Wrażenie artysty na „Oumuamua, pierwszy znany obiekt międzygwiezdny, który przeszedł przez Układ Słoneczny. (ESO / M. KORNMESSER)

Miliard lat w przestrzeni międzygwiezdnej: co dzisiaj wiemy o „Oumuamua”

Tego nauczyliśmy się od pierwszego odkrytego obiektu, który wszedł do naszego Układu Słonecznego z przestrzeni międzygwiezdnej.

Miliardy lat temu nasz Układ Słoneczny był wyjątkowo innym miejscem niż to, co wiemy dzisiaj. Na Ziemi nie było wielokomórkowych form życia: żadnych roślin, zwierząt, rozmnażania płciowego. Saturn nie miał jeszcze swoich pierścieni, ponieważ kolizja, która zniszczyła jeden z jego gigantycznych księżyców, jeszcze się nie wydarzyła. A pas asteroid był znacznie bogatszy niż obecnie, pełen skalistych ciał, które już dawno zostały wyrzucone grawitacyjnie w przestrzeń międzygwiezdną.

Każdy Układ Słoneczny, jeśli rozumiemy, jak prawidłowo się tworzą, ma podobną historię. Małe, skaliste ciała - a także te zdominowane przez lód - zostaną wyrzucone grawitacyjnie przez planety i inne obiekty wokół nich. Wiele z tych obiektów zostanie wyrzuconych, podróżując przez galaktykę, aż przypadkowo wejdą w okolice innego, obcego układu słonecznego. W 2017 roku po raz pierwszy wykryliśmy obiekt przechodzący przez nasz Układ Słoneczny, który musiał powstać poza nim: międzygwiezdny interloker Oumuamua. Oto, co wiemy o tym dzisiaj.

Obiekt znany teraz jako „Oumuamua pierwotnie nazywał się C / 2017 U1, kiedy uważano go za kometę, a następnie A / 2017 U1, gdy uważano go za asteroidę. Dziś nazywa się I / 2017 U1, ponieważ jest to pierwszy znany obiekt międzygwiezdny (I), który odwiedził nasz Układ Słoneczny. Zbliżał się do naszego Układu Słonecznego z góry, przechodząc najbliżej Słońca 9 września. Jest teraz w drodze do Urana, przeznaczony do wyjścia z Układu Słonecznego (NASA / JPL-CALTECH)

Hawajskie imię „Oumuamua” jest niezwykle sugestywne, tłumacząc jako „zwiadowca lub posłaniec z odległej przeszłości”. Kiedy zobaczyliśmy ten obiekt przechodzący przez nasz Układ Słoneczny, wyskoczył jako inny niż wszystko inne. Każdy obiekt, który kiedykolwiek znaleźliśmy, ma orbitę względem naszego Słońca. Cztery opcje to:

  • okrągły, z mimośrodem równym 0,
  • eliptyczny, z mimośrodem od 0 do 1,
  • paraboliczny, z mimośrodem dokładnie 1,
  • lub hiperboliczny, z mimośrodem większym niż 1.

Znaleźliśmy obiekty we wszystkich czterech klasach, z obiektami hiperbolicznymi odpowiadającymi kometom, które zostały grawitacyjnie kopnięte w taki sposób, że opuściły Układ Słoneczny. Mają mimośrody nieznacznie większe niż 1, z wartościami takimi jak 1.0001 lub mniej więcej.

Ale kiedy po raz pierwszy znaleźliśmy „Oumuamua”, uznaliśmy, że to było coś wyjątkowego. W przeciwieństwie do wszystkiego, co kiedykolwiek znaleźliśmy, jego ekscentryczność wynosiła 1,2.

Nominalna trajektoria międzygwiezdnej asteroidy „Oumuamua”, obliczona na podstawie obserwacji z 19 października 2017 r. I później. Obserwowana trajektoria odchyla się w wyniku przyspieszenia odpowiadającego wyjątkowo małemu ~ 5 mikronom na sekundę² w stosunku do przewidywanego, ale jest to na tyle znaczące, że wymaga wyjaśnienia. (TONY873004 OF WIKIMEDIA COMMONS)

Innym sposobem na zrozumienie, dlaczego było tak niezwykłe, jest przyjrzenie się jego prędkości wychodzącej z Układu Słonecznego.

Jeśli byłeś obiektem w pasie Kuipera, który wchodził w interakcje z innym ogromnym światem poza Neptunem lub został poruszony przez sam Neptune, możesz grawitacyjnie odłączyć go od naszego Układu Słonecznego, nadając mu orbitę hiperboliczną. Ale jego maksymalna prędkość po opuszczeniu Układu Słonecznego byłaby rzędu ~ 1 km / s. To samo dotyczy asteroidy zakłóconej przez Jowisza: może on osiągnąć prędkość kilku (ale mniej niż 10) km / s po opuszczeniu Układu Słonecznego, ale nie więcej.

Dla „Oumuamua? Kiedy opuści Układ Słoneczny, jego prędkość wyniesie 26 km / s, co jest nieprawdopodobnie dużą liczbą dla czegoś, co pochodzi z naszego lokalnego sąsiedztwa.

Planety Układu Słonecznego wraz z asteroidami w pasie asteroid krążą wokół prawie w tej samej płaszczyźnie, tworząc eliptyczne, prawie okrągłe orbity. Oprócz Neptuna sprawy stają się coraz mniej niezawodne. Ale każdy obiekt pochodzący z Układu Słonecznego powinien mieć maksymalną prędkość wychodzącą z Układu Słonecznego, która powinna być znacznie poniżej tego, co zaobserwowaliśmy dla „Oumuamua”. (INSTYTUT NAUKOWEGO TELESKOPU, DEPT. GRAFICZNY)

Innymi słowy, musi mieć pochodzenie pozasłoneczne. Ten obiekt musiał pochodzić z przestrzeni międzygwiezdnej: z innego układu gwiezdnego, który prawdopodobnie wyrzucił go niepoznawalnie dawno temu. Według naszych najlepszych modeli teoretycznych powinno być co najmniej wiele miliardów tych obiektów na każdą gwiazdę w naszej własnej galaktyce. Jest niezwykle prawdopodobne, że wiele z tych obiektów przechodzi przez nasz Układ Słoneczny co roku, ale nigdy wcześniej ich nie wykryliśmy.

Do „Oumuamua.

Animacja pokazująca ścieżkę międzygwiezdnego intruza, znanego obecnie jako „Oumuamua. Połączenie prędkości, kąta, trajektorii i właściwości fizycznych składa się na wniosek, że pochodzi to spoza naszego Układu Słonecznego. (NASA / JPL - CALTECH)

Gdy przeszedł przez Układ Słoneczny, przeszedł do wnętrza orbity Merkurego: bardzo blisko Słońca. Ponieważ nasze teleskopy rzadko skanują bardzo blisko Słońca, tak naprawdę nie odkryliśmy go, dopóki nie przeleciał na drugą stronę orbity Ziemi, gdy był już w drodze z Układu Słonecznego. Znaleźliśmy go, gdy znajdował się w najbliższym punkcie naszego świata, w odległości zaledwie 23 milionów kilometrów: około 60 razy więcej niż Ziemia-Księżyc.

Przy najbliższym podejściu poruszał się niezwykle szybko, osiągając maksymalną prędkość 88 km / s: około trzy razy większą niż prędkość, z jaką Ziemia okrąża Słońce. A mimo to mieliśmy ogromne szczęście, że wyciągnęliśmy to z danych. Gdy tylko otrzymaliśmy wstępne informacje o jego istnieniu - uzyskane z badania Pan-STARRS - mieliśmy okazję śledzić te obserwacje za pomocą wielu dużych, potężnych teleskopów.

Obserwatorium Pan-STARRS1 na szczycie Haleakala Maui o zachodzie słońca. Poprzez skanowanie całego widocznego nieba na płytką głębokość, ale często Pan-STARRS może automatycznie znaleźć dowolny poruszający się obiekt w naszym Układzie Słonecznym powyżej określonej pozornej jasności. Odkrycia „Oumuamua” dokonano właśnie w ten sposób, śledząc jego ruch względem tła nieruchomych gwiazd. (ROB RATKOWSKI)

Miał dużo bardziej czerwony kolor niż prawie wszystko, co wiemy: najbardziej podobne do asteroid trojańskich, które widzimy krążące wokół Jowisza. Ma inny kolor niż prawdziwe lodowe światy, o których wiemy, w tym centaury, komety i obiekty pasa Kuipera, które znajdujemy w naszym Układzie Słonecznym. Ale w pewnym sensie było również niezwykle nudne, nie wykazując żadnych cech molekularnych, absorpcyjnych ani emisyjnych.

Było ciemno, było czerwone, a łącząc te informacje z pomiarami jasności i odległości, które przeprowadziliśmy, astronomowie mogli określić ich rozmiar. Był mniejszy niż praktycznie każdy obiekt, o którym wiemy, o wielkości około 100 metrów. Obserwacje wskazują, że praktycznie nie było w ogóle pyłu: najwyżej łyżeczka pyłu wielkości mikrona (0,000001 metra) była emitowana z jego powierzchni. „Oumuamua, bez względu na pochodzenie, zdecydowanie nie był wcale kometowy.

Gdy krążą wokół Słońca, komety i asteroidy mogą się nieco rozpaść, a szczątki między kawałkami wzdłuż ścieżki orbity rozciągają się w czasie, powodując deszcze meteorów, które widzimy, gdy Ziemia przechodzi przez ten strumień szczątków. Jedną z wielkich zagadek „Oumuamua” jest to, że kiedy został sfotografowany przez Spitzera (który wykonał pokazany tutaj obraz), nie zauważono żadnego rodzaju szczątków: był całkowicie punktowy. (NASA / JPL-CALTECH / W. REACH (SSC / CALTECH))

W październiku 2017 r. Seria teleskopów obserwowała jasność i sposób jej zmiany w czasie. W skali czasu około 3,6 godziny jego jasność zmieniała się okresowo 15-krotnie: niespotykana duża liczba dla komety lub asteroidy. Jedynym wyjaśnieniem jest to, że „Oumuamua musi być niezwykle wydłużonym, obracającym się przedmiotem. Bez kurzu, odgazowania lub jakiegoś mechanizmu zasłaniającego światło, musi istnieć jakaś różnica w wielkości zależna od jego orientacji. Kiedy widzimy „długi” kierunek „Oumuamua”, widzimy go w najjaśniejszym świetle; kiedy widzimy jego „krótki” kierunek, widzimy, że jest najsłabszy.

Krzywa jasności „Oumuamua po prawej stronie” oraz wywnioskowany, spadający kształt i orientacja na podstawie samej krzywej. (NAGUALDESIGN / WIKIMEDIA COMMONS)

Ale potem wszystko stało się dziwne. Kiedy wyśledziliśmy ścieżkę „Oumuamua”, stwierdziliśmy, że normalna, idealnie hiperboliczna orbita nie pasowała zbyt dobrze. Nastąpiło dodatkowe przyspieszenie, jakby coś go popychało, oprócz wpływu grawitacji. Chociaż niektórzy wybitni zwolennicy przedstawiają niezwykle dzikie wyjaśnienia, takie jak kosmici, nie były to dane wskazane.

Nie musimy uciekać się do fantastycznych wyjaśnień, kiedy zrobią to, co przyziemne. To, że nie miała śpiączki - najczęstszej cechy światów lodu i skał, które się nagrzewają - nie oznacza, że ​​nie może istnieć jakaś forma odgazowania. Przy niewielkich rozmiarach i dużej odległości od „Oumuamua” moglibyśmy dojść do wniosku, że nie ma wokół niego aureoli gazu, ale nie bylibyśmy w stanie wykryć pojedynczego, rozproszonego strumienia wyrzutu.

Kometa 67P / CG zobrazowana przez Rosettę. „Oumuamua ma bardzo różny kształt, rozmiar i skład powierzchni od tej komety, ale odrzutowy strumień podobny do tego, jeśli znajduje się poza osią i poza osią, mógłby wyjaśnić jego skądinąd nienormalny ruch. (ESA / ROSETTA / NAVCAM)

Jak moglibyśmy zebrać wszystkie te informacje, aby uzyskać sens w spójny sposób?

Jest to możliwe, ale wymaga kombinacji czynników, których nigdy wcześniej nie widzieliśmy. W szczególności:

  • odrzutowy odrzutowiec, jak widzieliśmy, wyłaniający się z wnętrza komety 67P / Churyumov – Gerasimenko,
  • bez śpiączki, a zatem powierzchnia w dużej mierze pozbawiona lotnych lodów,
  • pochodzenie spoza Układu Słonecznego,
  • i ciało, które nie tylko się obraca, ale chaotycznie wiruje, gdy porusza się przez Układ Słoneczny.

Jest to możliwe tylko wtedy, gdy z „Oumuamua” wytryskuje strumień, który jest poza środkiem i poza osią tego wirującego, upadającego intruza.

Asteroidy zawierają pewne ilości lotnych związków i często mogą rozwijać ogony, gdy zbliżają się do Słońca. Chociaż „Oumuamua może nie mieć ogona ani śpiączki, bardzo prawdopodobne jest astrofizyczne wyjaśnienie jego zachowania, które jest związane z odgazowaniem i nie ma absolutnie żadnego związku z kosmitami. (ESA–SCIENCEOFFICE.ORG)

Niesamowity wniosek nie polega tylko na tym, że „Oumuamua przybył spoza naszego Układu Słonecznego, ale że było to zarówno rzadkie, jak i powszechne. W przypadku pojedynczego obiektu, takiego jak „Oumuamua”, prawdopodobnie już nigdy nie zbliży się do innego Układu Słonecznego. Tylko raz na 100 bilionów lat - około 10 000 razy więcej niż obecny wiek Wszechświata - minie tak blisko gwiazdy. Jak to ujął naukowiec Gregory Laughlin, „był to czas życia„ Oumuamua ”.

Jednak w przypadku naszego Układu Słonecznego, z powodu ogromnej liczby obiektów takich jak ten przelatujących przez galaktykę, prawdopodobnie doświadczamy podobnego spotkania kilka razy w roku. W 2017 roku po raz pierwszy zobaczyliśmy taki obiekt, ale prawdopodobnie dostaliśmy miliardy z nich w ciągu życia naszego Układu Słonecznego. Niektóre z nich, jeśli natura była życzliwa, mogły nawet zderzyć się z Ziemią.

Przez naszą galaktykę może latać około ~ 10²⁵ takich obiektów. Co jakiś czas będziemy mieli szczęście spotkać jednego z nich. Po raz pierwszy widzieliśmy jeden dla siebie.

Gra Starts With A Bang jest już dostępna na Forbes, a dzięki naszym zwolennikom Patreon została ponownie opublikowana na poziomie Medium. Ethan jest autorem dwóch książek, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek, od Tricorderów po Warp Drive.