19 октября 2017 года астрономы в рамках обзора Pann-STARRS наблюдали проходящий через нашу систему Межзвездный объект (ISO) – 1I/2017 U1 'Оумуамуа. Это был первый случай обнаружения ISO, что подтвердило, что такие объекты регулярно проходят через Солнечную систему, как и предсказывали астрономы десятилетия назад. Всего два года спустя был обнаружен второй объект — межзвездная комета 2I/Борисова. Учитывая необычную природу Оумуамуа (до сих пор являющуюся источником споров) и информацию, которую ISO может раскрыть о далеких звездных системах, астрономы стремятся поближе познакомиться с будущими посетителями.
Например, было сделано множество предложений по космическим кораблям-перехватчикам, которые могли бы догнать будущие ISO, изучить их и даже провести возврат образцов (как Comet Interceptor ЕКА). В новой статье группы Юго-Западного исследовательского института (SwRI) Алан Стерн и его коллеги изучили возможные концепции и рекомендовали специально созданную роботизированную миссию по облету ISO под названием Interstellar Object Explorer (IOE). Они также демонстрируют, как эту миссию можно выполнить при скромном бюджете с использованием современных космических технологий.
Исследование провел Алан Стерн, главный исследователь НАСА. Новые горизонты миссии и его коллеги из Юго-Западного исследовательского института (SwRI) в Боулдере, штат Колорадо. В их число входили главный научный сотрудник Сильвия Протопапа, менеджер Мэтью Фриман, исследователь/директор Джоэл Паркер и системный инженер Марк Тэпли. К ним присоединились научный сотрудник Корнеллского университета Дэррил З. Селигман и Кейден Андерссон, исследователь из колорадской компании Custom Microwave Inc. (CMI). Их статья появилась 5 февраля 2024 года в журнале. Планетарная и космическая наука.
Межзвездных объектов (ISO) предостаточно!
С тех пор, как Оумуамуа впервые узнал о нашей системе, ученые придали большое значение ISO, которые представляют собой материал, выброшенный из других солнечных систем. Получив образцы и изучив их вблизи, мы могли бы многое узнать о формировании других звезд и планет, фактически не отправляя туда миссии. Мы также могли бы узнать много нового о межзвездной среде (ISM) и о том, как органический материал и, возможно, даже строительные блоки жизни распределяются по галактике (так называемая теория панспермии). Как они заявляют в своей статье:
«ISO представляют собой остатки формирования планетных систем вокруг других звезд. Таким образом, их исследование предлагает важное новое понимание химических и физических характеристик дисков, из которых они произошли. Кроме того, комплексный анализ их состава, геологии и активности прольет свет на процессы формирования и эволюции планетезималей в других солнечных системах.
«Близкие встречи с малыми телами в нашей Солнечной системе значительно расширили наше понимание этих объектов, контекстуализировали наши наземные наблюдения и расширили наши знания о моделях формирования планетезималей. Точно так же пролет ISO обещает оказаться столь же преобразующим. Это станет логическим следующим шагом в изучении ранней истории как нашей Солнечной системы, так и экзопланетных систем».
Более того, популяционные исследования ISO показали, что около семи из них ежегодно проходят через нашу Солнечную систему. Между тем, другие исследования показали, что некоторые из них периодически попадают в плен и до сих пор находятся здесь. Ученые ожидают, что с вводом в эксплуатацию инструментов следующего поколения в конце 2020-х и 2030-х годах произойдет значительный рост количества открытий ISO. Сюда входит строящаяся в настоящее время в Чили обсерватория Веры К. Рубин, которая, как ожидается, увидит свой первый свет в январе 2025 года.
Исследователи ожидают, что обсерватория соберет данные о более чем 5 миллионах объектов пояса астероидов, 300 000 троянов Юпитера, 100 000 околоземных объектов (ОСЗ) и более чем 40 000 объектов пояса Койпера. По их оценкам, за первые десять лет он обнаружит около 15 межзвездных объектов, известных как «Наследие обзора пространства и времени» (LSST), хотя по другим оценкам, до 70 ISO в год. В своем исследовании Стерн и его коллеги предполагают, что любые ISO на расстоянии примерно в два раза больше расстояния между Землей и Солнцем (2 а.е.) будут достаточно яркими, чтобы их можно было обнаружить с помощью LSST.
Цели и инструменты
Как объясняют Стерн и его коллеги в своей статье, предлагаемый ими IOE будет преследовать две основные научные цели. К ним относится определение «состава ISO, чтобы дать представление о его происхождении и развитии». Как уже отмечалось, эти исследования предоставят бесценную информацию о начальных условиях солнечной системы, в которой находится ИСО. В этом отношении МОР будет предоставлять информацию, аналогичную той, которую Новые горизонты Миссия рассказала об объекте пояса Койпера (KBO) Аррокот или о том, как миссия ЕКА Розетта обнаружила строительные блоки жизни на комете 67P/Чурюмова-Герасименко.
Во-вторых, IOE будет определять или ограничивать «природу, состав и источники активности комы ISO, а также определять процессы, ответственные за ее возникновение». [the] наблюдаемая активность». Обычно кома возникает в результате сублимации льда при приближении объектов к звезде, которая высвобождает пылинки и тугоплавкие органические молекулы из ядра. Как показали предыдущие наблюдения, активность комет зависит от солнечного нагрева и собственных физических характеристик кометы. Как выразились Стерн и его коллеги в своей статье:
«Описывая состав и пространственное распределение комы ISO, IOE может напрямую определить основные компоненты целевой ISO, определить механизмы, лежащие в основе активности комы, и углубить наше понимание состава и процессов, существующих в его протопланетном формирующем диске, где планетезимали как будто он формировался… Кроме того, сравнение физических свойств (т. е. химического состава, распределения по размерам, типа смешивания) льдов и огнеупоров в коме с теми, что находятся на поверхности, может дать представление о потенциальных процессах, которые могли изменить поверхности. »
Основываясь на этих научных целях, Стерн и его коллеги составили список инструментов, которые потребуются МНО. К ним относятся:
- Панхроматический формирователь изображения в видимом диапазоне волн с угловым разрешением класса угловых секунд и высоким динамическим диапазоном.
- Формирователь видимой длины волны с тремя фильтрами (мин) и инфракрасным спектрометром, охватывающим диапазон длин волн 1–2,5 мкм (возможно, до 4 мкм) с разрешающей способностью не менее 100.
- Ультрафиолетовый (УФ) спектрометр, охватывающий диапазон длин волн 700–1970 ангстрем (Å) со спектральным разрешением, равным или превышающим 20 Å.
- Панхроматический формирователь изображения в видимом диапазоне волн, а также спектрометры УФ и инфракрасного изображения.
Профиль миссии
Далее — конструкция самого космического корабля, которая продиктована эфемерной природой ISO. Как продемонстрировали Оумуамуа и Борисов, скорость ISO означает, что они, вероятно, останутся незамеченными до тех пор, пока не окажутся близко к внутреннему краю Главного пояса астероидов. Кроме того, их гиперболические траектории означают, что они, скорее всего, будут проноситься вокруг нашего Солнца и станут недостижимыми вскоре после того, как будут обнаружены. Наконец, есть позиционирование самой миссии по перехвату, которое напрямую влияет на способность космического корабля развернуться и достичь целевого ISO.
Для своего исследования Стерн и его команда выбрали место «орбиты хранения» в точке Лагранжа L1 Земля-Луна, расположенной между Землей и Луной. Такое расположение имеет несколько преимуществ, в первую очередь то, что расположенному космическому кораблю необходимо будет генерировать очень небольшую тягу для достижения скорости убегания, а это означает, что большая часть его доступного ускорения (дельта-v) будет направлена на траекторию его перехвата. Эта орбита хранения также означает, что для старта требуется меньше топлива и меньше времени, а также позволяет быстро получить гравитационную помощь при околоземном пролете.
Для своего исследования Стерн и его команда установили предел обнаруживаемости в 2 а.е. и смоделировали ISO со средней скоростью 32,14 км/с (~20 миль в секунду) и ближайшим сближением Солнца 10 а.е. или меньше. Другие ограничения, которые рассматривались, включали положение Земли и ISO на момент ее обнаружения, параметры орбиты ISO, максимальное расстояние, на котором миссия могла перехватить ISO (также известное как «гелиоцентрический радиус перехвата») и относительный скорость между космическим кораблем и ISO. Чтобы эффективно проанализировать эти данные, команда разработала алгоритм для оптимизации траектории перехвата и определения небольшого подмножества ISO, которые можно было бы реально перехватить.
Они смоделировали все эти расчеты в течение 10 лет и (используя предыдущие миссии в качестве прецедентов) вывели несколько ключевых параметров. Как они установили, миссия должна будет иметь ускорение (дельта-v) 3,0 км/с, установить минимальную высоту пролета 400 км (~ 250 миль), перехватить ISO в пределах 3 а.е. от Солнца и достичь скорости облета 100 км/с (62 м/с). Установив эту «сферу заметности», они обнаружили, что шансы на успешный перехват значительно возрастают при более высоких скоростях — от 3 до 3,9 км/с (от 1,86 до 2,4 миль в секунду) — и на расстояниях ближе к 3 а.е.
Изучение ISO — это развивающаяся область астрономических исследований, охватывающая обсерватории нового поколения (такие как Вера Рубин) и предлагаемые миссии по перехвату. Помимо IOE, аналогичные концепции были предложены после обнаружения Оумуамуа и 2I/Борисов, включая проект Лира, предложение Института межзвездных исследований (i4is). Хотя до реализации такой миссии могут пройти годы, подробные исследования, подобные этому, помогут получить информацию для следующего этапа разработки – разработки и тестирования самих концепций миссии.
Стерн и его коллеги признают, что необходимы дополнительные исследования, прежде чем это произойдет, но подчеркивают, что их работа является важным первым шагом. «Потребуется более детальная работа, чтобы лучше подготовить концепцию миссии, которая будет предложена для будущей миссии НАСА», — пишут они, — «но в этом отчете представлены основные цели миссии, ключевые требования и атрибуты в качестве отправной точки».
Дальнейшее чтение: Планетарная и космическая наука
