Оумуамуа — решение парадокса Ферми (2)

Предыдущая статья Оумуамуа — решение парадокса Ферми вызвала живой интерес несмотря на свою узкоспециальную область. Изначально она задумывалась короткой, но оказалось, что довольно сложно лаконично описать. Это также отчасти является причиной критики - некоторые детали были не раскрыты и опущены в угоду краткости и простоте научно-популярного повествования. В новой статье можно более подробно рассмотреть детали. Сразу нужно отметить следующее:

• Статья - скорее популярная, нежели строго соответсвующая научному методу (в противном случае она публиковалась бы скорее где-нибудь в журнале Nature, а автор бы не был астрономом-любителем).

• Статья не отвечает на любую критику предыдущей статьи, а только на наиболее существенную по усмотрению автора.

Маленькие Зелёные Человечки

Собственно, критическое отношение - это вполне здоровая реакция думающего человека, когда ему говорят "пришельцы". Следует тщательно рассмотреть все возможные варианты объяснения объекта 1I/2017 U1 естественным происхождением. Это выручало науку (и астрофизику, в частности) много раз. Далее - наиболее известные примеры.

LGM-1

Достаточно вспомнить историю открытия пульсаров - на момент открытия, никакого объяснения таинственным повторяющимся радиоимпульсам просто не было. И поэтому первый пульсар сначала обозначался "LGM-1" (little green men). Лишь некоторое время спустя физика предложила модель особенных вырожденных звёзд, которые должны иметь период вращения в том же диапазоне, что и периоды радиоимпульсов пульсаров, что позволило отождествить нейтронные звёзды и таинственные радиоисточники.

LGM-2

Более свежий пример - "звезда WTF?" (KIC 8462852), затмения которой неизвестными объектами некоторое время выглядели загадочно. В СМИ успела разойтись версия, что затмения вызваны некими гигантскими структурами вероятно искуственного происхождения. Такой вывод также был поспешным, так как более свежие наблюдения показали, что глубина затмений различна в разных частях спектра. А из этого следует, что затмевающий объект "просвечивает" и не может быть "сплошным" и "твёрдым". Так ведёт себя мелкая пыль, которая на просвет пропускает длинные волны лучше. Гипотеза астросооружений не подтвердилась, так как стало ясно, что затмения вызываются облаками пыли, вращающимися вокруг звезды.

LGM-3

Итак, как уже известно, осенью 2017 г. был обнаружен новый таинственный объект, обладающий целым рядом аномальных свойств:

1. Отсутствие кометной активности, что ожидаемо максимум в 1% случаев для межзвёздных объектов подобного размера.

2. Амплитуда яркости примерно в 10 раз, что всчтречается лишь примерно в 1 случае из 10 тысяч для известных объектов Солнечной Системы подобного размера (астероидов и ядер комет).

3. Низкая скорость объекта относительно LSR (как следствие - малый возраст, не более 100 млн. лет), что встречается примерно в 0,2 % случаев для ближайших к Солнцу звёзд. При том, что распределение скоростей межзвёздных малых тел должно точно повторять таковое у ближайших звёзд.

4. Доплнительное (негравитационное) ускорение. Наиболее странное и необъяснимое явление при отсутствии наблюдаемой кометной активности. Вероятность ошибки - очень близко к твёрдому 0 (30 сигма, что ошибки нет).

Так как такой объект является очень необычным и трудно объяснимиым, то объяснение искуственным происхождением может быть одной из гипотез. При этом, если все имеющиеся гипотезы естественного происхождения всё равно опровергаются, то гипотеза искуственного происхождения становится предпочтительной. В гипотезе искуственного происхождения нет ничего антинаучного. Даже наоборот, известные теории предсказывают существование другой жизни, возникшей независимо где-то ещё в Галактике, и, впоследствии распространяющейся по ней. Собственно парадокс Ферми и заключается в противоречии между теорией, которая предсказывает наблюдательные признаки других форм жизни в Галактике и отсутствии таких наблюдений.

Гипотезы происхождения 1I/2017 U1

Рассмотрим все имеющиеся гипотезы происхождения 1I/2017 U1. Здесь следует помнить, что гипотеза, объясняющая происхождение должна объяснять все наблюдательные особенности объекта в совокупности (а не по отдельности).

1. Объект естественного происхождения

   1. Астероид

   2. Комета

      1. Водный лёд

      2. Чистый водородный лёд

      3. Чистый азотный лёд

   3. Экзотичесие формы материи

      1. Аэрогель

      2. Лист

      3. "Тёмная материя" или что-то в этом роде

2. Искуственный объект

   1. Транспорт ("корабль")

   2. Галактический мусор

Для варианта астероида нет места, так как этот вариант не объясняет ничего, кроме отсутствия наблюдаемой комы. Также уже давно опровергнуты идеи о кометной активности с выбросами водяного пара или водорода.

Вариант водного льда исключается сразу по нескольким наблюдательным признакам:

1. Водный лёд служит источником ионов кислорода, которые дают эмиссионные линии излучения (наподобие тех, что наблюдаются в полярном сиянии, наряду с азотом).

2. В рамках проекта Breakthrough Listen производились поиски гидроксил-ионов в радиодиапазоне - ничего найдено не было.

3. У известных комет вода всегда коррелирует с синильной кислотой (HCN). То есть чем больше воды - тем больше HCN. Синильную кислоту было бы очень легко обнаружить в спектре и в видимом диапазоне, но ничего обнаружено не было.

Водородный лёд исключается также, по причине невозможности его формирования в пределах нашей Галактики, где температур ниже сублимации водородного льда не бывает (температура фона Галактики 17-25 К, температура сублимации водородного льда - 14 K).

Собственно для кометной активности остаётся лишь один интересный вариант, на котором можно остановиться подробнее.

Азотный лёд

Как гипотеза "чистой азотной кометы" объясняет аномалии 1I/2017 U1? Вернёмся к их списку:

1. Отсутствие наблюдаемой кометной активности объясняется чистотой азотного льда кометы. Нет достаточного количества пыли и примесей, дающих заметную кому.

2. Амплитуда яркости объясняется тем, что комета из чистого азотного льда потеряет 92 % массы за время пролёта сквозь Солнечную Систему и будет представлять из себя истончённый "обмылок" по сравнению с начальной формой объекта.

3. Низкая скорость относительно LSR здесь в общем-то не объясняется никак. Ну просто повезло встретить 1-м попавшимся объект при шансах 0,2 %. Ну бывает, допустим. Хоть и с некоторой натяжкой совы на глобус.

4. Дополнительное ускорение объясняется реактивной силой, возникающей при сублимации азотного льда.

Крмое того, теоретически можно объяснить образование объектов из почти чистого азотного льда. В Солнечной Системе есть объекты, покрытые корой из азотного льда - Тритон и Плутон. Фрагменты разрушенных столкновениями "экзоплутонов" могут иногда быть такими почти чистыми кусками льда из азота. Но дальше у гипотезы начинаются проблемы и противоречия.

Первая проблема в том, что "экзоплутоны" могут быть покрыты лишь тонкой корой азотного льда, в то время как в целом они будут содержать довольно мало азота (его вообще в принципе довольно мало пр сравнению с, например углеродом и кислородом, по причине особенностей звёздного нуклеосинтеза). То есть фрагменты разбитых "экзоплутонов" будут преимущественно состоять из других льдов (H₂O, CH₄, CO₂, CO, NH₃, ...) и пород (органика, силикаты). Фрагменты чистого азотного льда среди них могут быть, но их будет меньшинство, что не согласуется с тем, что их должно быть столько же или больше, чем остальных. Иначе, если предположить, что осколками выбивается только внешний слой (азотной коры), получается, что "экзоплутонов" должно быть слишком много, больше, чем доступно вещества для их формирования.

Вторая проблема - спектр 1I/2017 U1.

На изображении выше - спектр отражения 1I/2017 и он не соответствует спектру азотного льда. Проблема здесь в заметном уклоне спектра в красную сторону, т.е. объект выглядит красноватым, в то время как спектр отражения азотного льда должен быть плоским в этом диапазоне ("белый"). Конечно, в азотном льду могут содержаться примеси, окрашивающие его в красноватый цвет. Более того, это наблюдается у азотного ледника на Плутоне, известного как "равнина Спутник". Красноватый оттенок обусловлен тонким слоем органических веществ (толинов). Однако для 1I/2017 U1 это объяснение не подходит, так как толины могут находиться только в тонком слое поверхности, в то время как 1I/2017 U1 потерял 92% своей массы при прохождении через Солнечную Систему, согласно "азотной" гипотезе и обнажил свои внутренние слои. Кроме того, даже небольшая примесь органики будет причиной хорошо заметной зеленоватой комы в линиях Свана:

Гипотеза должна объяснить что это за необычные примеси, и почему они не образуют видимой комы.

Это ещё не всё. Есть и 3-я проблема азотной гипотезы.

Синяя комета C/2016 R2

Можно обратить внимание на снимок кометы C/2016 R2 выше. Кома выглядит извилистой по причине преобладания излучения, вызванного эмиссией ионов. Ионы движутся не произвольно, как нейтральные пыль и газ, а повторяют траектории магнитных линий турбулентного солнечного ветра, поэтому кома имеет такой необычный вид. И действительно, у данной кометы в составе было обнаружено очень мало пыли. Интересен спектр комы:

Видно, что красивый синий цвет комы обусловлен линиями эмиссии ионов CO⁺ и N₂⁺. В момент измерений комета C/2016 R2 находилась в 2,8 АЕ от Солнца и в 2,5 АЕ от Земли. Оценка выбросов угарного газа составляет 1056 * 10^26 молекул в секунду, что равно 4910 кг/с. Зная соотношение азота к угарному газу (0,06), можно оценить темп выброса молекулярного азота - 294,6 кг/с.

Оценим теперь темпы выбросов молекулярного азота 1I/2017 U1 во время открытия (конец октября 2017). Для этого можно использовать таблицу из той же самой статьи об азотной гипотезе:

Получаем следующие усреднённые темпы изменения массы:

• Между 9 сентября и 27 октября - 6,27 кг/с.

• Между 27 октября и 21 ноября -0,44 кг/с.

Значит, в момент открытия темпы выбросов молекулярного азота должны были быть порядка 1 кг/с. При этом 1I/2017 U1 находился на расстоянии 0,22 АЕ от Земли и примерно 1,2 АЕ - от Солнца. То есть в 2,33 раз ближе к Солнцу и в 11,36 раз ближе к Земле. Так как интенсивность эмиссионных линий зависит от расстояния от Солнца также по закону обратных квадратов, то эмиссионное излучение азота должно быть в 700 раз сильнее. При этом разница в выбросах азота между C/2016 R2 и 1I/2017 U1 как примерно в 300 раз. Из этого следует, что с Земли интенсивность эмиссионного излучения азота должна была выглядеть даже большей для 1I/2017 U1, чем для C/2016 R2. Однако никакой синей комы у 1I/2017 U1 не наблюдалось.

Какие-либо признаки эмиссионных линий азота также полностью отсутствуют в спектре 1I/2017 U1. На изображении ниже - пара полученных спектров 1I/2017 U1. Эмиссионные линии азота на 0,39 мкм, 0,425 мкм, 0,47 мкм, а также несколько "красных" линий в диапазоне 0,64-0,7 мкм - полностью отсутствуют.

Учитывая полное отсутствие наблюдаемой в видимом диапазоне эмиссионной комы N₂⁺ вместе с полным отсутствием признаков азота в спектре, придётся гипотезу азотного льда признать опровергнутой.

Экзотические формы материи

Сохраняется возможность того, что межзвёздное пространство преимущественно заполнено некими экзотическими объектами вместо ожидаемых комет. Ведь когда-то о нейтронных звёздах тоже ничего не знали и объяснить имеющимися на тот момент загадочные повторяющиеся радиоимпульсы тоже не могли. Здесь может быть 2 направления:

1. Барионная материя

2. Небарионная ("тёмная") материя

В случае барионной материи - она наблюдаема. Учёные могут непосредственно наблюдать все стадии формированих других звёзд, планет и даже транзиты экзокомет. В этом случае все наблюдательные признаки малых тел, выбрасываемых при формировании планетных систем в межзвёздное пространство, давно изучены и предсказаны. Значит это должно быть что-то принципиально другое. Некий механизм образования макроскопических объектов. Так как кометный механизм ускорения 1I/2017 U1 уже исключён, то возможно лишь ускорение солнечным светом. То есть объекты должны быть либо достаточно прочным "аэрогелем" (чтобы выдерживать наблюдаемое вращение, при плотности примерно как у воздуха), либо тонкими листами. На данный момент никаких гипотез образования таких объектов не известно. Когда они появятся, возможно они смогут конкурировать с гипотезой об искуственном происхождении 1I/2017 U1. В случае небарионной материи ситуация такая же - нет никаких гипотез, описывающих такие объекты.

Известно, что источником всей пыли в космосе изначально являются звезды, завершающие свой жизненный цикл - красные гиганты. То есть первичная пыль, из которой потом формируются все кометы, астероиды и частично - планеты - вся образовалась в атмосферах красных гигантов. Внешние слои атмосфер красных гигантов конвективны. Конденсирующиеся пылинки могут удерживаться от субдукции давлением излучения, в то время как нейтральный газ прозрачен для излучения и может свободно "проваливаться". Таким образом, можно предположить, что в местах субдукции пыль будет скапливаться наподобие пены на поверхности кипящего супа и "слипаться" в более крупные агрегаты. Так как красные гиганты постоянно сбрасывают свои внешние слои, пока не преврататся в планетарную туманность, то такие рыхлые куски слипшейся пыли будут попадать в межзвёздное пространство вместе со всей остальной образующейся пылью. В наименее модифицированном виде первичная пыль ("stardust") встречается в метеоритах, поэтому в метеоритах также должны быть следы таких агрегатов. Пока что этого обнаружено не было, но возможно когда-то такие признаки найдены будут. Но всё это - чистейшая спекуляция (даже не гипотеза), никаких расчётов этого пока нет.

Искуственный объект

Каким же образом гипотеза искуственного происхождения объясняет свойства 1I/2017 U1? Возвращаемся к списку аномалий:

1. Отсутствие кометной активности - искуственных объектов в Галактике больше (по количеству, но не по массе), чем межзвёздных комет, поэтому то, что мы обнаружили, могло оказаться не кометой, а искуственным объектом.

2. Амплитуда яркости примерно в 10 раз - искуственный объект гораздо вероятнее имеет произвольную форму, отличную от формы картошки.

3. Низкая скорость объекта относительно LSR - прямо связано с относительно малым (по галактическим меркам) возрастом - искуственные объекты производятся преимущественно в окрестностях "молодых" звезд и формирующихся планет, где "строительный" материал ещё не свалился в гравитационные ямы планет, а относительные скорости между звёздами минимальны, что делает расселение по всей Галактике максимально энергетически эффективным (соседней звезды можно достичь хоть со скоростью "Вояджеров", хоть и долго).

4. Дополнительное (негравитационное) ускорение - следствие формы тонкого листа (см. п. 2) и давления солнечного света.

Известно, что земная жизнь произвела большое количество космического мусора. Иногда астрономы принимают его даже за новые астероиды. В принципе, законы физики одинаковы для всей Галактики, поэтому любые космические зонды, ракеты или корабли должны иметь сходные элементы конструкции - топливные баки, двигатели и прочее. Различные тонкие оболочки также неизбежны, так как они служат цели минимизации массы. То есть условные инопланетяне будут делать топливные баки и герметичные отсеки также с наименее толстыми стенками, экономя на массе.

В качестве заключения нужно привести здесь цитаты из одной интересной статьи в СМИ о наблюдениях за околоземным космическим мусором:

Ученые Баллистического центра ИПМ имени М.В.Келдыша РАН-ФАНО имеют теперь возможность —собирать измерительную информацию о космических объектах на геостационарной (36 000 км над Землей) и высокоэллиптических орбитах (перигей в области низких орбит и апогей до 40 000 км), а так же круговых полусуточных орбитах типа Глонасс-GPS (21 000км).

Благодаря этим наблюдениям появилась информация о новом классе объектов с удивительными характеристиками: совсем маленькая масса и огромная площадь. Скорее всего это какие-то летающие пленки, которые либо образуются при разрушениях спутников и ступеней ракет, либо просто отслаиваются даже от рабочих космических аппаратов.  В результате получается этакий "искусственно-естественный" солнечный парус: приспособление, использующее для движения давление солнечного света.

На этом удивительные сходства 1I/2017 U1 с "обычным", "нашим" космическим мусором не заканчиваются:

Эти пленки еще интересны тем, что они имеют сильно переменный блеск. Иногда подобные объекты открываются на маленьком телескопе, а на большом их при этом не видно. Некоторые обсерватории имеют по несколько телескопов различного размера, например Крымская. У них там есть телескоп 2,6 м – очень большой, и маленький — 22 см. И вот они видят эту пленку на 22 см телескопе, а когда переходят на телескоп 2,6 м, для того, чтобы провести фотометрические наблюдения, которые могут помочь понять из какого материала она состоит, — вообще не видят. Переходят обратно – на 22см  — видят! Вероятно, так происходило потому, что пленка поворачивалась к Земле своим ребром и теряла блеск.

То есть для космического мусора характерна такая же амплитуда яркости, как и для 1I/2017 U1. Таким образом, среди существующих на данный момент гипотез - космический мусор - является наиболее предпочтительной и непротиворечивой.