Удивительные изгои и «неудачники» нашей галактики
Это опять перевод (ну что поделать, лень мне самому писать) статьи из журнала/сайта Astronomy.com, написанной 28 апреля 2021 года Рэндаллом Хайманом. Жду ваших интересных комментариев, друзья 🙂 Ссылка на оригинал.
https://astronomy.com/magazine/news/2021/04/our-galaxys-marv...
https://ru.wikipedia.org/wiki/Бланета
https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/85941/1/mssmi_2020_010....
От планет (лун, покинувших орбиты своих планет) до планет (гипотетического класса планет, которые могут быть сформированы вокруг сверхмассивной Черной дыры в центре Галактики) и межзвездных скитальцев — эти изгои бросают вызов нашим ожиданиям.
По замыслу художника, аккреционный диск сверхмассивной черной дыры с гравитационной линзой на горизонте планеты.
В последние годы астрономы участвовали в водовороте исследований, нарушавших правила, менявших парадигмы и размывавших рамки. Они были сосредоточены на самом невероятном наборе объектов: космических изгоях.
Все началось в 1996 году, когда космический телескоп Хаббл обнаружил звезды там, где их не должно быть: блуждающими вне гравитационных границ галактик. Два года спустя астрономы обнаружили первую предполагаемую планету-изгой — мир, дрейфующий в космосе без звезды.
С тех пор астрономы нашли еще десяток потенциальных планет-изгоев, пару межзвездных объектов и сотни звезд-изгоев, которые движутся из нашей галактики в сторону Андромеды.
Эти одиночки перевернули традиционную практику астрономов классифицировать небесное тело по системе, которую оно называет своим домом: луна принадлежит своей планете, планета принадлежит своей звезде, звезда — своей галактике и так далее.
Астрономы теперь мыслят далеко за пределами этих иерархических категорий, представляя космос полный лун без планет, планет без звезд и звезд (или черных дыр) без галактик. К счастью, новое поколение космических и наземных обсерваторий готово разгадать эти тайны.
Юпитероподобная планета пересекает нашу галактику в одиноком путешествии, будучи вырванной из гравитационных объятий своей звезды-хозяйки. Астрономы теперь думают, что количество планет-изгоев может быть больше, чем звезд во Млечном Пути.
Межзвездные скитальцы
Два последних открытия были сделаны буквально у нас под носом. Первым был астероид 1I/2017 U1 (‘Oumuamua), обнаруженный в октябре 2017 года телескопом Pan-STARRS на Гавайях. Следующим стала комета 2I/Borisov, которую впервые увидел ее тёзка (на самом деле, комету назвали в честь него — прим.ред.), крымский астроном-любитель в августе 2019 года. Оба были беспрецедентными, первыми известными посетителями из-за пределов Солнечной системы.
Внешне комета Борисова казалась относительно знакомой, размером и поведением, похожей на кометы нашей Солнечной системы. Но одним большим отличием была ее скорость и траектория — она двигалась со скоростью 20 миль (32 километра) в секунду и шла по гиперболической траектории. Эта комбинация атрибутов означала, что она была чужой: двигалась слишком быстро, чтобы гравитационно привязаться к Солнцу, а открытый эллипс (подобный эллипсу Оумуамуа) означал, что она сформировалась не здесь и в конечном итоге выйдет из Солнечной системы.
Оумуамуа, с другой стороны, был уникален во всех отношениях. Он имел форму сигары, будучи в шесть раз длиннее собственной ширины. Он также двигался намного медленнее, чем комета Борисова, но все же достаточно быстро, чтобы покинуть Солнечную систему после их относительно короткой встречи. Каждые четыре часа его яркость увеличивалась в 12 раз, а затем уменьшалась, предполагая, что он нёсся в космосе, отражая отблески солнечного света, словно монета, брошенная сквозь галактику.
Отсутствие кометной комы означало, что это был скалистый астероид, но когда он пролетел Солнце, случилось нечто загадочное: он ускорился. Астрономы пришли к выводу, что это, скорее всего, произошло из-за кометной дегазации — выброса замороженного газа, выделяемого солнечным нагревом. Но если бы это было правдой, газ должен бы был создать видимый ореол из газа и пыли, известный как кома, и увеличить скорость вращения Оумуамуа. Ни того, ни другого не произошло.
Оумуамуа и Борисов вошли в Солнечную систему сверху, максимально приблизились к Солнцу и разогнались со скоростью, которая позволила им преодолеть солнечную гравитацию. Их скорость и траектории предупредили ученых о том, что они сформировались не в нашей солнечной системе.
Инопланетный айсберг
Итак, был ли Оумуамуа кометой, астероидом или чем-то еще? Поскольку его не заметили до тех пор, пока он не встал на траекторию выводящую его из нашей системы, то есть через 40 дней после облета вокруг Солнца, астрономам не хватало важной информации о его поведении.
Некоторые предполагали, что Оумуамуа может быть космическим кораблем пришельцев или солнечным парусом. Большинство астрономов отвергали обе эти теории, так как радиосигналы обнаружены не были, а длина Оумуамуа с футбольное поле, чтобы вызвать наблюдаемое ускорение, потребовала бы тонкого паруса, толщиной в лист бумаги.
Другие исследователи предложили более естественное объяснение: он выпускал газ через многочисленные отверстия с одной стороны, когда они попадали под прямые солнечные лучи. Это заставило бы его раскачиваться взад и вперед, как маятник, его поверхность попеременно нагревалась бы и охлаждалась палящим солнечным светом и холодной тенью.
Совсем недавно некоторые из тех же авторов опубликовали статью в The Astrophysical Journal Letters в июне прошлого года, в которой предположили, что Оумуамуа — это водородный айсберг. Предполагалось, что межзвездный молекулярный водородный лед (H2) существует уже давно, но так и не был обнаружен. Это вещество настолько загадочно, что некоторые космологи когда-то полагали, что молекулярные облака могут содержать огромное его количество как источник темной материи — вещества, которое скрепляет нашу галактику.
«Это звучит неправдоподобно, потому что мы никогда не видели водородный лед, но, если вы примете это за рабочую гипотезу, это объяснит все странности, связанные с Оумуамуа», — говорит Дэррил Селигман, научный сотрудник Чикагского университета и соавтор исследования.
По расчетам Селигмана, другие кандидаты на дегазацию (помимо водородного льда) могли бы быть легко обнаружены или же требовали бы выброса большого количества материала. Водородный лед объясняет странное поведение Оумуамуа тем, что его трудно обнаружить и он служит обогащенным топливом.
«Молекулярный водород — безусловно, лучший ускоритель», — говорит Селигман. «Чтобы азот [или другие вещества] работал, вам нужно, чтобы поверхность была почти полностью им покрыта, в то время как для водорода у вас может быть какая-нибудь штука с замороженным водородом и другими вещами, которые намного легче сформировать».
Это также могло объяснить длинную, похожую на осколок форму Оумуамуа. Согласно реконструкции Селигмана, когда наше Солнце начало забрасывать его фотонами, поверхность вдоль длинной оси объекта была больше подставлена под солнечные лучи и быстрее расплавилась. «Это именно то, что происходит с мылом в душе», — говорит он. «Вы получаете этот маленький иссохший фрагмент. Очень удлиненный и очень маленький».
Мы никогда больше не увидим Оумуамуа и никогда не узнаем, что это было. Но случайность обнаружения Оумуамуа и кометы Борисова всего за два года намекает на то, что нам не хватает многих из их братьев и сестер. К счастью, технология, необходимая для их обнаружения, скоро будет доступна. Обсерватория Веры Рубин, расположенная на вершине горы в Чили, планируется к началу работы в 2023 году. Ее мощный телескоп предназначен для сканирования всего неба каждые три ночи с помощью камеры с разрешением 3200 мегапикселей (самой большой в мире) и сможет обнаружить такие объекты в Солнечной системе как межзвездные скитальцы и околоземные астероиды, а также более далекие события, вроде сверхновых и всплесков гамма-излучения.
Исследователи считают, что странное поведение Оумуамуа (1I/2017 U1) можно объяснить, если он выбрасывает материал в космос, как это изображено в концепции этого художника.
Происхождение Оумуамуа
В своей статье, опубликованной в июне 2020 года, Дэррил Селигман и его коллеги утверждали, что «Оумуамуа мог сформироваться в сверх-холодных участках космоса: молекулярных облаках. Находящиеся в состоянии на несколько градусов выше абсолютного нуля при минус 454 градусах по Фаренгейту (минус 270 градусов по Цельсию), при атмосферном давлении, достаточном для предотвращения внезапного испарения льда, молекулярные облака богаты водородом и достаточно холодны, чтобы замерзнуть и собрать его вокруг крупных частиц пыли.
Но противники этой идеи говорят, что Оумуамуа потребовались бы сотни миллионов лет, чтобы пропутешествовать от ближайшего гигантского молекулярного облака — слишком долго, чтобы кусок водородного льда пережил постепенную сублимацию, которая заставляет лед непосредственно переходить из твердого состояния в газ. Вместо этого, чтобы сценарий с водородным льдом был верным, Оумуамуа должен быть удивительно молодым объектом, сформировавшимся поблизости. В прошлом году исследование Университета Западного Онтарио, проведенное Тимом Халлаттом и Полом Вигертом, показало, что Оумуамуа мог образоваться менее 100 миллионов лет назад, именно там, где собирались слиться молодые звезды, которые сейчас окружают нас. Их анализ основан на медленной скорости Оумуамуа относительно звездного сектора, через который мы сейчас проходим, вращаясь вокруг центра галактики — другими словами, они утверждали, что мы перехватили Оумуамуа, а не наоборот. — Рэндалл Хайман.
1,3-метровый телескоп, используемый в эксперименте по оптическому гравитационному линзированию, отслеживает яркость почти 2 миллиардов звезд. Помимо планет-изгоев, он также обнаружил более 2400 переменных звезд-цефеид, отмеченных желтым цветом на этом изображении неба над обсерваторией.
Планеты, ставшие изгоями
Позже в этом десятилетии запланированный НАСА космический телескоп Нэнси Грейс Роман начнет поиск другого вида кочевников: планет-изгоев или миров без звезд. Он будет соответствовать разрешению Хаббла, но при этом будет в 100 раз перекрывать его поле зрения и будет видеть глубже в инфракрасном диапазоне, чтобы прорезать галактическую пыль и газ.
Телескоп в первую очередь будет искать экзопланеты, темную энергию и темную материю. Но, согласно недавнему исследованию, проведенному учеными из штата Огайо, он, вероятно, откроет нечто столь же поразительное: галактику, в которой больше планет-изгоев, чем видимых звезд.
«Я не думаю, что люди действительно имеют представление о том, что такое планеты-изгои, не говоря уже о том, что галактика может быть кишит ими», — говорит профессор штата Огайо и соавтор исследования Скотт Гауди. «Обнаружение Оумуамуа демонстрирует, что свободно плавающие объекты с чрезвычайно малой массой, вероятно, дрейфовали в нашу солнечную систему и выходили из нее все время, пока мы занимались астрономией, и только сейчас у нас есть технология для их обнаружения».
По словам Гауди, одна из самых интересных особенностей нового телескопа — это то, что он может обнаруживать планеты-изгои, такие же легкие, как Плутон. Техника, которую он будет использовать, называется гравитационным микролинзированием, которая уже использовалась наземными обсерваториями для идентификации нескольких вероятных планет-изгоев. Гравитационное микролинзирование использует явление, предсказанное Эйнштейном более века назад: гравитационное поле большой массы изгибается и усиливает свет, который исходит за ним. В этом случае, когда планета проходит перед более далекой звездой, усиленная яркость звезды предупреждает астрономов о линзировании.
Продолжительность события показывает массу планеты или так называемую линзу.
«Чем менее массивна линза, тем короче процесс микролинзирования», — говорит Пшемек Мроз, научный сотрудник Калифорнийского технологического института. Мроз также является участником эксперимента по оптическому гравитационному линзированию (OGLE) под руководством Варшавского университета, который использует 1,3-метровый телескоп в Чили для поиска таких явлений. «Большинство наблюдаемых событий, которые обычно длятся несколько дней, вызваны звездами», — добавляет он. «События микролинзирования, приписываемые свободно плавающим планетам, имеют временные рамки всего несколько часов».
В исследовании, опубликованном в ноябре прошлого года, Мроз и его коллеги сообщили, что нашли кандидата-изгоя меньше Земли с рекордным событием микролинзирования всего 41,5 минуты. Команда OGLE оценивает массу планеты не только по продолжительности события, но и по форме наблюдаемой кривой света, которая показывает, как яркость фоновой звезды изменяется с течением времени. Объединение будущих наблюдений телескопа Роман и земной обсерватории Веры Рубин позволит ученым триангулировать расстояния и получить еще более точные оценки массы. Команда считает, что эта экзопланета либо находится в свободном плавании, либо, по крайней мере, в восемь раз дальше от своей звезды, чем Земля от Солнца.
Комета Борисова (2I/Borisov) пролетела через Солнечную систему так быстро, что попытки космического телескопа Хаббла отследить ее во время экспозиций привели к тому, что стали видны звездные следы на изображении. Кометоподобная кома Борисова также хорошо видна.
Астрономы пытались объяснить появление планет-изгоев несколькими способами. Один из сценариев состоит в том, что планетами-изгоями становятся сироты, оставленные их родными звездами, когда они превращаются в красных гигантов. Когда звезды раздувают свои внешние слои, они теряют как массу, так и свою гравитационную силу по отношению к своим самым далеким планетам. (Нептун и Уран могут разделить эту судьбу, когда наша собственная звезда вступит в свою последнюю стадию жизни.) Альтернативный сценарий предполагает, что проходящая звезда может оторвать планеты с широкими орбитами от своей домашней звезды, оставив их дрейфовать. Третье объяснение состоит в том, что изгои изгнаны в молодости, побеждены более массивными братьями и сестрами и брошены в пустоту в процессе противостояния за материал вокруг своей родительской звезды.
Некоторые объекты, которые кажутся планетами-изгоями, на самом деле могут быть «просроченными» коричневыми карликами — неудавшимися звездами, которые израсходовали все свое дейтериевое топливо и не могут генерировать давление и тепло, достаточное для запуска любых других ядерных реакций. Такие коричневые карлики, которые должны изначально весить не менее 13 юпитеров, чтобы сжигать дейтерий, будут охлаждаться и сжиматься, поскольку они теряют радиационное давление, необходимое для поддержания их массы.
Температура самого холодного коричневого карлика за всю историю наблюдений составляет около минус 10 градусов по Фаренгейту (минус 23 градуса по Цельсию), отмечает Мелоди Као из Университета штата Аризона, «и это холоднее, чем поверхность Земли. Так это действительно планета или коричневый карлик? Это большой предмет для споров среди астрономов».
И, несмотря на растущий список кандидатов на планеты-изгоев, пока невозможно проверить, какие из них являются настоящими кочевниками, а какие находятся на обманчиво широких орбитах вокруг далекой звезды-хозяйки. Возможно, придется подождать, пока через несколько лет появится следующее поколение гигантских 30-метровых телескопов. Их разрешающая способность позволит быстро отличить звезду-хозяйку — если она есть — от звезды заднего плана, поскольку их движения через галактику разделяют их на небе.
Кольца из обломков — наиболее вероятное объяснение таинственного затемнения звезды Табби, как это видно в концепции этого художника. Кольца могли быть остатками плунет — спутников, сбежавших с планет-хозяеек.
Своенравные луны
Если планеты могут стать изгоями, как насчет их спутников? Уже начались поиски осиротевших экзолун в звездных системах, которые одна группа исследователей назвала планетами. Поскольку астрономы считают, что экзолуны более многочисленны, чем экзопланеты, существование планет кажется вероятным. Но их обнаружение будет на грани возможностей даже технологий следующего поколения.
До сих пор почти все, что мы узнали о планетах, основано на моделях. Согласно недавнему моделированию, планеты рождаются из хаотического танго между их родительской планетой и звездой-хозяйкой. Команда из Чили, придумавшая этот термин, была сосредоточена на горячих Юпитерах, гигантских экзопланетах, которые разместились на том же расстоянии от своих звезд, на каком расположен Меркурий по отношению к Солнцу.
По мере того, как такая планета приближается к своей звезде, она испытывает приливные силы, искажающие ее. Из-за сложного взаимодействия гравитации и трения приливные силы замедляют вращение планеты, одновременно увеличивая импульс луны, отправляя ее на более высокую орбиту. По мере увеличения расстояния гравитационная связь между планетой и луной может стать настолько слабой, что звезда оторвет луну как отдельную планету.
Исследование 2019 года выявило еще один способ, с помощью которого луны могут выйти из-под контроля — когда гигантская планета и ее спутники вращаются вокруг звезды, которая является частью двойной системы. Гравитация второй звезды толкает планету на нарушенную, эксцентричную орбиту, которая заставляет ее пролетать так близко от своей звезды, что планета теряет «опеку», и звезда переводит Луну на независимую околозвездную орбиту — при условии, что она вначале не проглотит и не испарит ее.
Исследование показало, что только 10 процентов планет переживают свои родительские планеты. Остальные падают в свою звезду, врезаются в своих родителей или испаряются из-за звездного излучения, оставляя вращающееся кольцо из пыли, газа и мусора. Такие кольца из обломков также могут постоянно затемнять свою звезду-хозяйку, что может объяснить непостоянное и таинственное затемнение звезды Табби в созвездии Лебедя.
Луны, которые не достигают статуса изгоев и уничтожаются своей родительской планетой, также могут объяснить особый случай экзопланеты, находящейся на расстоянии примерно 430 световых лет от нас, которая, по-видимому, имеет не менее 37 колец вокруг себя.
«Все эти сценарии почти наверняка имеют место», — говорит Мигель Мартинес из Северо-Западного университета, ведущий автор исследования 2019 года. «Вопрос в том, достаточно ли они значительны, чтобы мы могли обнаруживать эти события с помощью текущих данных и инструментов. Тот факт, что мы до сих пор видели только одну звезду Табби вместо многих, не должен вызывать удивления».
На данный момент такие оставшиеся поля обломков могут быть лучшим шансом для астрономов сделать вывод о существовании планет. В конце концов, даже если астрономы обнаружат убегающую планету-изгой, вращающуюся вокруг своей звезды-хозяйки, будет трудно отличить ее от обычных планет. «Я не думаю, что кто-то всерьез рассматривал эту проблему», — говорит Мартинес. Возможно, астрономы найдут плунеты и даже не поймут, что они их нашли.
Майкл Земцов и Чи Нгуен из Рочестерского технологического института исследуют полезную нагрузку CIBER-2 в феврале 2019 года.
Вольные звезды
Если луны могут быть смещены со своей орбиты вокруг планет, а планеты могут быть оторваны от звезд, могут ли звезды быть выброшены из галактик? Сто лет назад даже этот вопрос был бы бессмысленным, поскольку считалось, что наша галактика охватывает всю вселенную. Сама концепция множественных галактик высмеивалась лучшими астрономами мира.
Но открытие Генриетты Ливитт в 1908 году о том, что пульс некоторых звезд-цефеид можно использовать для обозначения расстояний — плюс измерения цефеид в Галактике Андромеды в 1924 году Эдвином Хабблом — доказало, что Вселенная состоит из бесчисленных галактик, каждая из которых содержит миллиарды звезд, соединенных необыкновенным гравитационным «клеем».
Из-за этого было трудно представить, что звезды могут нарушать такие жесткие границы и выходить за их пределы. Затем, в 1997 году, Хаббл изобразил сотни красных звезд-гигантов, парящих среди скопления галактик Девы, вдали от какой-либо конкретной галактики. Последующие измерения, проведенные в 2005 году учеными из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, показали, что звезды, летящие из нашей галактики, имеют скорость почти 1,5 миллиона миль в час (2,4 миллиона км/ч). Несколько лет назад группа астрономов под руководством Вандербильта обнаружила еще сотни таких сверхскоростных звезд, которые они назвали звездами-изгоями, на окраинах Млечного Пути, направляющихся в Галактику Андромеды.
Примерно в то же время Майкл Земцов, доцент Рочестерского технологического института, начал использовать зондирующие ракеты с телескопами ближнего инфракрасного диапазона на борту, чтобы вглядываться в самые темные участки неба, надеясь обнаружить свет от исконных галактик. Его команде удалось обнаружить слабое диффузное свечение, но оно было слишком синим и ярким, чтобы исходить от таких далеких источников, чей свет был сильно смещен в красную область или растянут до более красных длин волн. Они пришли к выводу, что свечение исходит от звезд-изгоев — таких звезд во Вселенной больше, чем кто-либо мог себе представить.
Космический телескоп НАСА имени Нэнси Грейс Роман планируется запустить в конце этого десятилетия.
Земцов считает, что эти звезды выбрасываются, когда галактики сталкиваются друг с другом. Он объясняет, что эти столкновения «небрежны». «[Галактики] сливаются и увеличиваются в размерах, но выплескивают часть жидкости из чаши».
Он считает, что чрезвычайно далекие звезды-изгои могут помочь решить проблему отсутствия вещества: по мнению космологов, во Вселенной отсутствует значительное количество массы и света, которые должны быть видимы, даже после сложения всех известных галактик. (Эта «проблема отсутствующих барионов» отделена от темной материи, таинственного вещества, которое пронизывает Вселенную и удерживает галактики вместе.) «Наша работа говорит, что если вы просуммируете весь свет от галактик, которые вы видите, это будет примерно столько же, сколько света за пределами галактик [от звезд-изгоев] », — говорит Земцов.
Есть более экзотические, альтернативные объяснения этого слабого повсеместного света, такие как распадающаяся темная материя, но Земцов считает, что его объяснение подходит лучше всего. Этой весной его команда планирует запустить новую ракету под названием Cosmic Infrared Background ExpeRiment-2 или CIBER-2. Они думают, что с помощью дополнительных возможностей, распространяющихся на спектр видимого света, можно будет доказать, что таинственный сигнал — это звездный свет.
И напоследок
Наш список межгалактических изгоев на этом не заканчивается. Некоторые ученые подозревают, что шаровые скопления, блуждающие в промежутках между галактиками в скоплении Девы, на самом деле могут вращаться вокруг бездомных черных дыр, выброшенных из галактик в фатальном противостоянии с более крупными противниками.
А в августе прошлого года японские астрономы довели понятие изгоев до крайности. Они подсчитали, что среди огромного водоворота газа и мусора, вращающегося вокруг сверхмассивных черных дыр в центрах галактик, могут образоваться беззвездные планеты, в 3000 раз превышающие массу Земли. Эти планеты, как их назвала команда, могут иметь орбиту с обращением в 1 миллион лет в 10 световых годах от их суррогатной «звезды», горизонта событий.
Вселенная изгоев может быть ошеломляющей. Луны становятся планетами. «Неудавшиеся» звезды становятся планетами. Межзвездные астероиды ведут себя как кометы. Черные дыры порождают планеты. Астрономы считают, что между звездами может быть столько же планет, сколько звезд в нашей галактике — или звезд, дрейфующих между галактиками, как галактик во Вселенной. По мере того как телескопы все более пристально будут смотреть в космос, действующие лица обещают стать все более разнообразными, перевернув историю нашей Солнечной системы, нашей галактики и самых дальних уголков космоса.
