Поиск

Первый межзвездный объект продолжает удивлять (часть 1)


 Художественное представление первого межзвездного объекта на основе измерения его яркости с помощью крупнейших телескопов

20 ноября была опубликована сенсационная статья в наиболее авторитетном научном журнале “Nature“ (“Природа“) о том, что измерения яркости первого межзвездного объекта 1I/2017 U1 ("Oumuamua") показали периодическое изменение его яркости примерно в 10 раз. Такое изменение яркости может быть связано с его вращением вокруг своей оси, и тем самым из этого следует, что первый межзвездный объект представляет собой уникальный объект, у которого максимальная длина в 10 раз больше максимальной ширины. Такая форма является практически беспрецедентной для десятков тысяч исследованных астероидов и комет Солнечной Системы, и допускает искусственное происхождение межзвездного объекта.

С момента открытия 1I/2017 U1 прошло уже 1.5 месяца, и число научных публикаций об объекте достигло двух десятков (хотя большинство из них состоят лишь из нескольких страниц), поэтому стоит привести наиболее важные моменты этих исследований.

 Количество переименований объекта достигло трех

Первоначально25 октября первый межзвездный объект получил стандартное кометное обозначение C/2017 U1 (PANSTARRS) в связи с его гиперболической траекторией. После того, как даже наблюдения на 8-метровом телескопе VLT не смогли обнаружить кометную кому, объект сменил имя в тот же день уже на астероидное обозначение: A/2017 U1. И наконец, 6 ноября Центр Малых Планет официально назвал объект первым межзвездным объектом:  1I или 1I/2017 U1. Так как открытие объекта совершил гавайский телескоп Pan stars 1, то он получил гавайское имя ‘Oumuamua, которое означает посланник, который отправлен из далекого прошлого.

 Технические подробности открытия объекта

 Статья в Nature подробно раскрывает вопрос, может ли автоматика телескопов роботов отличить межзвездный объект от объекта Солнечной Системы. Первоначально объект был классифицирован на основе снимков гавайского телескопа от 18 и 19 октября, как околоземный астероид класса Атен (a=0.74 а.е., e=0.449, i=10˚), который движется с угловой скоростью 6.2 градусов в сутки, и в связи с этим он попал в приоритетный список потенциально опасных объектов, которые требуют подтверждения:

 Снимок телескопа PS1 в фильтре w c экспозицией в 45 секунд, на котором был впервые обнаружен объект 1I. Красные полосы в основном обозначают промежутки между отдельными ПЗС-матрицами камеры.

  Наблюдения телескопа Каталина от 20 октября показали быстрый рост ошибок в случае астероидного решения (после 24 часов в пределах 5 угловых минут, после 48 часов в пределах 34 угловых минут). В связи с этим объект был переквалифицирован в комету галлеевского типа (a=50 а.е, e=0.997,i=107˚), в результате чего ошибки уменьшились с 34 до 0.4 угловых минут. Лишь 22 октября после добавления наблюдений телескопа CFHT стало ясно, что объект движется по гиперболической траектории с e=1.188±0.016. Но только 25 октября открытие первого гиперболического объекта было объявлено официально. В связи с этим очевидно, что множество межзвездных объектов могло быть ранее пропущено, так как попытки их повторного обнаружения были неудачными по причине неправильного определения траектории (в этом случае вспоминаются тысячи “потерянных“ астероидов). Кроме того можно отметить, что первый межзвездный объект был обнаружен вблизи эклиптики, т.е. области неба наиболее тщательно отслеживаемой астероидными обзорами:

Серой пунктирной линией на схеме выше показан короткий участок траектории, на которой межзвездный объект был ниже эклиптики. Другой вариант этой схемы:

 Действительно ли объект 1I движется по гиперболической траектории:

  Как известно, эксцентриситет гиперболической траектории превышает 1. До сегодняшнего времени рекорд максимального эксцентриситета принадлежал комете C/1980_E1 (Bowell) с e=1.057, которая первоначально была околосолнечной кометой, но после близкого пролета Юпитера в 34 миллионах километров покинула Солнечную Систему. Эксцентриситеты орбит других кандидатов в гиперболические объекты не превышают 1.03:

  До настоящего времени ни для одного из известных объектов скорость приближения к Солнечной Системе не превышала третью космическую скорость:

 Через несколько часов после публикации открытия объекта возникли сомнения в том, что 1I действительно движется по гиперболической траектории. Эти сомнения заключались в том, что если из анализа удалить измерения с наибольшей погрешностью, которые сделаны с помощью 0.5-метрового телескопа в австралийской обсерватории, то эксцентриситет траектории падает до e=0.932±0.023. Однако с другой стороны в этом случае средняя разница между наблюдаемыми и прогнозируемыми измерениями возрастала во много раз и достигала нескольких угловых секунд.

 По мере роста количества измерений и длины наблюдаемой дуги сомнения в гиперболической траектории улетучивались. К настоящему времени Центр малых планет опубликовал 11 циркуляров, и эксцентриситет в них только увеличивается:

1) MPEC 2017-U181 от 25 октября: e=1.1897018 на основе 34 наблюдений от 18-24 октября (среднее расхождение 0.5”).

2) MPEC 2017-U183 от 25 октября: e=1.1897018 на основе 34 наблюдений от 18-24 октября (среднее расхождение 0.5”).

3) MPEC 2017-U185 от 26 октября: e=1.1937160 на основе 47 наблюдений от 14-25 октября (среднее расхождение 0.5”).

4) MPEC 2017-U234 от 27 октября:  e=1.1978499 на основе 68 наблюдений от 14-26 октября (среднее расхождение 0.5”).

5) MPEC 2017-U263 от 29 октября: e=1.1974441 на основе 85 наблюдений от 14-28 октября (среднее расхождение 0.5”).

6) MPEC 2017-U265 от 29 октября: e=1.1973200 на основе 94 наблюдений от 14-29 октября (среднее расхождение 0.5”).

7) MPEC 2017-V01 от 1 ноября: e=1.1976023 на основе 101 наблюдений от 14-30 октября (среднее расхождение 0.4")

8) MPEC 2017-V38 от 10 ноября: e=1.1992291 на основе 109 наблюдений от 14 октября до 10 ноября (среднее расхождение 0.4”)

9) MPEC 2017-V62 от 13 ноября: e=1.1992507 на основе 117 наблюдений от 14 октября до 10 ноября (среднее расхождение 0.4”)

10) MPEC 2017-V63 от 13 ноября: e=1.1992920 на основе 120 наблюдений от 14 октября до 12 ноября (среднее расхождение 0.4”)

11) MPEC 2017-W75 от 17 ноября: e=1.1994413 на основе 122 наблюдений от 14 октября до 17 ноября (среднее расхождение 0.4”)

  Вычисленное значение эксцентриситета траектории с погрешностью: e=1.2004958±0.000141 на основе 117 из 131 наблюдений, сделанных между 14 октябрем и 17 ноябрем при среднем расхождении в 0.363”.

 В публикации Nature сообщается, что уже на основе 118 измерений (10 из них отброшены, как слишком неточные), сделанных 14-29 октября траектория является гиперболической на статическом уровне доверия примерно в 300 сигм (e=1.1933±0.0007). К 20 ноября этот статистический уровень доверия превысил 994 сигм (e=1.19936±0.00021). Кроме того почти исключается возможный вариант разгона обычного объекта Солнечной Системы до гиперболических скоростей с помощью близкого пролета, как в случае кометы C/1980_E1 (Bowell). С точки зрения гравитационного ускорения самыми значимыми стали пролеты объекта у Земли и Юпитера (0.16 и 4.82 а.е. или 16 и 14 сфер Хилла соответственно), но их недостаточно для ускорения 1I до гиперболических скоростей. Остаётся лишь возможность близкого пролета у какой-нибудь неизвестной планеты во внешних областях Солнечной Системы (гипотеза девятой планеты), но её наличие в направлении созвездия Лира в 60 градусах от эклиптики маловероятно.

Откуда прилетел 1I?

 Первоначальный анализ показал, что точкой прилета объекта является созвездие Лира. В связи с этим стала популярной версия, согласно которой его источником может быть система молодой (около 455±13 млн. лет), близкой (26 световых лет) и массивной (2,135 ± 0,074 масс Солнца) звезды Вега. Эта очень яркая звезда (шестое место на земном небе) приближается к Солнечной Системе со скоростью 14 км в секунду. Перелет от Веги должен был бы занять около 300 тысяч лет.

 Положение объекта 1I на земном небе в 1699 году. Источник

 К настоящему времени эту версию можно считать маловероятной, так как расчеты на 10 ноября позволяют определить точку прилета с погрешностью всего в 2 угловых минут: RA=18h 39m 14s, dec=+33˚59’ 50”. Эта точка находится в 5 угловых градусах от Веги. Точка отправления найдена с ещё большей точностью (погрешность 15 угловых секунд): RA=23 51 29.5, dec=+24 44.4' (созвездие Пегаса). Погрешность текущей оценки скорости (26.33 км в секунду) объекта составляет 10 метров в секунду. С другой стороны встречаются утверждения, что погрешность координат точки прилета существенно занижена, так как отсутствуют астрометрические измерения объекта до пролета перицентра траектории (ближайшей точки к Солнцу ).

 Положение объекта 1I на земном небе 300 тысяч лет назад находится на большом удалении от Веги. Источник.

Изучение галактической скорости движения объекта показало, что она отличается более чем на 20 км в секунду для любой из звезд ближе 3.3 парсек и на 9 км в секунду по сравнению со скоростью ближайшей системы коричневых карликов – Луман-16. Значительно меньше различие со средней скоростью (22.5 км в секунду) звезд из каталога XHIP, в который включены 1481 звезд ближе 25 парсек: это различие составляет 4.5 км в секунду, а направление движения отличается лишь на 6 градусов. Ещё меньше различие для средней скорости близких красных карликов: 2 км в секунду. Из этого следует вывод, что вероятность похожей скорости среди близких звезд составляет меньше 1 к 500. Различие с локальным стандартом покоя (LSR или Local Standard of Rest) составляет 11 км в секунду:

 В другом исследовании были проанализированы собственные скорости звезд каталога ТихоГайя. В результате было найдено, что минимальное различие в скоростях (меньше 3 км в секунду) наблюдается у звезд HR 4834, HD 86427, HD 137957 и HD 140241. Три из этих звезды входят в состав молодой (10-15 млн. лет) ассоциации Скорпион-Центавр. Ещё меньшее различие (меньше 2 км в секунду) наблюдается со звездами ассоциаций Киля или Колумба, которые являются частью ассоциации Тукана-Часы (примерный возраст 45 млн. лет, расстояние 50-85 парсек). При скорости вылета в 1-2 км в секунду объект 1I мог быть выброшен из протопланетного диска системы ассоциации Киля или Колумба около 40 млн. лет назад.

 Ещё одни исследователи также проанализировали собственные движения 3801 звезд, которые находятся ближе 30 парсек (отобраны из 270 664 звезд каталога ТихоГайя с опубликованными лучевыми скоростями). В итоге было найдено, что 1.3 млн. лет объект прошел на расстоянии в 0.16 парсек у близкой звезды TYC4742-1027-1. Этот пролет является самым близким за последние 3 млн. лет:

  Другая работа анализирует 201 763 звезд с известными параллаксами и лучевыми скоростями меньше 500 км в секунду. В анализе используется астрометрия 1I на 12 ноября. В дальнейшем в анализе используются 7139 звезд, которые когда-либо приближались к Солнцу ближе 30 парсек. В итоге было определено, что минимальный пролет мог произойти 120 тысяч лет назад у звезды HIP 3757, но с очень высокой скоростью в 185 км в секунду. Около 820 тысяч лет назад 1I прошел примерно в 2.2 парсек от известной планетной системы Глизе 876 со скоростью в 5 км в секунду. Наиболее вероятным кандидатом называется поздний красный карлик UCAC4 535-065571, у которого 1I пролетел 2 млн. лет назад примерно в одном парсеке со скоростью в 5 км в секунду.

  Ещё одна работа анализирует траектории 230 тысяч звезд, которые содержатся в астрометрических каталогах Тихо и Гайя с одной стороны, и каталогами лучевых скоростей RAVE и LAMOST с другой стороны. В итоге авторы находятся 109 пролетов ближе 5 парсек:

  Из этих 109 пролетов у трех (HIP 104539, HIP 17288 и HIP 103749) расстояние ближе 2 парсек и разница в скоростях меньше 20 км в секунду. Все три звезды являются более массивными, чем Солнце, спектральных классов F или А с возрастом от 0.2 до 4 млрд. лет. Две из трех систем являются двойными. Кроме того авторы подтверждают медленный пролет Глизе 876 в 2.4 парсек. Так же в работе подвергается сомнению связь 1I c ассоциациями в Киле и Колумбе, считая, что объект вероятнее всего выброшен из более близких молодых групп.

  Другая работа так же анализирует 244589 звезд с доступной астрометрией и лучевыми скоростями:

 Наиболее вероятным кандидатом в этой работе называется звезда HD 200325 (HIP 103749), которая, скорее всего, является двойной или тройной системой. Эта система не включена в первый релиз данных телескопа Гайя (DR1), поэтому её собственное движение известно с большой погрешностью: 0.90±0.60 mas в год. В результате этого минимальная дистанция пролета 1I около 4 млн. лет назад заключена в широком диапазоне от 0.1 до 6 парсек.

 Можно отметить, что в таблице выше нет системы Глизе 876, которая упоминается в других работах.

 Одновременно отмечается близость точки прилета объекта к положению апекса Солнечной Системы (направление движения нашей планетной системы относительно близких звезд со скоростью 19.4 км в секунду):

Источник.

 Угловое расстояние между точкой прилета и солнечным апексом составляет порядка 6 угловых градусов. В связи с этим возраст объекта, может быть, сравним со средним возрастом тонкого диска галактики (7.5 миллиардов лет).

 Вероятно, только к весне 2018 года удастся более точно определить кандидата в возможную “домашнюю“ систему объекта. К этому времени будет опубликована окончательная астрометрия 1I, а также появится второй релиз астрометрических данных спутника Gaia (DR2). Пока же, как можно видеть выше, наиболее вероятными кандидатами являются неодиночные массивные звезды, которые находятся в радиусе нескольких десятков парсек. Расчеты показывают, что пролет Солнечной Системы, скорее всего, стал единственным близким пролетом 1I на межзвездной траектории. Вычисления говорят, что в среднем, межзвездный объект приближается к какой либо звездной системе ближе 10 а.е. лишь один раз на длину пути в миллиард световых лет или один раз в 10 трлн. лет.

Комета или астероид?

 В статье Nature говорится, что современные модели планетообразования считают, что число ледяных тел больше числа каменных тел в 200-10000 раз. В связи с этим крайне странным оказался факт отсутствия любой кометной активности у 1I. Как уже ранее говорилось, вначале объекту было присвоено кометное обозначение. Первые снимки 1I были сделаны в плохих погодных условиях, поэтому по ним было сложно определить наличие кометной комы. Лишь 22 октября гавайский телескоп CHFT смог получить четкий снимок объекта с 180-секундной экспозицией в фильтре w в хороших условиях (синг 0.5”):

 Как видно на снимке удалось исключить любую кометную активность. В это время объект находился в 1.22 а.е. от Солнца, после прохождения перицентра траектории 9 сентября в 0.25 а.е.  прошло 43 суток.

 Ещё более четкие пределы на кометную кому были получены 25-26 октября, когда объект сфотографировал 8-метровый телескоп VLT, и 26-27 октября, когда 1I сфотографировал 8-метровый телескоп Gemini South. Комбинированный снимок этих двух телескопов c общим времени экспозиции в 0.5 часов:

 Из этого снимка были получены верхние пределы на яркость комы до 29.8±0.05 звездной величины на одну квадратную угловую секунду в фильтре g, что переписывается в скорость газообразования меньше 1.7 грамм в секунду, что на 7-8 порядков меньше чем у типичной долгопериодической кометы с большим количеством водного льда вблизи поверхности. После этих наблюдений обозначение объекта было изменено с кометного на астероидное.

 Дополнительные пределы на кометную активность были получены из анализа снимков солнечных обсерваторий SOHO/LASCO и STEREO/HI-1. Эти снимки с чувствительностью около 14 звездных величин показали отсутствие объекта вблизи Солнца. Для сравнения 10 сентября в перицентре траектории видимая яркость 1I составляла около 21 звездной величины:

 Более тщательный анализ снимков STEREO HI-1A от 9 сентября, когда 1I прошел в 0.25 а.е. от Солнца показал отсутствие объекта до 13.5 звездной величины. Оценки говорят, что в перицентре траектории температура объекта могла составлять 550 Кельвинов (при альбедо в 5%). Величина солнечной постоянной в точке максимального приближения к Солнцу достигла на поверхности 1I 20 килоВатт на квадратный метр.

 После неудачной попытки обнаружить кометную активность начались попытки получить спектр объекта и определить его цвет. Ни в одном из полученных спектрах не удалось определить какие-либо детали, лишь измеренный наклон спектров позволил более-менее определить на какие объекты Солнечной Системы больше похож 1I.

 25 октября 5-метровый телескоп Паломарской обсерватории получил первый спектр 1I с помощью спектрографа DBSP:

 Полученный спектр отличается очень низким SNR, так как 3-часовые наблюдения были проведены в плохих погодных условиях (синг 2-3 угловых секунд). В итоге только треть полученных спектров (десять пятиминутных экспозиций) оказалась пригодной для анализа. Первый спектр не показывает никаких деталей, кроме систематического наклона влево примерно на 30% на каждые 100 нанометров спектра. Этот наклон говорит о том, что 1I значительно краснее солнечного спектра и сравним по цвету с наиболее красными объектами пояса Койпера.

 Также 25 октября был получен ещё один спектр 1I – на 4.2-метровом телескопе имени Уильяма Гершеля (WHT на Канарских островах):

 Второй спектр подтверждает красный цвет объекта, который похож на цвет популяции объектов пояса Койпера.

 Так как 25 октября плохая погода серьезно помешала спектроскопии на 5-метровом телескопе Паломарской обсерватории, то 26 октября была произведена новая попытка спектроскопии на этом телескопе. В ходе этих наблюдений было получено два 90-секундных снимка с помощью камеры LFC (Large Format Camera) в фильтрах r' и g' с целью поиска кометной активности, а так же 40-минутный спектр с помощью спектрографа DBSP (Double Spectrograph) с R=1800:

 Измеренный наклон спектра составил 10%±6% на каждые 100 нанометров спектра. Этот наклон близок к наклону спектров активных и неактивных комет, троянцев и неактивных Кентаров, но менее красный чем средний наклон для спектров активных Кентавров и ТНО (23%±2% на каждые 100 нанометров спектра).

 29 октября объект 1I наблюдал в течение 4 часов 3.5-метровый телескоп обсерватории APO (Apache Point Observatory) с помощью камеры ARCTIC. Основной целью этих наблюдений было определение периода вращения объекта, но так как фотометрия была получена в трех фильтрах (g, r, i), то это позволило оценить его цветовые характеристики.

  Как видно из схемы выше характеристики цвета 1I больше похожи на астероиды типов С и D, троянцы и кометы.

  Вскоре были опубликованы более точные характеристики цвета объекта, которые были получены 25-30 октября с помощью телескопов NOT и WIYN:

 Из схемы выше цвет объекта больше похож на троянцы типа D и очень сильно отличается от объектов пояса Койпера. В ходе этих же наблюдений был получен предел пылеобразования в 0.2 грамм в секунду. Похожие наблюдения цвета объекта были проведены 29 октября с помощью телескопов WHT и Gemini North:

 В результате авторы исследования делают вывод, что цвет 1I похож на 15% ТНО (большая часть из них динамические активные объекты) и менее красные троянцы.

 В статье Nature отмечается, что спектр объекта ближе всего к астероидам типа D и кометам:

 С другой стороны обзор опубликованных характеристик цвета 1I показывает, что он очень похож на цвета кометных ядер:

 Авторы этого исследования объясняют отсутствие кометной активности тем, что объект был открыт только через 39 суток после прохождения перицентра, и что известны кометы с минимальным периодом активности: у кометы 107P/Wilson-Harrington период активности составлял только 35±5 суток.

 Наконец 30 ноября была опубликована новая работа, в которой были проанализированы все спектроскопические данные по 1I. В результате были найдены изменения цвета 1I со спектральным наклоном между 0% и 25% на каждые 100 нанометров спектра во время шестидневных наблюдений. В связи с этим был сделан вывод, что в целом цвет объекта является нейтральным со спектральным наклоном в 5% на каждые 100 нанометров спектра, но на нем есть красноватая область со спектральным наклоном в 25% на каждые 100 нанометров спектра. Последний факт делает 1I похожим на динамически активную часть популяции объектов пояса Койпера.

  Кроме того известно, что спектр объекта получил и спектрограф XSHOOTER 8-метрового телескопа VLT, разработанный для спектроскопии оптического послесвечения гамма-всплесков:

za-neptunie.livejournal.com

Добавить комментарий