Когда Оумуамуа пересек нашу Солнечную систему в 2017 году, это был первый подтвержденный межзвездный объект (ISO), сделавший это. Затем в 2019 году то же самое сделала комета 2l/Борисова. Это единственные два подтвержденных ISO, посетившие нашу Солнечную систему. За долгую историю нашей Солнечной системы должно было побывать гораздо больше ISO, и еще больше посетят ее в будущем. Очевидно, что таких объектов больше, и ожидается, что будущая обсерватория Веры Рубин обнаружит еще больше.
Вполне возможно, что Солнце могло бы захватить ISO или планету-изгоя точно так же, как некоторые планеты захватили спутники.
Все сводится к фазовому пространству.
Что случилось бы с нашей зрелой и спокойной Солнечной системой, если бы она внезапно приобрела еще одного члена? Это будет зависеть от массы объекта и возможной орбиты, на которой он окажется. Это интересный мысленный эксперимент; в то время как Борисов и Оумуамуа были меньшими объектами, более массивная планета-изгой, присоединяющаяся к нашей Солнечной системе, могла бы вызвать орбитальный хаос. Потенциально это может изменить ход жизни на Земле, хотя это маловероятно.
Насколько вероятен этот сценарий? В новой исследовательской заметке в журнале «Небесная механика и динамическая астрономия» описывается, как наша Солнечная система может захватывать ISO. Она называется «Постоянный захват Солнечной системы», и ее авторами являются Эдвард Белбруно с факультета математических наук Университета Ешива и Джеймс Грин, ранее работавший в НАСА, а теперь из Space Science Endeavours.
Фазовое пространство — это математическое представление, описывающее состояние динамической системы, такой как наша Солнечная система. В фазовом пространстве используются координаты, которые представляют как положение, так и импульс. Это похоже на многомерное пространство, содержащее все возможные орбитальные конфигурации вокруг Солнца. Фазовое пространство фиксирует состояние динамической системы, отслеживая характеристики положения и импульса. В фазовом пространстве нашей Солнечной системы есть точки захвата, в которых ISO может оказаться гравитационно связанным с Солнцем.
Фазовое пространство сложное и основано на гамильтоновой механике. На это влияют такие вещи, как эксцентриситет орбиты, большая полуось и наклонение орбиты. Фазовое пространство лучше всего понимать как многомерный ландшафт.
Фазовое пространство нашей Солнечной системы включает в себя два типа точек захвата: слабые и постоянные.
Слабые точки захвата — это области в космосе, где объект может быть временно выведен на полустабильную орбиту. Эти точки часто находятся там, где встречаются внешние края гравитационных границ объектов. Они больше похожи на гравитационные толчки, чем на орбитальное усыновление.
Постоянные точки захвата — это области в космосе, где объект можно навсегда вывести на стабильную орбиту. Угловой момент и энергия объекта представляют собой точную конфигурацию, позволяющую ему сохранять орбиту. В планетных системах эти постоянные точки захвата представляют собой стабильные орбитальные конфигурации, которые сохраняются в течение чрезвычайно длительных периодов времени.
Фазовое пространство нашей Солнечной системы чрезвычайно сложно и включает в себя множество движущихся тел и их меняющиеся координаты. Небольшие изменения в координатах фазового пространства могут позволить объектам переходить между состояниями постоянного захвата и состояниями слабого захвата. Точно так же тонкие различия в ISO или планетах-изгоях могут привести их в эти точки.
В своей исследовательской заметке авторы описывают постоянный захват ISO следующим образом: «Постоянный захват небольшого тела P около Солнца, S, из межзвездного пространства происходит, когда P никогда не может уйти обратно в межзвездное пространство и остается захваченным. внутри Солнечной системы на протяжении всего будущего времени, двигаясь без столкновения с Солнцем». Пуристы заметят, что ничто не может оставаться одинаковым во все времена, но суть остается в силе.
Другие исследователи углубились в этот сценарий, но эта работа идет еще дальше. «Помимо того, что P постоянно захвачен, он еще и слабо захвачен», — пишут они. Он вращается вокруг общеизвестно трудной для решения задачи трех тел. Также в отличие от предыдущих исследований, в которых Юпитер используется в качестве третьего тела, в этой работе в качестве третьего тела наряду с P и S используется приливная сила галактики. «Эта приливная сила оказывает заметное влияние на структуру фазового пространства для скорости диапазон и расстояние от Солнца, которые мы рассматриваем», — объясняют они в своей статье.
В статье основное внимание уделяется теоретической природе фазового пространства и захвату ISO. Он изучает «динамические и топологические свойства особого типа постоянного захвата, называемого постоянным слабым захватом, который происходит в течение бесконечного времени». Объект, находящийся в постоянном слабом захвате, никогда не ускользнет, но никогда не достигнет устойчивой орбиты. Она асимптотически приближается к множеству захвата, не сталкиваясь со звездой.
Мало кто спорит о том, что планеты-изгои существуют в больших количествах. Звезды формируются в группы, которые в конечном итоге рассеиваются на более обширной территории. Поскольку звезды содержат планеты, некоторые из этих планет будут рассеяны в результате гравитационного взаимодействия до того, как родственные звезды получат некоторое отделение друг от друга.
«Окончательная архитектура любой солнечной системы будет формироваться рассеянием планет между планетами в дополнение к звездным пролетам соседних формирующихся звездных систем, поскольку близкие сближения могут вытягивать планеты и небольшие тела из системы, создавая так называемые планеты-изгои», — сказал он. поясняют авторы.
«В совокупности выбросы планет в результате раннего рассеяния планет и столкновений звезд, а также в последующей эволюции многопланетной солнечной системы должны быть обычным явлением и подтверждают доказательства существования очень большого количества планет-изгоев, которые свободно плавают в межзвездном пространстве. что, возможно, превышает количество звезд», — пишут авторы, отмечая, что это утверждение спорно.
Так что же все это значит?
Исследователи разработали сечение захвата фазового пространства Солнечной системы, а затем подсчитали, сколько планет-изгоев находится в окрестностях нашей Солнечной системы. В окрестностях Солнца, простирающемся на радиус шести парсеков вокруг Солнца, находится 131 звезда и коричневые карлики. Астрономы знают, что по крайней мере на некоторых из них есть планеты, и на всех них вполне могут быть планеты, которые мы еще не обнаружили.
Каждые миллион лет около двух наших звездных соседей приближаются к Земле на расстояние нескольких световых лет. «Однако шесть звезд, как ожидается, пройдут мимо в ближайшие 50 000 лет», — пишут авторы. Внешняя граница Облака Оорта находится на расстоянии около 1,5 световых лет, поэтому некоторые из этих звездных столкновений могут легко вытеснить объекты из облака и направить их во внутреннюю часть Солнечной системы. Это уже случалось много раз, поскольку облако, вероятно, является источником долгопериодических комет.
Исследователи выявили отверстия в фазовом пространстве Солнечной системы, которые могут позволить некоторым из этих объектов, или ISO, или планет-изгоев, достичь постоянного слабого захвата. Это отверстия в сфере Солнечного холма, области, где гравитация Солнца является доминирующей гравитационной силой для захвата спутников. Эти отверстия находятся на расстоянии 3,81 светового года от Солнца в направлении галактического центра или противоположно ему.
«Через эти отверстия возможен постоянный слабый захват межзвездных объектов в Солнечную систему», — заявляют авторы. «Они будут хаотично перемещаться внутри сферы Холма, чтобы навсегда захватить Солнце, что займет сколь угодно много времени на бесконечное количество циклов». Эти объекты никогда не столкнутся с Солнцем и могут быть захвачены навсегда. «Планета-изгой может нарушить орбиты планет, которые можно обнаружить», — заключают они.
Мы все еще находимся на ранней стадии понимания ISO и планет-изгоев. Мы знаем, что они там, но не знаем, сколько их и где. Обсерватория Веры Рубин может открыть нам глаза на эту совокупность объектов. Это может даже показать, как они группируются в одних регионах и избегают других.
Согласно этой работе, если они окажутся близко к любому из отверстий в сфере Солнечного холма, у нас может быть посетитель, который решит остаться.
