Простое объяснение странной орбиты Оумуамуа

19 октября 2017 года астрономы с помощью телескопа Pan-STARRS1 на острове Мауи впервые заметили то, что они приняли за комету или астероид. Изучив его, они поняли, что его наклонная орбита и высокая скорость (87 километров в секунду) означают, что он прибыл из-за пределов нашей Солнечной системы. Поэтому они дали ему имя 1I/Оумуамуа.

Оумуамуа стал первым межзвездным объектом, когда-либо наблюдавшимся в нашей Солнечной системе. Наблюдая за ним с помощью различных телескопов, астрономы смогли проследить его орбиту, определить, что он уже совершил один оборот вокруг Солнца, и понять, что он направляется за пределы Солнечной системы по орбите, которая не является гиперболической (как у простой кометы).

Теперь астрохимик из Калифорнийского университета в Беркли и астроном из Корнелльского университета утверждают, что отклонения объекта от гиперболической траектории можно объяснить простым физическим механизмом, возможно, характерным для многих ледяных комет: газовыделением водорода.

Оумуамуа: комета, которая не ведет себя как комета

Большинство комет - это ледяные тела из внешних областей нашей Солнечной системы, которые периодически приближаются к Солнцу. При нагревании солнечным светом комета выбрасывает воду и другие молекулы, образуя светящийся ореол (полог) и хвосты из газа и пыли.

Выбрасываемые газы действуют как двигатели космического корабля, придавая комете небольшую тягу, которая слегка изменяет ее траекторию по сравнению с эллиптическими орбитами, характерными для других объектов Солнечной системы. Таким образом, траектория становится гиперболической.

Когда была обнаружена комета Оумуамуа, которая действительно могла быть межзвездной кометой, у нее не было ни купола, ни хвоста, она была слишком мала и слишком далеко от Солнца, чтобы нагреться настолько, чтобы выбросить много воды. Кроме того, яркость Оумуамуа периодически менялась и изменялась асимметрично, поэтому было предположено, что она каким-то образом кувыркается из стороны в сторону.

Однако настоящая загадка заключалась в том, что по мере удаления от Солнца она ускорялась. Негравитационное ускорение, которое не перестает удивлять ученых.

Водород, запертый во льду, высвобождается как "пропеллер"

Дженнифер Бергнер, которая в Калифорнийском университете в Беркли изучает химические реакции в ледяных породах в холодном вакууме космоса, подумала, что этому может быть простое объяснение. Она затронула эту тему с коллегой по Национальному научному фонду в Корнелле, Дэррилом Селигманом, и они решили вместе проверить это.

"Комета, проходящая через межзвездную среду, по сути, испепеляется космическим излучением, в результате чего образуется водород. Мы подумали: если это произойдет, то возможно ли задержать его в теле кометы, чтобы при входе в Солнечную систему и нагревании водород был выброшен?" - сказал Бергнер. "Может ли это количественно создать силу, необходимую для объяснения негравитационного ускорения?".

Исследователь подтвердил эту гипотезу, обнаружив, что экспериментальные исследования, опубликованные в 1970-х, 1980-х и 1990-х годах, показали, что при столкновении льда с высокоэнергетическими частицами, такими как космические лучи, молекулярный водород образуется в изобилии и задерживается. Фактически, космические лучи могут проникать в лед на десятки метров, превращая более четверти воды в газообразный водород.

Для кометы диаметром в несколько километров газовыделение будет происходить из очень тонкой оболочки по отношению к массе объекта. Поэтому, как с точки зрения состава, так и с точки зрения ускорения, не обязательно ожидать заметного эффекта. Но поскольку Оумуамуа был таким маленьким, механизм газовыделения водорода мог действительно создать достаточную силу для придания ускорения.

Что, если тот же механизм действует и в других кометах?

До Бергнера никто не рассматривал этот механизм в качестве объяснения странной, негиперболической орбиты Оумуамуа. Идея исследователя оказывает сильное влияние не только на понимание загадочного межзвездного объекта, который все исследователи теперь называют кометой.

На самом деле, поскольку молекулярный водород должен образовываться в любом богатом льдом теле, подвергающемся воздействию энергичного излучения, исследователи подозревают, что тот же механизм действует в кометах, приближающихся к Солнцу и приходящих из облака Оорта на краю Солнечной системы. В этом регионе, который никто еще не наблюдал непосредственно, кометы облучаются космическими лучами, как и межзвездные кометы.

Будущие наблюдения за газовыделением водорода в долгопериодических кометах могут быть использованы для проверки сценария образования и захвата молекулярного водорода, который помог объяснить одну из загадок Оумуамуа. Ожидается, что многие межзвездные кометы также будут обнаружены обсерваторией имени Веры Рубин (LSST) в Чили, которая будет введена в эксплуатацию в начале 2025 года. Полученные данные позволят астрономам определить, является ли газовыделение водорода обычным явлением в кометах.