью, мы резко увеличиваем неопределенность его импульса, а значит, и направление его последующего полета.
