Космонавтика и астрономия во многом интересны как полигон и предметная область для постановки принципиально новых задач и изобретения новых технологий с нуля или почти с нуля. В обозримом будущем я планирую написать статью о том, как в самом конце Средневековья сложились уникальные условия для изучения сверхновых, позволившие вывести астрономию на принципиально новый уровень, но сегодня затрону другую тему, а именно возобновление интереса к первым межзвездным объектам, замеченным в Солнечной системе. Наиболее известным из них является Оумуамуа (он же C/2017 U1 (PANSTARRS)).
Оумуамуа – это компактный продолговатый объект, обнаруженный 9 октября 2017 года. Его открыл канадский астроном Роберт Уэрик (род. 1981), когда Оумуамуа находился на высокой гиперболической орбите на расстоянии около 0,2 астрономической единицы (около 30 млн километров) от Земли. Уэрик заметил странное небесное тело, анализируя данные, собранные системой телескопов Pan-STARRS (развернута на Гавайях). В дальнейшем этот объект изучали под руководством Дэвида Триллинга из Университета Северной Аризоны по данным, собранным при помощи инфракрасного телескопа «Спитцер». Первоначально Оумуамуа приняли за комету, но не обнаружили у него даже следов «хвоста» (комы). Поэтому Оумуамуа был переклассифицирован из комет в астероиды.
Изначально предполагалось, что отражательная способность объекта невелика (0,06-0,08) – но, когда объект прошел точку перигелия, его альбедо возросло до 0,1. При этом в перигелии скорость была максимальной: почти 88 км/c, а на момент обнаружения снизилась до 49,6 км/c.
Вскоре после открытия возникли первые гипотезы об искусственном происхождении этого объекта. Именно потому, что по мере удаления от Солнца Оумуамуа явственно замедляется, возникли идеи о том, как можно было бы догнать Оумуамуа, а также гипотезы о том, что мы, возможно, впервые обнаружили инопланетный звездолет. Наметился первый ключ к разгадке. Ниже мы рассмотрим реалистичные и относительно фантастичные объяснения природы Оумуамуа, а также потенциальные возможности его перехвата. Отправной точкой для подобного проекта мог бы стать удачный опыт посадки зонда на комету Чурюмова-Герасименко (проект Rosetta), а также потенциал таких разработок для развития технологии солнечного паруса. Возможно, сам Оумуамуа – это и есть солнечный парус, естественного или искусственного происхождения.
Форма, вероятный состав и ускорение
Оумуамуа был открыт через три дня после того, как прошел максимально близко от Земли (0,16 а.е), но практически через месяц после того, как прошел ближе всего к Солнцу (перигелий пройден 9 сентября 2017 года, когда объект находился в 0,25 а.е. от Солнца). К 22 октября было собрано достаточно астронометрических данных, чтобы уверенно заключить, что его орбита является гиперболической. Поскольку Оумуамуа двигался очень быстро, наблюдать его можно было лишь в течение краткого периода. За неделю яркость объекта упала в 10 раз, а за месяц – в 100 раз. Средняя яркость, измеренная в видимом спектре в течение недели после открытия объекта, составила 22,4 и в этот период впервые был установлен вероятный радиус Оумуамуа – около 100 м (вероятный диапазон – от 49 до 220 метров, в зависимости от того, каков может быть состав объекта и, соответственно, его отражательная способность). При этом инфракрасный телескоп «Спитцер», направленный на Оумуамуа 21-22 ноября, этого объекта не зафиксировал.
Таким образом, на первом этапе наблюдений Оумуамуа казался сигароподобным темным объектом, покрытым темными веществами: либо черной органикой, либо окислами железа. Именно поэтому Оумуамуа признали астероидом, а не кометой: спектральный анализ не выявил вокруг него следов водяного пара или углекислого/угарного газа, тогда как именно они были бы самыми характерными маркерами тающего льда, водяного или сухого.
Тем не менее, уже во время наблюдений скорость объекта неожиданно возросла, он изменил траекторию и направился прочь от Солнца. Астрономы предложили две вероятные причины такого явления. Во-первых, это дегазация, характерная именно для комет: при приближении к Солнцу темный налет на Оумуамуа сгорел или растаял, обнажив слой или вкрапления льда, и из-за таяния этого льда объект приобрел подобие «реактивной тяги». Вторая версия заключалась в том, что электромагнитные свойства Оумуамуа позволили ему ускориться, как если бы он был «солнечным парусом»: объект поймал солнечный ветер, которым его и стало сдувать в сторону от Солнца. Поскольку солнечный ветер равномерен, и звезда не нагнетает его в сторону такого «паруса», этот эффект постепенно должен сойти на нет, и объект вновь должен немного замедлиться.
Обе эти версии зиждились на множестве допущений, сводившихся к следующему: Оумуамуа является экзотическим объектом с ледяной основой, который пришел в солнечную систему со стороны созвездия Лиры. Предполагалось, что при приближении к Солнцу объект существенно подтаял; соответственно, его правильная форма позволяет предположить, что до входа в солнечную систему он не попадал в другие звездные системы, а двигался в глубоком космосе. Также выдвигались предположения о том, что Оумуамуа может быть похож не только на сигару, но и на тонкий лист. В октябре 2021 года на Хабре вышла подробная и богато иллюстрированная статья @akurilov«Оумуамуа – решение парадокса Ферми» о негравитационной траектории и прочих динамических аномалиях Оумуамуа, с которой я весьма рекомендую ознакомиться. Здесь я оставлю картинку, демонстрирующую, как именно может выглядеть «реактивное» движение Оумуамуа под действием дегазации:
Варианты естественного происхождения
Поскольку Оумуамуа практически уникален, а также прибыл из глубокого космоса и, вероятно, образовался очень давно — его происхождение пытаются связать с редкими и экзотическими событиями, теоретически возможными в других звездных системах. Выше представлены некоторые из таких событий:
Это может быть осколок каменных пород с остатками «налипшей» на него и впоследствии застывшей атмосферы. Такой объект мог бы остаться от сгорающей планеты, когда ее родительская звезда превращалась из (желтого карлика) в красный гигант.
Другой вариант подобного сценария – осколок мог образоваться при разрушении небесного тела под действием приливного захвата. В приливный захват мог попасть небольшой астероид, слишком приблизившийся к планете-гиганту и рассыпавшийся на облако каменных фрагментов. В этом отношении Оумуамуа можно сравнить с Мирандой, одним из спутников Урана. Миранда имеет отчетливо неровную форму – то есть, рельеф ее настолько пересеченный, что форма этого небесного тела лишь условно является шарообразной:
Ранее Миранда могла иметь еще более неправильную и вытянутую форму, поскольку под гравитационным воздействием Урана постоянно «перекомпоновывалась» — но в итоге ее собственной гравитации хватило, чтобы сохраниться в целости и принять форму, близкую к шарообразной. В иной ситуации от такого спутника мог бы отколоться фрагмент, выброшенный за пределы звездной системы в результате эффекта гравитационной пращи.
Также Оумуамуа мог возникнуть в результате постепенной эрозии льдистого тела в межзвездном пространстве. В таком случае мы зафиксировали, фактически «обмылок» заледеневших газов, принявший продолговатую форму под действием многократных волн солнечного (звездного) ветра и постепенно истаявший так, как показано в этой презентации института ИПА РАН:
Также Оумуамуа может быть блуждающей планетезималью (протопланетой) – конгломератом льда из камней. Как я уже упоминал в статье о некропланетологии, планетезимали бывают первичными и вторичными. Первичные планетезимали образуют протопланетный диск вокруг молодой звезды, из таких фрагментов формируются каменные планеты и каменные ядра планет-гигантов. В протопланетном диске есть своя снеговая линия: разгорающаяся звезда прогревает диск не полностью, поэтому часть планетезималей постоянно находится в заледеневшем состоянии. Возможно, именно одной из таких планетезималей и был Оумуамуа, в свое время покинувший родную систему и отправившийся в межзвездное путешествие.
Вы не ждали такого поворота, синьор Ферми?
Уже в конце 2017 года американо-израильский физик Ави Лёб предположил, что Оумуамуа имеет искусственное происхождение, и по форме похож не на сигару, а на тонкий лист. В 2018 году Лёб в соавторстве со своим аспирантом Шмулем Бялым написал статью, в которой попытался объяснить негравитационное ускорение Оумуамуа принципом «солнечного паруса». Эта технология еще недавно была научной фантастикой, но в 2010-е годы уже реализована в рамках проектов Icarus и Starshot. Речь идет о двух моделях схожей конструкции. Еще в 2016 году Юрий Мильнер, учредитель премии «Прорыв» (в отличие от Нобелевки, эта премия может вручаться не только отдельным ученым, но даже целым институтам), проспонсировал проект «Breakthrough Starshot»: речь идет о разработке крошечного корабля, который мог бы представлять собой микрочип:
Будучи выведен на околоземную орбиту, такой чип может развернуть «солнечный парус»: тонкую отражающую поверхность площадью от 1 до 4 квадратных метров. С Земли на этот парус будет направлен лазерный луч, который сообщит парусу импульс и ускорение. Поскольку направление лазера можно выбрать с ювелирной точностью, такой парус позволил бы направить зонд-чип в сторону Альфы Центавра (как известно, от нас до этой звезды примерно 4,5 световых года). Лазер позволил бы разогнать зонд до 20% скорости света и, соответственно, достичь системы Альфы Центавра примерно за 20 лет.
В 2010 году японское аэрокосмическое агентство «Japanese Aerospace Exploration Agency» запустило космический зонд Ikaros, разгоняемый по принципу солнечного паруса, а в 2019 году «Планетарное общество», руководимое известным популяризатором науки и скептицизма Биллом Наем реализовало похожий проект «Lightsail 2». В отличие от проекта Мильнера, солнечные паруса «Планетарного общества» и японского аэрокосмического агентства разгоняет солнечный ветер, а не лазер; соответственно, такие солнечные парусники являются неуправляемыми и могут лишь дрейфовать в космическом пространстве, а не двигаться к точке назначения. Тем не менее, работоспособность таких моделей можно считать доказанной, что и привело Лёба к двум взаимодополняющим идеям:
1) Оумуамуа может иметь искусственное инопланетное происхождение. В таком случае логично предположить, что по форме он близок именно к тонкому листу, а не к «сигаре», и этот лист представляет собой солнечный парус.
2) При этом, вряд ли Оумуамуа сейчас является управляемым солнечным парусом – возможно, он был использован и отброшен как космический мусор, но по самой своей структуре по-прежнему сохраняет свойства неуправляемого солнечного паруса, и поэтому в нашей системе ускорился под действием солнечного ветра.
Но, если Оумуамуа в самом деле функционально подобен неуправляемому солнечному парусу, то его можно было бы догнать, послав вслед за ним земной зонд, также оснащенный управляемым солнечным парусом и действующий по «мильнеровскому» принципу. Такая инициатива получила название «Проект Лира» — поскольку предположительно именно из созвездия Лиры прибыл Оумуамуа. На Хабре есть переводная статья, описывающая этот проект, которую рекомендую прочитать в переводе или оригинале. Суть проекта в том, что можно было бы воспользоваться эффектом Оберта (гравитационным ускорением со стороны массивного небесного тела, например, Юпитера), который позволяет резко ускорить космический аппарат, в нашем случае оснащенный солнечным парусом – и при этом он будет совершать больше полезной работы, чем при тех же затратах энергии, но на меньшей скорости. Наиболее удачное окно для такого запуска открывается в 2028 году. После этого зонды с солнечными парусами, направляемые лазером с Земли, могли бы нагнать Оумуамуа к 2054 году, и точка такого рандеву будет располагаться на расстоянии от 100 до 200 астрономических единиц от Земли, в зависимости от стартовой скорости аппаратов.
В данном случае вопросов все равно больше чем ответов. Например, не вполне понятно, на каком расстоянии от движущейся цели должно начаться торможение наших солнечных (вернее, лазерных) парусников, чтобы они не пролетели мимо объекта, не разбились о него и в принципе смогли к нему прикрепиться. Также не вполне понятно, какую информацию мы бы могли собрать после контакта с объектом и при помощи какой технологии передать ее на Землю.
Заключение
Наконец, я сошлюсь еще на одну научную статью, подготовленную в 2021 году Стивеном Карреном (Stephen Curran) из Веллингтонского университета в Новой Зеландии и позволяющую оценить эволюцию представлений об Оумуамуа. Автор исходит из того, что объект (судя по его известным свойствам) – действительно солнечный парус, но при этом очень примитивный и, скорее всего, имеющий естественное происхождение, либо давно брошенный теми, кто мог его сконструировать. Отражающие характеристики Оумуамуа далеко не идеальны, при этом должны быть неравномерны в разных точках этого объекта. По земным меркам скорость Оумуамуа действительно очень велика (более 2 махов), но сам объект очень тяжелый (он может весить не менее 40 тонн), что не позволяет разогнать его до околосветовых скоростей никаким известным лазером и тем более солнечным ветром. Даже если бы местом происхождения Оумуамуа была система Альфы Центавра, на нынешней скорости он мог бы долететь оттуда до Земли за два миллиона лет. Если же наши расчеты верны, и объект пришел из созвездия Лиры, то, вероятно, он находится в пути уже минимум полмиллиарда лет, что несопоставимо больше вероятных сроков существования технологических цивилизаций как минимум по уравнению Дрейка, а то и по шкале Кардашёва. Тем не менее, сегодня уже существуют все технологические и научные предпосылки, чтобы догнать (и потенциально даже повернуть) Оумуамуа к 2054 году – через 104 года после того, как был сформулирован парадокс Ферми. Даже если экспедиция к Оумуамуа покажет, что мы гнались за глыбой азотного льда или залетной планетезималью, этот проект позволит нам разработать и опробовать целый класс технологий, связанных с управлением световым парусным флотом – и поэтому определенно заслуживает внимания.
