Міжзоряна комета: Оумуамуа, Борисов і посланці з інших зірок

Уявіть: десь у глибинах космосу, за мільярди кілометрів від будь-якої зірки, летить крижана брила. Вона не належить жодній планетній системі, не прив’язана до жодного сонця. Вона просто мчить крізь міжзоряний простір — і одного дня випадково пролітає повз нас. Саме це і є міжзоряна комета. Явище, яке астрономи довго підозрювали, але побачили власними очима лише кілька років тому.

Для науки це не просто красива знахідка. Це буквально шматок іншого світу, який сам прилетів до нас.

Міжзоряна комета і чим вона відрізняється від звичайної

Більшість комет, які ми знаємо, народилися разом із Сонячною системою — приблизно 4,6 мільярда років тому. Вони живуть у хмарі Оорта або поясі Койпера, час від часу зриваються зі своїх орбіт і летять до Сонця, де нагріваються, виділяють газ і пил, утворюючи той самий яскравий хвіст. Потім або повертаються назад, або назавжди покидають систему. Але в будь-якому разі вони наші — місцеві, сонячні.

Міжзоряна комета — зовсім інша історія. Вона прийшла ззовні. Утворилася в іншій планетній системі, навколо іншої зірки, і якимось чином була викинута у відкритий міжзоряний простір. Після цього вона могла мандрувати мільйони або навіть мільярди років, перш ніж гравітація Сонця злегка відхилила її траєкторію і вона пролетіла крізь нашу систему.

Головна ознака, за якою астрономи розпізнають такий об’єкт, — це форма орбіти. Комети Сонячної системи рухаються по еліптичних орбітах: вони прив’язані до Сонця гравітацією. Міжзоряний об’єкт рухається по гіперболічній орбіті з ексцентриситетом більше одиниці. Це означає, що він летить занадто швидко, щоб Сонце могло його утримати. Він прийшов — і піде. Назавжди.

Звідки вони беруться? Механізм досить зрозумілий. Коли планетна система формується, гравітаційні взаємодії між молодими планетами і малими тілами неминуче викидають частину цих тіл геть. Юпітер у нашій системі зробив це з величезною кількістю об’єктів мільярди років тому. Те саме відбувається в кожній зоряній системі. Тому міжзоряний простір буквально заповнений такими мандрівниками — ми просто не бачимо їх, бо вони темні, холодні й рухаються у порожнечі.

Перший підтверджений випадок — Оумуамуа

Жовтень 2017 року. Телескоп Pan-STARRS на Гаваях фіксує об’єкт, який рухається дуже дивно. Астрономи починають рахувати орбіту — і отримують ексцентриситет 1,2. Це не помилка. Це не місцева комета. Це щось із-за меж Сонячної системи.

Об’єкт отримав назву 1I/ʻOumuamua — гавайське слово, яке приблизно означає «перший посланець здалеку». І він одразу поставив астрономів у глухий кут.

По-перше, форма. Спостереження показали, що яскравість об’єкта змінювалася дуже різко — у десять разів за кілька годин. Це означало або надзвичайно витягнуту форму (як сигара або млинець), або дуже нерівномірне відбиття. Нічого подібного серед відомих комет чи астероїдів не траплялося.

По-друге, прискорення. Коли Оумуамуа почав віддалятися від Сонця, він прискорювався трохи більше, ніж мала б давати чиста гравітація. У звичайних комет таке пояснюється реактивним ефектом від випаровування льоду — газ вириває з поверхні і штовхає тіло. Але жодного газового хвоста, жодної коми навколо Оумуамуа виявлено не було. Звідки прискорення?

Це питання досі відкрите. Одні вчені припускають, що об’єкт міг бути фрагментом азотного льоду, який майже повністю випарувався ще до того, як ми його помітили. Інші — що це пил із надзвичайно пористою структурою. Були й більш екзотичні гіпотези, включно з ідеєю про штучне походження, яку висунув астрофізик Аві Льоб. Наукова спільнота поставилася до цієї ідеї скептично, але вона привернула величезну увагу публіки.

Офіційно Оумуамуа класифікували як міжзоряний об’єкт без чіткого визначення типу — не зовсім комета, не зовсім астероїд. Він пролетів і зник, перш ніж ми встигли як слід його вивчити.

Борисов — перша справжня міжзоряна комета

Якщо Оумуамуа залишив більше запитань, ніж відповідей, то наступний гість виявився куди зрозумілішим — і від цього не менш захоплюючим.

30 серпня 2019 року кримський астроном-аматор Геннадій Борисов виявив новий об’єкт за допомогою саморобного телескопа. Спочатку це виглядало як звичайна комета — навколо ядра вже була помітна кома, тобто хмара газу і пилу. Але коли астрономи розрахували орбіту, стало зрозуміло: ексцентриситет більше трьох. Це не просто гіперболічна орбіта — це орбіта об’єкта, який летить із міжзоряного простору з величезною швидкістю.

Борисов — це перший об’єкт, для якого ми можемо впевнено сказати: він прийшов з іншої зоряної системи і поводиться так само, як наші власні комети.

Комету назвали 2I/Borisov — другий міжзоряний об’єкт, перша підтверджена міжзоряна комета. І на відміну від Оумуамуа, вона була зрозумілою. Вона мала хвіст. Вона мала кому. Вона виділяла газ і пил, як і належить кометі. Спектральний аналіз показав воду, монооксид вуглецю, ціаноген — усе те, що ми звикли бачити в кометах нашої системи.

Це саме по собі приголомшливий результат. Виявляється, комети в різних зоряних системах можуть бути дуже схожими за складом. Базові будівельні блоки — вода, вуглецеві сполуки, силікати — схоже, є універсальними. Принаймні в нашій частині галактики.

Борисов дав вченим кілька місяців для спостережень, перш ніж пішов у темряву. Телескоп Hubble зробив детальні знімки. Дослідники встигли виміряти розмір ядра — приблизно кілометр у діаметрі — і проаналізувати склад. Це була справжня наукова удача.

Порівняння двох міжзоряних об’єктів

Як астрономи розпізнають міжзоряний об’єкт

Здавалося б, просто: якщо летить із боку — значить, чужий. Але насправді ідентифікація міжзоряного об’єкта вимагає кількох незалежних підтверджень.

Перший і найважливіший крок — розрахунок орбіти. Для цього потрібні спостереження з кількох точок у різний час. Чим більше вимірювань, тим точніша орбіта. Якщо ексцентриситет виходить більше одиниці — об’єкт не прив’язаний до Сонця гравітаційно. Але тут є нюанс: деякі комети Сонячної системи можуть отримати додаткове прискорення від гравітації великих планет і теж вийти на гіперболічну орбіту. Тому важливо перевірити, чи не пролітав об’єкт поруч із Юпітером або Сатурном.

Другий критерій — швидкість відносно Сонця на великих відстанях. Об’єкти Сонячної системи, навіть на гіперболічних орбітах, мають характерні швидкості. Справжній міжзоряний гість летить значно швидше — він несе з собою швидкість руху своєї рідної зоряної системи відносно нашої.

Третій інструмент — спектральний аналіз. Він дозволяє визначити хімічний склад об’єкта. Якщо склад різко відрізняється від усього, що ми бачили в Сонячній системі, це додатковий аргумент на користь міжзоряного походження. Хоча, як показав Борисов, склад може бути й дуже схожим.

Сучасні оглядові телескопи — такі як Pan-STARRS і Catalina Sky Survey — постійно сканують небо в пошуках нових об’єктів. Саме завдяки їм ми й виявили обидва відомі міжзоряні об’єкти. Але є проблема: обидва рази ми помітили гостей уже після того, як вони пройшли перигелій — найближчу до Сонця точку. Тобто ми спостерігали їх уже на виході. Якби ми помітили їх раніше, часу для вивчення було б набагато більше.

Звідки вони летять і що несуть із собою

Питання про походження конкретного міжзоряного об’єкта — одне з найцікавіших. Для Борисова вчені спробували відстежити траєкторію назад і з’ясувати, звідки він міг прилетіти. Виявилося, що кілька сотень тисяч років тому він пролітав поблизу зірки Крюгера 60 — подвійної зоряної системи на відстані близько 13 світлових років від нас. Але це не обов’язково означає, що він звідти родом — він міг просто пролітати мимо.

Механізм викиду комет із планетних систем добре відомий. Коли газові гіганти формуються і мігрують у молодій системі, вони гравітаційно розкидають малі тіла в усі боки. Частина падає на зірку або планети, частина осідає в аналогах хмари Оорта, а частина отримує достатньо енергії, щоб повністю покинути систему. За деякими оцінками, кожна зоряна система викидає трильйони таких об’єктів за час свого існування. Тому міжзоряний простір буквально кишить ними — просто вони розкидані на колосальних відстанях і майже невидимі.

Якщо ми коли-небудь зможемо взяти зразок міжзоряної комети, це буде рівнозначно тому, щоб тримати в руках шматок іншої зоряної системи.

Що стосується наукової цінності — вона величезна. Склад комети відображає умови, в яких вона утворилася. Аналізуючи ізотопні співвідношення, органічні молекули, мінеральний склад пилу, можна дізнатися про температуру, тиск і хімію протопланетного диска іншої зірки. Це інформація, яку ми не можемо отримати жодним іншим способом — жоден телескоп не дозволить нам так детально вивчити іншу планетну систему.

Окремо стоїть питання про органічні молекули. Борисов містив монооксид вуглецю і, можливо, складніші вуглецеві сполуки. Чи можуть міжзоряні комети переносити органіку між зоряними системами? Теоретично — так. Це один із варіантів гіпотези панспермії: ідеї про те, що будівельні блоки життя (або навіть саме примітивне життя) можуть мандрувати космосом на кометах і астероїдах. Більшість вчених ставляться до цієї ідеї обережно, але повністю не відкидають. Поки що немає жодних доказів, що якась комета — міжзоряна чи місцева — несла щось живе. Але органічна хімія в кометах — це факт.

Скільки їх насправді і чи побачимо ми ще

Два об’єкти за кілька років — це багато чи мало? Якщо подумати, що ми взагалі не очікували їх побачити так скоро, то це вже дивовижно. Але астрономи вважають, що реальна кількість міжзоряних об’єктів, які проходять крізь Сонячну систему в будь-який момент часу, може бути дуже великою.

Теоретичні розрахунки, зроблені після відкриття Оумуамуа, показали: якщо такі об’єкти настільки поширені, як випливає з одного виявлення за кілька років спостережень, то в будь-який момент у межах орбіти Нептуна може перебувати кілька таких тіл. Просто вони занадто темні й малі, щоб їх помітити нинішніми телескопами.

Ситуація має змінитися з початком повноцінної роботи Обсерваторії Віри Рубін у Чилі (раніше відома як LSST). Цей телескоп буде сканувати все небо кожні кілька ночей із безпрецедентною чутливістю. За прогнозами, він зможе виявляти міжзоряні об’єкти значно раніше — ще на підльоті до Сонця, а не після перигелію. Це дасть місяці, а не тижні для спостережень. І, можливо, час для чогось більшого.

Є ще одна важлива деталь: ми, мабуть, бачимо лише найбільші об’єкти. Дрібніші — розміром із будинок або менше — просто не відбивають достатньо світла. Реальна кількість міжзоряних мандрівників у нашій системі може бути на порядки більшою, ніж ми можемо виявити.