Комета Борисова

Используя приемник FORS2 на Очень Большом телескопе (VLT) Европейской южной обсерватории (ESO), астрономы проанализировали химический состав межзвездной кометы 2I/Borisov и установили, что до встречи с Солнцем она не подвергалась воздействию звездного излучения и хранит в себе информацию о первичном газо-пылевом облаке, из которого была рождена. Полученные данные и выводы ученых представлены в журнале Nature Communications.

«Комета 2I/Borisov, возможно, представляет собой первую истинно первозданную комету из всех когда-либо наблюдавшихся», – сказал Стефано Багнуло, ведущий автор исследования из обсерватории и планетария Арма (Северная Ирландия).

Комета 2I/Borisov открыта астрономом-любителем Геннадием Борисовым в августе 2019 года, а спустя несколько недель, когда было получено достаточно наблюдений для определения ее орбиты, стало ясно, что она пришла из межзвездного пространства, то есть родилась за пределами Солнечной системы.

Воспользовавшись первой в истории возможностью изучить межзвездную ледяную странницу астрономы провели множество ее наблюдений, в частности, оценив поляриметрические свойства. Оказалось, что они отличаются от параметров всех известных комет Солнечной системы, кроме кометы Хейла–Боппа.

Комета Хейла–Боппа в конце 1990-х годов оказалась в центре внимания: во-первых, она была хорошо видна на небе невооруженным глазом, и, во-вторых, показала себя наиболее «первобытной» из всех, когда-либо наблюдавшихся астрономами.

Считается, что до своего последнего перигелия комета приближалась к Солнцу лишь однажды, и поэтому на нее почти не действовали солнечный ветер и излучение. На протяжении всей своей истории она оставалась в неприкосновенности, а значит, ее химический состав очень похож на состав газо-пылевого облака, из которого образовалась Солнечная система около 4,5 миллиарда лет назад.

«Тот факт, что эти две кометы оказались так похожи, говорит о том, что среда, в которой образовалась комета 2I/Borisov, не очень отличается по составу от среды, составлявшей раннюю Солнечную систему», – отметил Альберто Челлино, соавтор исследования из астрофизической обсерватории Турина, входящей в Национальный институт астрофизики (Италия).

Приход из межзвездного пространства кометы 2I/Borisov предоставил первую возможность изучить состав ледяной странницы, рожденной в другом планетном семействе, и проверить, отличается ли в каком-то отношении вещество, принесенное ей, от вещества нашей системы. Астрономы надеются, что до конца текущего десятилетия у них еще будет другая, более благоприятная возможность заняться подробным изучением какой-нибудь аналогичной гостьи.

«В 2029 году Европейское космическое агентство должно запустить космический аппарат «Comet Interceptor», который сможет добраться до посетившего окрестности Солнца межзвездного объекта, если один из таких удастся открыть на подходящей траектории», – заключил Стефано Багнуло.

Художественное представление кометы 2I/Borisov. Credit: ESO/M. Kormesser

Снимок кометы Хэйла–Боппа, полученный в 1997 году в момент ее последнего приближения к Солнцу. Credit: H. Mikuz & B. Kambic

Снимок первой обнаруженной межзвездной кометы 2I/Borisov, полученный при помощи приемника FORS2 на Очень Большом телескопе (VLT) Европейской южной обсерватории (ESO). Так как комета двигалась с головокружительной скоростью примерно в 175 тысяч километров в час, а телескоп отслеживал траекторию ее движения, звезды фона растянулись в черточки. Credit: ESO/O. Hainaut

Астрономы создали первую трехмерную симуляцию сверхяркой сверхновой — объекта, который примерно в сто раз ярче типичной сверхновой. Свою модель они описали в статье в журнале Astrophysical Journal.

Вот уже более десяти лет сверхъяркие сверхновые остаются загадкой для астрономов. В то время как некоторые их характеристики отчасти схожи с характеристиками обычных сверхновых, они сияют на небе намного ярче — как минимум в десять раз. Полученные телескопами данные указывают на то, что существует несколько возможных механизмов образования подобных объектов. Один из них предполагает, что мощные вспышки возникают, когда в ходе коллапса массивной звезды образуется магнитар — быстро вращающаяся нейтронная звезда, чье магнитное поле в триллионы раз сильнее земного. Когда магнитар испускает ветер из разогнанных до высоких скоростей заряженных частиц, его вращение тормозится, а выделяющаяся при этом энергия разогревает окружающую материю и заставляет ее светиться ярче. Однако этот сценарий — лишь гипотеза, и чтобы лучше понять процессы, которые происходят со сверхъяркими сверхновыми, ученым необходимо трехмерное моделирование.

Группа исследователей из Австрии, США и Тайваня под руководством Ке-Чжун Чена (Ke-Jung Chen) из Академии Синика создали первую трехмерную гидродинамическую симуляцию сверхъяркой сверхновой. Они поместили магнитар радиусом около 10 километров в центр газопылевого образования радиусом примерно 15 миллиардов километров. Ученые отмечают, что подобные работы требуют большой вычислительной мощности, поэтому они использовали суперкомпьютер, принадлежащий Национальному энергетическому научно-исследовательскому вычислительному центру.

С помощью модели астрономы проследили за эволюцией объекта в течение первых 200 дней после его формирования, что позволило им наблюдать образование ударной волны на этапе взрыва и ускорение окружающий материи магнитарным ветром. Симуляция показала, что в остаточной оболочке сверхъярких сверхновых возникают гидродинамические неустойчивости, причем на двух масштабах. Первые происходят в пузыре горячей материи, разогретой магнитаром, а вторые возникают, когда ударная волна молодой сверхновой сталкивается с газом и пылью в межзвездном пространстве. Из-за этого остаточное вещество перемешивается намного сильнее, чем в случае с обычной сверхновой, что может определять спектр и кривую блеска события.

Астрономы опубликовали результаты наблюдений за первой межзвездной кометой — кометой Борисова — при помощи космического телескопа Swift. Оказалось, что на пике активности с поверхности ядра в кому поступало до 30 литров воды в виде водяного пара, а минимальный радиус ядра составляет 370 метров. Статья опубликована в журнале The Astrophysical Journal Letters.

Комета 2I/Borisov была обнаружена 30 августа 2019 года и является вторым известным на сегодня межзвездным объектом после астероида 1I/Оумуамуа. Она максимально сблизилась с Солнцем в декабре прошлого года, после чего начала свое возвращение в межзвездное пространство. Исследование подобных тел позволяет узнать о характеристиках планетезималей и составах протопланетных дисках у других звезд.

Ранние наблюдения дали возможность утверждать, что комета Борисова очень похожа на аналогичные объекты в Солнечной системе. Однако анализ данных космических и наземных телескопов, полученных во время приближения кометы к Солнцу, показал, что она существенно отличается по составу от них, в частности, крайне богата угарным газом. Среди обсерваторий, следивших за кометой, был и космический телескоп Swift, обычно занимающийся наблюдением гамма-всплесков. На его борту находится ультрафиолетовый и оптический телескоп UVOT, который наблюдал комету Борисова шесть раз, в период с 27 сентября 2019 года, когда комета была в 2,56 астрономических единиц от Солнца, по 17 февраля 2020 года, когда комета уже прошла перигелий и удалилась от светила на 2,54 астрономических единицы. Задачей наблюдений стало определение изменения количества водяного пара в коме кометы путем наблюдений за радикалом OH, образующимся при фотодиссоциации молекул воды.

Оказалось, что в период с 1 ноября по 1 декабря 2019 года количество образующихся в коме молекул OH возросло на 50 процентов и составило 10,7×1026 молекул в секунду. Подобный прирост больше, чем в случае динамически новых комет и комет семейства Юпитера. На пике интенсивности с поверхности ядра кометы Борисова в кому поступало около 30 литров воды в секунду. После прохождения перигелия, к 21 декабря скорость генерации молекул воды снизилась до 4,9×1026 молекул в секунду, спад также прошел намного быстрее, чем в случае ранее наблюдавших комет Солнечной системы. Предполагается, что это может быть связано с эрозией поверхностного слоя, распадом ядра и изменением характера его вращения. Оценка количества воды, которая испарилась с ядра за время сближения с Солнцем дает значение около 230 миллионов литров. Расчеты, основанные на данных, накопленных обсерваторией, показали, что минимальный радиус ядра кометы Борисова составляет 0,37 километра, а, по крайней мере, 55 процентов его поверхности было активно, что в десять раз больше активных областей на кометах Солнечной системы.

В начале марта польские астрономы заметили два всплеска яркости кометы, что интерпретировалось как начало фрагментации ядра кометы из-за его нагрева Солнцем и, как следствие, увеличения активности кометы.

Чтобы подтвердить это к наблюдениям подключили космический телескоп «Хаббл». На изображении, полученном 23 марта 2020 года, видно цельное ядро, а снимок от 30 марта демонстрирует два отдельных компонента, разнесенных на 180 километров и выровненных относительно главной оси пылевой комы.

Предполагается, что фрагмент кометы удаляется от ядра со скоростью около тридцати сантиметров в секунду, что типично для распадающихся комет Солнечной системы и сравнимо со второй космической скоростью для ядра кометы субкилометрового радиуса.

Ожидается, что «Хаббл» будет продолжать следить за кометой, которая будет оставаться видимой для телескопов по крайней мере еще несколько месяцев.

Источник: N+1

Комета C/2019 Q4 (Борисова) была открыта 30 августа 2019 года и стала вторым межзвёздным объектом после астероида 1I/Оумуамуа, который был открыт двумя годами ранее. Оба этих объекта представляют огромную важность для науки. Возможно, комета была частью протопланетного диска другой звезды и может поведать нам о процессах в другой планетной системе в период её формирования. Сравнивая их с теми, которые происходили в нашей Солнечной системе, мы расширим горизонты своих знаний о мире вокруг нас.

C/2019 Q4 (Борисова)

Астероид 1I/Оумуамуа

Всё более интересным становится вопрос: можно ли отправить к одному из этих межзвездных странников исследовательский космический аппарат, используя сегодняшние технологии?

Траектория прямого перехвата

Рассмотрим возможность перехвата кометы без использования дополнительных стыковок и гравитационных манёвров в космосе. Предположим, что полет будет длиться до 10000 дней, а дата старта расположена в промежутке между 2015 и 2050 годом.

График значений дельта-v для различных траекторий перехвата кометы C/2019 Q4 (Борисова)

Как видно на графике, при длительности полёта от 20 лет (7000 дней) необходимый для перехвата кометы запас скорости (дельта-v) составляет менее 100 километров в секунду. Даже если старт состоится в 2050 году, когда комета будет ещё дальше. Тем не менее, требуемая дельта-v всё ещё велика, чтобы совершить этот полёт с использованием современных химических ракетных двигателей.

Оптимальная траектория прямого перехвата

Существует ли оптимальная траектория прямого перелёта до кометы? Конечно! Если не привязываться к дате старта и длительности полёта, то можно найти такую траекторию, которая требует минимального запаса скорости и, следуя которой, можно было бы перехватить комету всего за год. Ракета-носитель Falcon Heavy могла бы по такой траектории доставить к комете космический аппарат массой около двух тонн. К сожалению, здесь мы опоздали: чтобы воспользоваться такой возможностью, стартовать надо было еще в 2018 году.

Сплошная желтая линия отображает оптимальную траекторию перехвата для случая, если бы комету обнаружили раньше

Оптимальная траектория для тех, кто опоздал

С каждым годом комета улетает от нас всё дальше. Чем она дальше, тем большая дельта-v требуется, чтобы догнать её. Единственный способ сделать это — совершить ряд манёвров с использованием гравитации других небесных тел для экономии топлива. Сперва космический аппарат должен долететь до Юпитера. Он использует притяжение гиганта, чтобы значительно уменьшить свою скорость относительно Солнца, а затем устремится к нему по очень вытянутой гелиоцентрической орбите. Оказавшись в её низшей точке, перехватчик совершит манёвр Оберта — настоящий чит из мира физики! Его смысл в том, что чем быстрее космический аппарат движется, тем большую скорость ему сообщает двигатель. В какой точке орбиты аппарат имеет максимальную скорость? Правильно, в низшей! Учитывая высокую вытянутость орбиты, можно себе представить, как высока будет скорость рядом с Солнцем.

Зеленая линия показывает траекторию от Земли к Юпитеру.

Голубая линия — это траектория аппарата после гравитационного манёвра около Юпитера. После торможения перехватчик, по-сути, падает на Солнце.

Красная линия — траектория спутника после манёвра Оберта. Она выглядит почти прямой, потому что космический аппарат летит с очень большой скоростью.

Если в 2030 году запустить сверхтяжелую ракету Space Launch System Block 1 с твердотопливными ускорителями и второй ступенью от ракеты Delta IV, то к 2045 году комету C/2019 Q4 (Борисова) можно будет перехватить космическим аппаратом массой… 3 килограмма. Принципиально нет ограничений для отправки в межзвёздный полет маленького аппарата формата CubeSat. Более того, подобные проекты уже существуют. Например, межпланетный Mars Cube One. Но, в отличие от марсианского «кубсата», аппарат-перехватчик будет несколько крупнее — для обнаружения кометы в глубоком космосе ему потребуется оптика большого диаметра.

Источник: https://arxiv.org/abs/1909.06348

Ученые оценили возможность отправки аппарата к межзвездной комете

Обнаружение межзвездной кометы C/2019 Q4 (Борисова), безусловно, стало одним из самых ярких астрономических событий 2019 года. Некоторые обсерватории уже провели наблюдения этого объекта и по мере его приближения к перигелию их количество будет увеличиваться.https://arxiv.org/abs/1909.06348

Визит кометы заставил многих людей задаться вопросом — обладает ли человечество технической возможностью отправить какой-то аппарат к «межзвездному страннику»? Команда ученых из ассоциации Initiative for Interstellar Studies попыталась ответить на этот вопрос, проведя соответствующие расчеты. Для своего исследования они взяли реально существующие, а также близкие к вводу в эксплуатацию ракеты-носители.

Ученые пришли к выводу, что при условии использования ракеты Falcon Heavy и ее запуска в июле 2018 года, человечество могло бы отправить к комете двухтонный аппарат, который совершил бы ее пролет в октябре 2019 года в момент пересечения плоскости эклиптики.

С технической точки зрения, описанная схема выглядит вполне реализуемой. Проблема в том, что для организации подобной миссии астрономы должны были обнаружить комету Борисова хотя бы до конца 2016 года, чтобы успеть спроектировать и построить соответствующий аппарат. Поскольку на тот момент объект находился еще за орбитой Урана, это было невозможно. К тому же, стоит напомнить, что дебютный полет Falcon Heavy состоялся лишь в начале 2018 года.

Способно ли человечество сейчас запустить аппарат, который бы сумел догнать комету? Это намного более сложная задача. Во-первых, комета движется со скоростью около 30 км/с. Ни одна из существующих или перспективных ракет на химическом топливе сама по себе не способна придать космическому аппарату подобную скорость. Во-вторых, чтобы нагнать комету земному посланцу потребуется выйти за пределы плоскости эклиптики, что потребует огромного количества энергии.

Тем не менее, авторы исследования пришли к выводу, что у человечество все же имеется теоретическая возможность реализовать подобную миссию. Для нее потребуется ракета SLS, а также целый ряд сложных гравитационных маневров.

Предложенная схема полета выглядит следующим образом. В 2030 году ракета SLS отправляет к Юпитеру аппарат-перехватчик. В 2031 году он совершает гравитационный маневр в окрестностях газового гиганта и спустя год сближается с Солнцем. Далее, аппарат использует гравитацию нашего светила, чтобы набрать скорость и выйти за пределы плоскости эклиптики по траектории, позволяющей догнать комету Борисова. Согласно расчетам, запущенный по такой схеме перехватчик достиг бы своей цели в 2045 году.

Правда, на данный момент эта схема представляется скорее любопытным мысленным экспериментом. Дело в том, что максимальная масса подобного перехватчика будет ограничена лишь 3 кг — включая научные приборы, систему связи, теплозащиту, ритэг и двигатели. Создание подобного зонда потребует существенного улучшения технологии минитюаризации и ряда прорывных технических решений.

Поэтому, наиболее оптимальной стратегией пока что остается улучшение средств слежения за небом. Если астрономам удастся обнаружить приближающийся межзвездный объект хотя бы за несколько лет до его визита, это даст человечеству необходимое время чтобы успеть подготовить специализированную исследовательскую миссию.