2021-2030. Наша Сонячна система в крижаному мішку комет

У найхолодніших, найтемніших закутках нашої Сонячної системи – регіону, який має відвідати космічний корабель, збудований людством, – є дивна, холодна хмара, створена здебільшого з речовин інших зірок. Це найменш вивчений об'єкт, відомий як Планета Дев’ять (Planet Nine, або Р9), що може бути чорною дірою. А може – і не бути.

Ця геть далека крижана оболонка, величезна бульбашка невідомої нам речовини, що оточує нашу Сонячну систему, лише додає глибшого сенсу спостереженню американського астронома і космолога Едвіна Хаббла (Edwin Powell Hubble; 1889-1953):

- Тільки-но збільшується відстань, людські знання швидко вгасають. Зрештою, ми сягаємо тьмяної межі – технічних можливостей наших телескопів. Відтоді ми вимірюємо виключно тіні.

Але людська жага до знань невгамовна… Протягом чотирьох тижнів 2020 р. – із 11 червня по 9 липня, якщо ви дивилися ясної ночі, існувала можливість помітити – навіть неозброєним оком, у Північній півкулі – рідкісного відвідувача нашого сегменту Сонячної системи. У фокусі більш-менш пристойного телескопа він мав форму класичної комети – яскраве ядро ​​і довгий-довгий іонний хвіст, утворений кригою, що перетворювалася на газ під впливом пекучого Сонця.

Потім небесний гість несподівано зник у сяйві Сонця. Ніхто, кому випала можливість бачити ту комету із привабливою назвою C/2002 F3 (NEOWISE) – ніколи не побачить її більше. Навіть їхні діти, онуки, правнуки й т.д. Бо на цю конкретну комету слід чекати не раніше, аніж через 6800 років. Невже людство знову проґавило шанс?

Запитань роїться купа… Спробуємо, бодай частково, розібратися…

Чому NEOWISE? Перепрошую, але “неорозумник” і справді ні до чого, бо комета C/2020 F3 була відкрита 27 березня 2020 р. завдяки відповідному інструментарію – космічному телескопу WISE (Wide-Field Infrared Survey Explorer; Ширококутний інфрачервоний оглядовий дослідник), запущеному НАСА на навколоземну орбіту 14 грудня 2009 р. – ось звідки дивне по-батькові. Власне, із кометами усе ясно лише канадському астроному-аматору Девіду Леві (David H.Levy; 1948), котрий, чи то жартома чи то серйозно, кинув:

- Комети схожі на котів – у них є хвости, і вони гуляють самі по собі.

Коротка візитівка C/2002 F3 (NEOWISE) – тут.

*   *   *

Торік чотири літні тижні стали дуже важливими для людства, яке хоче зрозуміти світобудову Всесвіту. Тому провідні астрономи продивилися всі очі… Ви не розумієте, нащо їм це здалося?

- Ну, комета, – скаже людина, далека від космогонії. – Так їх літньої ночі купу можна побачити.

А чому, до речі, вони літають? Ви замислювалися? Через гравітаційні збурення іншими зірками, що обертаються навколо галактики Чумацький Шлях, комети іноді вириваються назовні й мчать до нашого Сонця.

Звідки вириваються? У Сонячній системі у комет є дві окремі області походження. Короткоперіодичні комети (ті, що з періодами обертання до 200 років), відповідно до загальноприйнятої теорії, походять з поясу Еджворта-Койпера, або розсіяного диска, двох пов’язаних плоских дисків крижаної речовини, що починаються в районі орбіти Плутона близько 38 астрономічних одиниць (а.о. = 149 597 871 км. – О.Р.) і сягають до 100 а.о. від Сонця. У свою чергу, другі, що вважаються довгоперіодичними кометами, на кшталт комети Хейла-Боппа, із періодами від 200 до тисяч років, – народжуються у Хмарі Оорта.

*   *   *

Уперше ідею існування такого сферичного зоряного утворення висунув у 1932 р. естонський астроном Ернст Епік (Ernst Julius Öpik; 1893-1985), котрий працював у… Гарварді. У 1950 р. аналогічну гіпотезу, незалежно від колеги, сформулював нідерландський астрофізик Ян Оорт (Jan Hendrik Oort; 1900-1992), у такий спосіб вирішивши парадокс недовговічності комет і нестабільності їхніх орбіт.

Так ось. Вчені вважають, що C/2002 F3 (NEOWISE) походить із однієї з найменш досліджених і найзагадковіших частин нашої Сонячної системи – величезної замерзлої Хмари Оорта. Вона знаходиться у найвіддаленіших територіях Сонячної системи – за межами поясу астероїдів і газових гігантів, далі, ніж крижані світи Урана і Нептуна, навіть далеко за межами орбіти Плутона. Вона навіть витає за зовнішнім краєм геліосфери, та нагадує бульбашку плазми, викинутої нашим Сонцем, яка вгортає Сонячну систему та демаркує початок міжзоряного простору.

Подібно до гігантської оболонки, Хмара Оорта сповиває, кутає нашу Сонячну систему – не просто вздовж площини, де лежать планети, астероїди та карликові планети, а й в усіх напрямках. Єдина проблема полягає в тому, що ми і досі не впевнені, що цей величезний крижаний купол насправді існує. Це – робоча гіпотеза.

*   *   *

Всесвіт – справа тонка, Петрухо… Справа в тім, що ні астрономи, ні астрофізики в очі не бачили Хмари Оорта. Найближчий із космічних кораблів, коли-небудь запущених людством – “Voyager 1” – може потрапити туди щонайшвидше за 300 років. Утім, нові наукові дослідження та космічні місії поволі, але розкривають деякі таємниці, а візити довгоперіодичних комет, таких як C/2002 F3 (Neowise), стають для фахівців несподіваними підказками.

На відміну від короткоперіодичних комет, яким зазвичай потрібно менше 200 років, щоби вийти з крижаного диска за межами Нептуна та крутнутися навколо Сонця, – пояснити походження довгоперіодичних комет було важко. Бо таким потрібно від 200 до 1000 років, щоб здійснити один оберт. А ще вони мають ексцентричні орбіти, наближаючись близько до Сонця, а потім знову геть зникаючи.

70 років тому Ян Оорт висунув теорію, мовляв, такі хвостаті гості можуть виходити зі сфери віддалених космічних об’єктів, утворених далеко за межами нашої Сонячної системи переважно із криги та мінералів. Вважається, що ця величезна оболонка, Хмара Оорта має певні кордони – від 306 млрд км до 756 млрд км від Сонця.

*   *   *

Непросто уявити цю відстань; вона у 2000-5000 разів більша відстані від Землі до Сонця (150 млн км). За деякими підрахунками, Хмара Оорта простягається в космосі до 100 000 - 200 000 а.о. (15-29 трлн км). Не знаю, як у вас, подібні числа в голові у мене не вкладаються.

Бельгійський доктор астрономії Сіріель Опітом (Cyrielle Opitom), яка вивчає комети в Единбурзькому університеті (University of Edinburgh), зізналася:

- Поки ми не маємо жодного задовільного пояснення щодо самого походження та циклічності довготривалих комет, які науково спостерігаються. Якщо намалювати їхні орбіти, виявляється, вони мають афелій (найвіддаленіша від Сонця точка орбіти, – О.Р.) приблизно в 20 000 разів більший за відстань від Сонця до Землі. Це десь там, що ми називаємо Хмарою Оорта.

Якщо ви ніколи не були в сучасній обсерваторії, доктор Сіріель Опітом зробить коротеньку екскурсію до Європейської південної обсерваторії (European Southern Observatory, ESO). Знаходиться вона в чилійському містечку Ла-Сілья. За мною!

*   *   *

Як пише британська журналістка, автор книжки “Мистецтво міської астрономії” (“The Art Of Urban Astronomy”) Ебігейл Білл (Abigail Beall) у статті “Таємниці крижаної хмари, що вгортає нашу Сонячну систему” (“The mysteries of the icy cloud around our Solar System”):

- Походження Хмари Оорта – і досі загадка. За однією з гіпотез, вона складається з сотень мільярдів або навіть трильйонів планетезімалів (небесне тіло на орбіті навколо зірки, що утворюється в результаті поступового осідання на ній менших об'єктів та частинок протопланетного диску. – О.Р.) – твердих шматочків мінералів або криги, подібних до комет, які часто стають будівельним матеріалом для нових планет. Але ці об'єкти, розміром від кількох кілометрів до кількох десятків кілометрів, занадто малі, щоб їх побачити із Землі – нехай і за допомогою наших найпотужніших телескопів.

Якщо прогнози виявляться точними, Хмара Оорта може містити матеріал, сторонній для нашої Сонячної системи

Проте, підсумки одного зі свіжих наукових досліджень можуть перевернути наше уявлення про світобудову взагалі та утворення Хмари Оорта зокрема. Нідерландський астроном, професор обчислювальної астрофізики Сімон Портегьє Цварт (Simon Portegies Zwart) та його колеги з Лейденського університету (Leiden University), які склали міждисциплінарну групу, майже рік будували серію комп’ютерних моделей. Вченим хотілося дізнатися, як саме у хронологічному порядку, впродовж 100 млн років формувалася Хмара Оорта. Підкреслю: це перше системне дослідження, яке науково пов’язує кожен етап, а не розглядає їх окремо.

*   *   *

Результати свідчать: Хмара Оорта “сформувалась не у звичайний спосіб, а за якоюсь таємного змовою природи (conspiracy of nature), коли низка процесів наслідувала приклади. Як стверджує Портегьє Цварт:

- Планети, зірки та Чумацький Шлях відіграли кожен свою роль у формуванні Хмари. Таке ускладнення процесу нас вразило. Тепер зрозуміло, для створення знадобилася динамічна взаємодія та правильна хореографія усіх учасників процесу. Висновок? Хоча Хмара Оорта складна за будовою, вона, мабуть, у Всесвіті не є унікальною.

А ще Лейденське комп’ютерне моделювання наочно підтвердило кілька важливих тез. Перша: Хмара Оорта – залишок протопланетного диску газу та космічного сміття, з якого приблизно 4,6 млрд років тому й виникла наша Сонячна система. Другий: кометоподібні космічні об'єкти у Хмару Оорта прилітають щонайменше із двох місць. Перша частина походить зблизька, із самої Сонячної системи; це уламки та астероїди, викинуті гігантськими планетами. Хоча деяким із них не вдалося отримати належну швидкість, тож вони кружляють у поясі астероїдів – між Марсом і Юпітером. Другий тип кометоподібних об'єктів, стверджують лейденські астрономи, походять з інших зірок. Коли Сонце тільки народилося, в нашому зоряному кластері налічувалося близько тисячі інших зірок. Хмара Оорта, можливо, захопила різні комети, які колись належали іншим світилам.

Мене особисто вразив такий факт: передбачається, що Хмара Оорта містить у собі щонайменше 100 мільярдів кометоподібних об'єктів! Саме вони й утворюють величезну оболонку довкола нашої Сонячної системи. Не вкладається в голові? Як візуалізувати складні речі, знає французький художник-ілюстратор Рено Вігур (Renaud Vigourt).

*   *   *

Що означають висновки, зроблені міждисциплінарною групою голландських дослідників на чолі з професором Портегьє Цвартом? Йому слово:

- Навряд чи наша Сонячна система – єдина у Всесвіті, що огорнута величезною крижаною хмарою. Після того, як визначилися самі етапи формування, Хмара Оорта перетворилася на цілком природний результат еволюції Сонячної системи.

Тут треба пояснити: добрий десяток років цей нідерландський астроном вивчає зіркові кластери – своєрідні інкубатори, де народжуються чи народилися “одноясельники” нашого Сонця. А таких уже нараховано – за різними оцінками – від 10 до 60. Іншими словами, за наших часів оформлюється новий погляд на виникнення самих сонячних систем, до чого, не маючи відповідних інструментів, просто фізично не могли наблизитися попередні покоління астрономів.

Про що йдеться? Про революційний суперкомп’ютер “Маленька зелена машина 2” (“Little Green Machine-II”), збудований у 2016 р. на грант Нідерландської організації наукових досліджень (Netherlands Organisation For Scientific Research; NWO) у рамках високотехнологічної програми “Investment Grant NWO”, що фінансує (€1 млн) створення якісно нового наукового інструментарію, великих обчислювальних інфраструктур та програмного забезпечення для новаторських досліджень. Чому “зелена”? Бо той суперкомп’ютер зібрано з енергоефективних деталей, які можна придбати в… звичайних магазинах. Ясна річ, не в звичайному воєнторзі.

*   *   *

Отже, дослідження міждисциплінарної групи голландських дослідників з Лейденського університету дозволили висунути революційну версію:

- Хмара Оорта може містити хімічний склад, чужий нашій Сонячній системі, точніше, речовини, занесені з інших зірок.

Ідея, що наше Сонце могло притягнути та використати матеріали з інших місць Всесвіту, вперше пролунала десять років тому. Планетарний астроном, та новозеландський астрофізик Мішель Банністер (Michele Bannister; 1986), з Університету Кентербері (University of Canterbury) пояснює:

- У зоряному кластері, де народилося наше Сонце, його зірки-брати були щільно притиснені одне до одного, а їхні крижані хмари комет перекривалися та всіляко заплутувалися. Потім “одноясельники” нашого Сонця розлетілися, коли сам кластер різко збільшився. Ось чому, подібно до того, як Хмара Оорта має комети, що сягають своїми орбітами інших зірок, деякі власні комети нашого Сонця можуть обертатися довкола інших зірок.

Інше сенсаційне дослідження, здійснене в листопаді 2020 р., припускає: міжзоряних об’єктів може виявитися більше, ніж ми традиційно рахуємо у нашій Сонячній системі. Щойно опубліковані результати ідентифікували три (!!!) зірки, які могли пройти через Хмару Оорта. Планетарний астроном Кет Волк (Kathryn M.Volk) із Університету Арізони (University Оf Arizona) запевняє:

- Скільки саме через Хмару Оорта пролітає міжзоряних об’єктів, залишається для нас загадкою, і навіть вивчення комет зблизька може не дати відповіді. Украй важко визначити, які комети біля нас утворилися, а які – прилетіли з інших Сонячних систем. Можливо, майбутні дослідження міжзоряних гостьових об’єктів, здійснені не заднім числом, а в реальному часі, – додадуть певного розуміння.

*   *   *

Поки що наукові сенсації нагромаджуються, але в нову, більш чітку модель світобудови все ще не складаються. Опубліковані підсумки комп’ютерного моделювання міждисциплінарної групи на чолі з професором обчислювальної астрофізики Портегьє Цвартом свідчать:

- Приблизно половина речовини у внутрішній частині Хмари Оорта і мінімум чверть – зовнішньої частини могла бути притягнені з інших місць, не з нашої Сонячної системи. Розуміння Хмари Оорта і комет, які прилітають до нас від неї, може дати безцінні підказки про походження самої Сонячної системи та її формування. Тим часом ці міжзоряні об'єкти, як капсули часу, є одними з найбільш невивчених зблизька, хоча вважається, що вони сформувались одночасно з планетами нашої Сонячної системи.

Знаєте, яка блакитна мрія будь-якого планетарного астронома? Просвердлити кілька отворів у кількох об'єктах Хмари Оорта та проаналізувати хімічний склад!

До такої реальності ще далеко… На жаль, американський космічний зонд “Вояджер-1”, запущений 5 вересня 1977 р., лише здолав одну десяту частину відстані від краю Сонячної системи до Хмари Оорта та навряд чи безпосередньо контактуватиме з чимось іншим, аніж Юпітер і Сатурн, – задля цих досліджень НАСА його й запустило.

У принципі є ще чотири космічні кораблі, які теоретично можуть дістатися Хмари Оорта, а саме: “Voyager 2”, New Horizons”, “Pioneer 10” та “Pioneer 11”. Та шлях настільки далекий, що їхні джерела живлення каюкнуть задовго до того, як апарати сягнуть гігантської крижаної хмари.

*   *   *

Що із гарних новин? Новітні комп’ютерні дослідження виявили в кометах Хмари Оорта наявність оксиду вуглецю, води, інші форм вуглецю та кремнію. Це навіть якось прикро дисонує із зоряною теологією Ісаака Ньютона (Іsaac Newton; 1643-1727), котрий сказав:

- Таке витончене поєднання Сонця, планет і комет не могло скластися інакше, аніж за наміром і владою могутньої та премудрої Істоти.

Тим часом сама можливість отримати зразки речовин із міжзоряних об’єктів, які пролітають повз нас із Хмари Оорта, гарантує численні наукові прориви. Сучасні астрономи ретельно збирають факти й підказки про будову і структуру таємничих космічних гостей. На щастя, сьогодні не потрібно бігати із шуруповертом по кометі, щоб збагнути, із чого вона зроблена. Визріває нагальна ідея – з космічною місією відвідати одну з довгоперіодичних комет, щоб зблизька оглянути та глибше зрозуміти саму Хмару Оорта.

Про це мало пишуть, але подібні місії, такі як європейський космічний апарат “Rosetta” (дослідження комети Чурюмова-Герасименка; 2014) і спусковий апарат “Philae” (дослідження комети Чурюмова-Герасименка; 2014-2016), а також космічний корабель НАСА “Deep Impact” (комета Темпель 1; або: 9P/Темпеля; 2005) – відвідували комети, що пролітали повз нас. Інші космічні кораблі, такі як японські місії “Hayabusa” (はやぶさ; астероїд 25143 Ітокава; 2005) і “Hayabusa 2” (астероїд (162173) Рюгу; 2018-2019; у проєкті брали участь українські (!!!) вчені з теплоенергетичного факультету НТУУ “КПІ” імені Ігоря Сікорського) та американська автоматична міжпланетна станція “Osiris-Rex” (астероїд (101955) Бенну; 2018-2023), також взяли зразки ґрунту з астероїдів, щоб повернути безцінні для науки капсули на Землю.

*   *   *

По крихтам людство збирає нові знання, але досліджувати комети, які прилітають із Хмари Оорта, – справа непроста. Чому? Зазвичай їх виявляють буквально за кілька місяців (років) до того, як вони досягли перигелія (найближча точки на орбіті по відношенню до Сонця. – О.Р.). Отже, вибудувати місію та ще й відправити спусковий апарат на побачення із довгоперіодичною кометою – можливості не існувало.

Така з’являється, бо сучасна наука не стоїть на місці, а постійно ускладнює завдання. Надскладне поки що лунає так: спробувати наблизитися до комети, яка прилетіла з Хмари Оорта, а не до короткоперіодичних комет, які вже неодноразово проходила повз Сонце. Як діяти у подібній ситуації?

Відповідь має планетарний астроном із Університету Арізони Кет Волк:

- Космічну місію з дослідження довгострокових комет, першу швидку місію (F-класу), озброєну екзопланетним телескопом “ARIEL”, слід будувати по-іншому. Спочатку належить запустити автоматичну міжпланетну станцію і… чекати на своєрідній паркувальній орбіті у точці L2 Лагранжа, що залишається нерухомою щодо Землі, поки не з’явиться ​​відповідна ціль. Уже започаткована програма “Перехоплювач комет” (“Comet Interceptor”) Європейського космічного агентства. Вона матиме парк із трьох космічних апаратів різного призначення – головний (корабель А) і два допоміжні (кораблі Б): коли визначиться конкретна комета, до цілі терміново вилетить один із апаратів, найбільш технологічно озброєних щодо головного завдання місії.

*   *   *

Доктор астрономії Сіріель Опітом з Единбурзького університету висловила надію:

- Переконана, “Перехоплювач комет” – буде захоплива місія! І, сподіваюся, вона дозволить дослідити невідому комету, яка вперше прилетить з Хмари Оорта.

Задля реалізації амбітного проєкту – рухатися доводиться двома важливими напрямками. По-перше, космічна програма “Перехоплювач комет” має стартувати в 2029 р., а значить за найближчі вісім років має бути збудований парк спускових дослідницьких зондів та апаратів нового покоління. По-друге, в обсерваторії імені Віри Рубін (Vera C.Rubin Observatory), розташованій на горі Серро-Пачон, Чилі, до 2023 р. має стати в дію новітній потужний телескоп, призначений саме для пошуку довгоперіодичних комет, які прилітають з Хмари Оорта.

Що це дозволить? “Відстежувати, як вони змінюються, коли їх нагріває Сонце?”. “Наскільки змерзлими вони наближаються до світила?” Це – запитання астрономів-аматорів. На міжзоряні об’єкти, які відвідують Сонячну систему вперше, фахівці дивляться, як на комори всесвітніх таємниць. Зокрема, безпосередньо досліджуючи довгоперіодичні комети, можна знайти відповідь на запитання, наскільки насправді велика Хмара Оорта і скільки її складу походить із нашої Сонячної системи, а скільки складають речовини інших зірок.

Поки вчені продовжують складати до купи підказки, щоб більше дізнатися про Хмару Оорта та зібрати фізичні докази її існування, відомо лише одне: якщо “Вояджеру-1” вдасться вижити, і він працювати на людство ще 300 років, тоді ми, можливо, щось дізнаємося нове. Тому, як-то кажуть:

- Стежте за реалізацією космічної програми “Перехоплювач комет”!

*   *   *

ЗАМІСТЬ ЕПІЛОГА. “ІНТРИГУЮЧА ІДЕЯ”

Відкриття у жовтні 2014 р. нової гігантської комети Бернардінеллі-Бернштейна (C/2014 UN271 (Bernardinelli-Bernstein) стало справжньою науковою сенсацією. Адже її поперечник – щонайменше 200 км; це вдесятеро більше діаметра багатьох зоряних посестер. Лише уявіть, комета Бернардінеллі-Бернштейна більша за острів Гаваї!

Нагадаю, досі найбільшою кометою вважалася комета Хейла-Боппа, яку помітили в 1997 р.: її довжина – 45 км. Нині (на початку липня 2021 р.) комета Бернардінеллі-Бернштейна знаходиться на орбіті Нептуна та прямує всередину нашої Сонячної системи. За останніми розрахунками, у 2031 р. вона промчить на відстані понад 1,6 млрд км від Сонця, досягне орбіти Юпітера, а потім попрямує до холодних і темних царин нашої галактичної системи.

У вас теж якось відлягло на серці? Минулося і цього разу?

Як особисто зауважив дослідник-відкривач, професор кафедри астрономії та астрофізики Гарі Бернштейн (Gary M.Bernstein) з Пенсільванського університету (University of Pennsylvania);

- Відкриття комети Бернардінеллі-Бернштейна, що прямує до нас із Хмари Оорта, не мало ніякого відношення до існування… Планети 9. Більше того, я навіть не впевнений, чи є факти та документальні свідчення, які пов’язують саме питання П9 із зовнішньою динамікою Хмари Оорта. Але, якщо ви все-таки запитуєте мене про П9, висловлю думку, що спирається на результати аналізу “екстремальних знахідок” у результаті дослідження темної енергії у межах проєкту “Dark Energy Survey”, спрямованого на картування далеких галактик і зірок, шо вибухають… Справді, пропоную поки що мати на увазі невидиму планету з масою Нептуна в категорії “інтригуюча ідея”. Однак, підставляти власну репутацію – або щось, що має справжню цінність – я не збираюся, оскільки жодне з положень далеких малих планет не підтвердило цю гіпотезу. Коли в 2023 р. в обсерваторії імені Віри Рубін стане до ладу телескоп нового покоління, призначений для вивчення довгоперіодичних комет, – ми швидко з’ясуємо ситуацію із Планетою 9.

Отже, поки що із Хмарою Оорта усе неясно, бо люто холодно, до стану космічної криги.

Олександр Рудяченко. Київ
Використані джерела: 1,  2,  3,  4,  5,  6,  7,  8,  9,  10,  11,  12,  13,  14,  15