Od momentu odkrycia w roku 2017 pierwszy znany obiekt międzygwiezdny, który odwiedził nasz Układ Słoneczny – wydłużone ciało o kształcie cygara, czyli ’Oumuamua – stanowi dla naukowców zagadkę. Nie wiemy, jak powstał ani gdzie się właściwie uformował. Nowe badania mogą jednak nieco więcej wyjaśniać.
Yun Zhang (Chinese Academy of Sciences) i Douglas N.C. Lin (University of California) wykorzystali symulacje komputerowe, aby pokazać, w jaki sposób obiekty takie jak ’Oumuamua mogą tworzyć się na skutek sił pływowych. To siły podobne do tych działających na oceany na Ziemi, pochodzących od mas Słońca i Księżyca. Nowa teoria formacji autorstwa dwojga naukowców zdaje się przy tym wyjaśniać wiele niezwykłych cech ’Oumuamua.
Wykazaliśmy, że obiekty międzygwiezdne podobne do ’Oumuamua mogą tworzyć się poprzez rozległą fragmentację pływową, podczas bliskich spotkań ich ciał macierzystych z okrążanymi przez nie gwiazdami, a następnie zostawać wyrzucane w przestrzeń międzygwiezdną – mówi Lin, emerytowany profesor astronomii i astrofizyki na UC Santa Cruz.
’Oumuamua została odkryta 19 października 2017 roku z pomocą przeglądu nieba o nazwie Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System 1 (Pan-STARRS1) na Hawajach. Jej sucha powierzchnia, niezwykle wydłużony kształt i zagadkowy ruch sprawiły, że niektórzy naukowcy zastanawiali się nawet, czy nie jest to jakiegoś rodzaju „sonda obcych”.
Naszym celem jest opracowanie kompleksowego scenariusza opartego na dobrze zrozumiałych zasadach fizycznych, który poskłada razem wszystkie posiadane przez nas wskazówki obserwacyjne na temat obiektu – powiedział Lin.
Astronomowie już wcześniej oczekiwali, że pierwszym wykrytym przez nich międzygwiezdnym obiektem będzie raczej lodowe ciało podobne do komety. Lodowate obiekty, takie jak te zaludniające obłok Oorta, czyli wielki rezerwuar komet położony w najbardziej oddalonych obszarach Układu Słonecznego, ewoluują w bardzo dużych odległościach od swoich gwiazd macierzystych, są bogate w substancje lotne i często są wyrzucane z macierzystych układów poprzez oddziaływania grawitacyjne. Są również bardzo dobrze widoczne na niebie – ze względu na ciągłą sublimację lotnych związków, które tworzą komę komety (lub jej warkocz), gdy ona sama jest ogrzewana przez Słońce (bądź inną gwiazdę). Sucha powierzchnia ’Oumuamua przypomina jednak już bardziej drobne ciała skaliste, takie jak asteroidy Układu Słonecznego, co wskazuje na nieco inny scenariusz jej „wyrzucenia” w przestrzeń międzygwiezdną.
Inni badacze obliczyli wcześniej, że powinna istnieć wyjątkowo duża populacja obiektów międzygwiezdnych takich jak ’Oumuamua.
Odkrycie jej oznacza, że populacja tych skalistych obiektów międzygwiezdnych jest znacznie większa, niż wcześniej sądziliśmy – wyjaśnia Zhang. Średnio każdy jeden układ planetarny powinien więc wyrzucać w kosmos łącznie około stu bilionów obiektów, takich jak ’Oumuamua. Musimy zatem skonstruować bardzo powszechny scenariusz „produkcji” tego rodzaju obiektów.
Kiedy mniejsze ciało przechodzi bardzo blisko znacznie większego, siły pływowe pochodzące od większego ciała mogą rozerwać mniejsze ciało na części – tak jak to się stało z kometą Shoemaker-Levy 9, gdy zbliżyła się do Jowisza. Procesy zakłóceń pływowych mogą wtedy wyrzucać niektóre cząstki takich rozerwanych obiektów do przestrzeni międzygwiezdnej. Ale to, czy taki proces mógłby faktycznie wyjaśniać zagadkowe cechy ’Oumuamua, pozostawało wciąż dość niepewne.
Zhang i Lin przeprowadzili symulacje komputerowe w wysokiej rozdzielczości, aby wymodelować dynamikę strukturalną obiektu przelatującego bardzo blisko gwiazdy. Odkryli, że jeśli obiekt taki zbliży się wystarczająco blisko do gwiazdy, może ona rozerwać go na bardzo wydłużone fragmenty, które następnie zostaną wyrzucone w przestrzeń międzygwiezdną.
– Wydłużony kształt jest tu bardziej przekonujący, gdy weźmiemy pod uwagę zmienność wytrzymałości materiału podczas starcia z gwiazdą. Stosunek długiej osi do krótkiej osi może być wówczas nawet większy niż dziesięć do jednego – dodaje Zhang.
Modelowanie termiczne wykazało ponadto, że powierzchnia fragmentów powstałych w wyniku rozerwania początkowego ciała stopiłaby się w bardzo niewielkiej odległości od gwiazdy i ponownie się zagęściła w większych odległościach, tworząc w ten sposób spójną skorupę, która zapewniłaby stabilność strukturalną ostatecznie uformowanego, wydłużonego kształtu.
Dyfuzja ciepła zachodząca podczas gwiazdowego rozrywania pływowego pochłania również duże ilości substancji lotnych, co nie tylko wyjaśnia obserwowane barwy powierzchni ’Oumuamua i brak widocznej komy, ale i domniemaną suchość tej populacji obiektów międzygwiazdowych – powiedział Zhang. Niemniej jednak niektóre substancje lotne o wysokiej temperaturze sublimacji ukryte pod jej powierzchnią, takie jak lód wodny, mogą tam wciąż pozostać w postaci skondensowanej.
Obserwacje ’Oumuamua nie wykazały żadnej aktywności kometarnej, a tylko lód wodny jest możliwym źródłem odgazowania, które wyjaśnia dobrze jej tak zwany „nie-grawitacyjny” ruch orbitalny. Gdyby scenariusz Zhanga i Lin faktycznie zadziałał, wówczas wyprodukowana w nim, a następnie wyrzucona w kosmos ’Oumuamua podczas późniejszego przejścia przez Układ Słoneczny mogłaby aktywować (topić) mnóstwo swego resztkowego lodu wodnego w pobliżu Słońca. Wynikające z tego odgazowanie spowodowałoby charakterystyczne przyspieszenie, pasujące do obserwowanej ponad dwa lata temu trajektorii ’Oumuamua w naszym układzie.
– Scenariusz fragmentacji pływowej zapewnia nie tylko sposób na utworzenie jednego obiekt tego rodzaju, ale i uwzględnia całą ogromną populację międzygwiezdnych obiektów podobnych do takich asteroid – dodaje Zhang.
Obliczenia naukowców pokazują też dużą skuteczność sił pływowych w wytwarzaniu tego rodzaju obiektów. Ewentualne ich prekursory, w tym komety długookresowe, dyski złożone z pozostałości po formowaniu się układów planetarnych, a nawet super-Ziemie, mogą zostać przekształcone w kawałki „skał” kosmicznych o wielkości ’Oumuamua właśnie na skutek oddziaływań pływowych.
Wynik ten potwierdza oszacowania mówiące o dużej populacji obiektów międzygwiezdnych podobnych do ’Oumuamua. A ponieważ obiekty te mogą przechodzić przez strefy zamieszkiwalne gwiazd, nie można wykluczyć możliwości, że mogą one też transportować materię zdolną do generowania życia (w procesie panspermii).
Te międzygwiezdne obiekty mogą dostarczyć nam krytycznych wskazówek na temat tego, jak układy planetarne tworzą się i ewoluują – dodaje Zhang.
Na ilustracji: proces rozrywania pływowego, który może prowadzić do powstawania obiektów podobnych do ’Oumuamua. Źródło: NAOC/Y. Zhang.
Zdaniem Lina ’Oumuamua to jednak dopiero wierzchołek góry lodowej. Oczekuje on, że o wiele więcej międzygwiezdnych gości o podobnych cechach być może znajdziemy już wkrótce – podczas przyszłych obserwacji z udziałem budowanego Obserwatorium Very C. Rubin. W miarę odkrywania przyszłych obiektów międzygwiezdnych w kolejnych latach bardzo interesujące będzie sprawdzenie, czy którekolwiek z nich wykazuje właściwości podobne do ’Oumuamua. Jeśli tak, może to oznaczać, że procesy opisane w tych badaniach faktycznie są powszechne – dodaje Astronom z Akademii Marynarki Wojennej USA, Matthew Knight.
Czytaj więcej:
- Cały artykuł
- Oryginalna publikacja: Tidal fragmentation as the origin of 1I/2017 U1 (‘Oumuamua), Yun Zhang & Douglas N. C. Lin, Nature Astronomy (2020)
- Astronomowie z Krakowa: pierwsza odkryta kometa międzygwiezdna ma znajome cechy
Źródło: University of California
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Na zdjęciu: Podobny do ’Oumuamua obiekt wyprodukowany w efekcie symulacji komputerowej działania sił pływowych w scenariuszu proponowanym przez Zhanga i Lin. Źródło: NAOC/Y. Zhang; background: ESO/M. Kornmesser,
