Межзвездный экспресс: много ли вокруг нас галактической пыли

Каждую ночь в атмосфере Земли вспыхивают и сгорают сотни, а то и тысячи метеоров. Эти космические тела бывают как микроскопическими пылинками, так и весьма крупными валунами. Ученые считают, что среди них могут оказаться и те, что прилетели к нам из-за пределов Солнечной системы и даже, возможно, из межгалактического пространства. Как астрономы ищут такие частицы, в какой степени они уверены в их «внесолнечном» происхождении и много ли их вспыхивает каждую ночь у нас над головой, разбиралась редакция N + 1.

Сначала работа над ошибками: 17 апреля мы выпустили новостьо межзвездном метеоре, который совместно с коллегами обнаружил гарвардский астроном Абрахам Лоэб. Многие научно-популярные издания (и мы тоже) написали о первом межзвездном метеоре, но это, как выяснилось, не совсем верно. Бдительный подписчик (спасибо, Георгий!) прислал нам ссылку на научную статью, опубликованную 12 лет назад в российском астрофизическом журнале, где уже шла речь о межгалактическом метеоре. И мы начали разбираться.

Превышение скорости

Теоретически отличить пришельца из-за пределов Солнечной системы от «местного» очень просто: по скорости. Небесное тело, если у него нет двигателя, не может разогнаться внутри Солнечной системы выше определенной скорости. Если вы обнаружили объект с б?льшей скоростью, значит, он прилетел «снаружи» и скоро улетит туда же.

Поясним чуть более сложным языком: если сумма потенциальной (отрицательной) и кинетической (положительной) энергий в системе двух тел оказывается меньше нуля, то такая система гравитационно связана, а орбиты в ней — замкнутые кривые. В этом случае тела могут двигаться прямолинейно (падать друг на друга без начальной скорости), а также вращаться по круговым или эллиптическим орбитам.

Если суммарная энергия строго равна нулю, то тела будут двигаться по параболическим траекториям. Если же в суммарной энергии доминирует вклад кинетической (энергия движения оказывается больше энергии гравитационного взаимодействия), то такая система оказывается не связана и тела разлетаются на сколь угодно большое расстояние.

Этот же набор возможностей описывается через главную характеристику орбиты объекта: эксцентриситет, выражающий отклонение формы траектории от круговой. Для окружности эксцентриситет равен нулю, для эллипса принимает значения от нуля до единицы, для параболы равен единице, а для гиперболы превышает единицу. Достаточно определить, к какому классу относится орбита — если она гиперболическая, смело записываем объект в «пришельцы».

Наконец, можно просто измерить скорость тела, которую определить обычно проще, чем форму орбиты. В случае Солнечной системы минимальная гиперболическая скорость на орбите Земли составляет 42 километра в секунду. Если тело двигается в точке, находящейся в одной астрономической единице от Солнца, с б?льшей скоростью, это значит, что оно прибыло из других частей Галактики. Если представить себе, что в пустом пространстве есть только Солнце и покоящееся на очень большом расстоянии от него маленькое тело, то притяжение нашей звезды никак не может разогнать объект до б?льших скоростей.

Типы орбит космических объектов в поле тяготения Солнца

Мелькнул и погас

Однако в реальности все намного сложнее. Во-первых, метеоры грубо можно разделить на два типа: ассоциированные с каким-то потоком и редкие отдельные, также называемые спорадическими. Первая группа связана с движением известных тел Солнечной системы, в частности комет, поэтому их скорости не превышают гиперболическую. Объекты второй группы специально практически не исследуют, поэтому наблюдать их (и измерить их скорость) можно только случайно.

Во-вторых, исходные параметры метеоров восстанавливаются зачастую с большими ошибками, что не позволяет сделать однозначных выводов. Например, вычисленная скорость за пределами Солнечной системы для описанного в новости от 17 апреля метеора должна составлять 43,8 километра в секунду с ошибками от ?31,2 до +12,9. Причем данное тело было еще и весьма большого размера — почти полметра в радиусе, но и это не помогло с хорошей точностью установить его исходную траекторию.

В-третьих, околосолнечное пространство не пусто, в нем есть тела, влиянием которых невозможно пренебречь, в первую очередь Юпитер. Взаимодействие с планетами при удачном стечении обстоятельств может придавать дополнительную скорость малым телам посредством «гравитационной пращи», поэтому необходимо удостовериться в отсутствии близких прохождений.

Однако в связи с неточностью определения изначальных скоростей и траекторий часто это сделать затруднительно. Более того, мелкие частицы могут ускоряться и посредством других механизмов, например давлением излучения.

В-четвертых, надо не забывать про собственную орбитальную скорость Земли, которая составляет 30 километров в секунду. Так как внешнее тело может подлетать к планете с любой стороны, в случае встречного движения предельная скорость для объекта Солнечной системы составит уже 72 километра в секунду. При недостаточно точно известной орбите лишь заметное превышение данного значения укажет на возможное межзвездное происхождение.

И это далеко не полный список проблем, ведь зачастую даже высота сгорания метеора бывает определена в огромной ошибкой. Для одних методов определения скорости это может оказаться не принципиально, а для других — очередным источником неопределенности в выводах.

Ситуацию с определением траектории метеора можно сравнить с изучением движения астероида. В последнем случае всегда требуется множество наблюдений, причем для получения качественных оценок между сеансами должно проходить заметное время. С этим, в частности, связаны неточности определения орбит даже околоземных тел.

Понятно, что в случае быстрых событий, таких как сгорание в атмосфере, малых ошибок добиться практически невозможно. Если вернуться к последнему сообщению, то угловые координаты небесного тела также были определены с заметной неточностью. Прямое восхождение направления на небе, откуда оно прилетело изначально, составляет 51,1 градуса с ошибками от ?40,5 до +14,6, а склонение — +10,4 градуса с ошибками от ?11,8 до +2,2. Эти значения были получены методом численного интегрирования динамических уравнений движения назад во времени.

Книга чудес. Немецкий манускрипт 16 в. / dayfaber.com

Нарушители

Статус первого в истории межзвездного тела получил открытый в 2017 году объект Оумуамуа. Кроме того, за последние десятилетия было открыто несколько сотен тел с эксцентриситетом больше единицы, в основном комет. Однако для большинства из них параметр отличается от единицы в пределах ошибок в четвертом знаке, что можно «списать» на ошибку измерений, либо на воздействие какой-то планеты, например, Юпитера. Поэтому их считают «местными».

Однако впервые астрономы всерьез заговорили о телах, прибывших извне Солнечной системы, еще в самом начале ХХ века.

Австрийский астроном Густав фон Ниссль (Gustav von Niessl), занимавшийся наблюдениями болидов (к ним относят метеоры, яркость которых превосходит яркость Венеры), пришел к выводу, что скорость большинства из них превышает гиперболическую. «В основном они имеют несомненно межзвездное происхождение», — писал Ниссль в 1907 году.

В начале ХХ века существовало мнение, что яркие болиды и «обычные» метеоры, принадлежащие к какому-либо метеорному потоку, могут иметь принципиально разную природу, и Ниссль предложил этому отличное объяснение.

«Относительно менее яркие метеоры следуют вдоль орбит хорошо известных комет и имеют ту же периодичность. Следовательно, мы склонны считать яркие метеоры межзвездными (объектами), но тусклые падающие звезды — межпланетными», — указывал он.

В каталоге, выпущенном в 1925 году, уже после смерти Ниссля, его учеником Куно Хоффмайстером (Cuno Hoffmeister), содержались данные о более чем 600 болидах. И 79 процентов из них, если верить каталогу, прилетели из межзвездного пространства.

Уже тогда эти данные подвергались критике: в 1928 году астроном Уиллард Фишер (Willard Fisher) указывал, что общее количество метеоров и количество «межзвездных» болидов колебалось с одинаковой периодичностью, связанной с движением вокруг Солнца, — и эту периодичность нельзя объяснить иначе, чем внутренним происхождением болидов.

Тем не менее, Хоффмайстер и его коллеги продолжали отстаивать теорию галактических болидов — они считали, что межзвездное пространство, сквозь которое двигается Солнечная система, заполнено мириадами высокоскоростных метеороидов, которые регулярно вспыхивают и сгорают в атмосфере Земли.

Однако постепенно накапливались данные других измерений, об ошибках измерений, и под давлением новой информации Хоффмайстер отказался от «межзвездной теории» в 1948 году, за 20 лет до смерти.

Ошибкам было откуда взяться: до середины XX века и широкого распространения радарных измерений скорость полета метеоров можно было измерить только приблизительно, что подробно описывает в монографии «Метеорная астрономия» известный британский исследователь Бернард Ловелл.

Во многих случаях оценки скоростей базировались просто на показаниях свидетелей полета болида. Только появление уже в XX веке достаточно эффективных фотографических техник, способных обеспечить достаточно короткую экспозицию для получения нескольких кадров одного метеора, позволило впервые провести инструментальные измерения. Самый первый такой прибор, созданный в 1899 году Уильямом Элкином из Йельской обсерватории, представлял собой просто велосипедное колесо с несколькими шторками: колесо вращалось, а шторка с определенной периодичностью закрывала объектив камеры. Если на небе вспыхивал метеор, его след на снимке получался прерывистым. Зная скорость вращения колеса, можно было определить скорость.

Эстонский астроном Эрнст Эпик (Ernst ?pik) разработал более сложную (и более точную) технологию, получившую название «метод колеблющихся зеркал». В его приборе небольшое зеркало колебалось сразу по двум осям таким образом, что отражения звезды от него описывало круг. Если в поле зрения прибора попадал движущийся объект, то его отражение описывало ряд петель, причем чем реже петли, тем быстрее объект.

След медленного (A) и быстрого (B) метеоров на снимке с прибора Эпика / A. C. B. Lovell

Однако и этот способ не позволял получать результаты с высокой точностью. Сам Эпик по итогам наблюдений пришел к выводу, что около 60 процентов спорадических метеоров (не принадлежащих к метеорным потокам) имеют скорости выше параболической, за что его подвергали критике другие астрономы, не обнаружившие существенной разницы в скоростях между «поточными» и спорадическими метеорами.

Во второй половине столетия астрономы пришли к выводу, что доля тел на гиперболических орбитах весьма мала как минимум для объектов размером больше миллиметра, которые производят видимую глазом вспышку при сгорании в атмосфере.

Книга чудес. Немецкий манускрипт 16 в. / dayfaber.com

Новое пришествие неуловимых

К теме вернулись с появлением новых методов и технологий в конце века. Такие инструменты, как Advanced Meteor Orbit Radar Facility (AMOR), а также специальные наблюдательные программы на радиотелескопе «Аресибо», позволили обнаружить ряд указаний на существование межзвездных пылинок небольшого размера.

Для некоторых даже называлась возможная система происхождения — звезда Бета Живописца.

Наблюдения в радиодиапазоне требовали принципиально иных методов. Так, AMOR использовал рассеяние радиоволн на ионизационном следе, остающемся от разрушающегося в атмосфере тела. Это позволило сделать вывод, что около трех процентов событий из сотен тысяч зафиксированных были порождены частицами с гиперболическими орбитами.

«Аресибо» напрямую измерял эффект Доплера в излучении электронов, двигающихся вместе с метеором. Этим методом удалось выделить более сотни частиц с гиперболическими орбитами из выборки в несколько тысяч. Тем не менее, эти данные и их интерпретации также подвергались критике другими учеными, так как ошибки по-прежнему были велики, а в рамках некоторых других экспериментов указаний на внесолнечные пылинки найдено не было.

Само по себе наличие в Солнечной системе межзвездных пылинок твердо установлено. Эти объекты регистрировались несколькими космическими аппаратами. В частности, «Улисс» обнаружил в окрестностях Юпитера частицы микрометрового размера, двигавшиеся с высокой скоростью (более 26 километров в секунду), причем в направлении, противоположном движению планет.

Позже семь межзвездных частиц «поймал» в свою ловушку аппарат Stardust.

Из данных «Улисса» следовало, что существует популяция небольших пылинок с большими скоростями, которые движутся в противоположную всем другим объектам Солнечной системы сторону. Это направление совпадает с движением гелия в межзвездной среде.

Книга чудес. Немецкий манускрипт 16 в. / dayfaber.com

На межгалактической скорости

Почти 13 лет назад, 28 июля 2006 года, астрономы проводили спектральные наблюдения слабых галактик на шестиметровом телескопе БТА — самом большом российском телескопе, установленном в Специальной астрофизической обсерватории (САО) в окрестностях станицы Зеленчукская на Северном Кавказе.

В поле зрения щелевого спектрографа SCORPIO попал слабый спорадический метеор, и ученые смогли определить химический состав и размер объекта: были зафиксированы линии магния и железа, а также линии кислорода и азота, характерные для сильно нагретого воздуха с температурой около 15-20 тысяч градусов Цельсия. Размер метеороида оказался около миллиметра, что близко к размеру хондр — округлых образований в метеоритах класса хондритов.

Но спектральные измерения позволили измерить еще и скорость объекта, и она оказалось фантастически большой — около 300 километров в секунду.

«Самым удивительным обстоятельством является хорошо видимое на спектрах искривление линий, что свидетельствует об изменении лучевой скорости вдоль щели (спектрографа). Первые оценки, сделанные по исходным спектрам прямо на телескопе, давали изменение лучевой скорости больше 250 километров в секунду, что совершенно необычно для метеоров», — писали авторы исследования, Виктор Афанасьев и Игорь Караченцев из САО, а также Валентин Калениченко из Киевского национального университета.

Дальнейший анализ показал, что метеороид двигался со стороны апекса Галактики — то есть точки, куда двигается наша звездная система, а более точная оценка скорости дала значение 282±53 километра в секунду. «Вероятно, эта метеорная частица имеет внегалактическое происхождение», — сделали вывод ученые.

Статья с этими результатами была опубликована в «Астрофизическом бюллетене», «домашнем» журнале САО РАН, и набрала с момента выхода 12 цитирований — в основном в российском журнале.

Нам не удалось найти больше ни одного упоминания о подобных событиях — обнаружении межгалактического метеора.

Заведующий отделом физики и эволюции звезд Института астрономии РАН Дмитрий Вибе в беседе с N + 1 сказал, что существуют данные о присутствии пыли и в межгалактическом пространстве, поэтому такая пылинка могла попасть в атмосферу Земли и сгореть прямо на глазах у телескопа БТА.

На существование пыли, по его словам, указывает межгалактическое покраснение — зависящее от длины волны поглощение, причем есть данные, что это происходит не внутри Галактики. Кроме того, проводились прямые наблюдения пыли на очень больших галактических высотах над плоскостью диска — настолько далеко, что стоит уже говорить о межгалактических расстояниях.

«Это значит, что существуют процессы, поставляющие пыль в эти области, так как самостоятельно она там появиться не может из-за отсутствия звездообразования в межгалактическом пространстве. В то же время другие наблюдения показывают, что межгалактическое вещество падает обратно на галактики. То есть вещество может как вылетать из галактики, так и падать на нее потом», — объясняет ученый.

«Нельзя сказать, что межгалактическое происхождение пыли было чем-то шокирующим, но может ли пыль ускориться до сотен километров в секунду внутри галактики — вопрос сложный, — подытоживает Вибе. — У самой пыли нет способа приобрести такую высокую скорость, должен быть какой-то ускоряющий механизм, связанный с воздействием газа. Такие скорости в газе встречаются — это ударные волны сверхновых. Однако в процессе такого разгона пылинка должна будет эффективно разрушаться из-за высоких температур, поэтому сложно представить достижение скоростей в 300 километров в секунду».

Сейчас ученые пытаются определить, какая доля гиперскоростных метеоров может быть действительно пришельцами из других областей Галактики, а какая приходится на местные объекты, разогнанные за счет гравитации планет или других локальных механизмов. Например, канадский астроном Пол Вигерт (Paul Wiegert) подсчитал, что около 10 процентов сверхскоростных метеоров могли разогнаться до гиперболической скорости за счет гравитации Меркурия. Впрочем, доля «ложных» пришельцев относительно высока только среди метеоров, скорость которых лишь немного превышает параболическую. Он отмечает, что измерение скорости метеоров должно сопровождаться определением их траектории до входа в атмосферу — и эти данные позволят точно выяснить, местный это объект или гость.

Авторы недавней статьи про межзвездный метеор приводят собственные оценки: по их данным, темп соударения тел сравнимого размера (около полуметра) должен составлять около одного события раз в десять лет. Тем не менее, ошибки этой величины существенно превышают текущее значение, а многие другие астрономы не согласятся с такими выводами.

24 апреля 2019

Тимур Кешелава, Сергей Кузнецов

Источник: m.vk.com