Группа странно движущихся комет представляет собой нерешённую загадку

Давиде Фарноккья занимается поиском и отслеживанием астероидов, и несколько лет назад он увидел нечто, что не смог объяснить. Фарноккья работает в Центре НАСА по изучению околоземных объектов в Калифорнии. С помощью программ, в создании которых он принимал участие, он следит за всеми известными астероидами и кометами, проносящимися вблизи нашей планеты. Он — картограф, работающий в четырёх измерениях. «Наша работа заключается в том, чтобы предсказывать, как всё движется в космосе», — говорит он. «Поэтому, если появляется что-то новое или неожиданное, это и есть наш прогресс в данной области».

В 2016 году Фарноккья увидел нечто действительно необычное: астероид, известный как 2003 RM, блуждал по космосу, казалось, сам по себе. Его орбита вокруг Солнца сместилась – да так, что одной только гравитацией это было не объяснить. Он даже принял во внимание небольшой импульс, который солнечный свет придаёт космическим камням, но орбита астероида всё равно не соответствовала ожиданиям.

«Происходит что-то ещё», — подумал тогда Фарноккья. Но что? Что-то подталкивало астероид, но никаких признаков чего-то вроде ракетной тяги не было. Он был озадачен не меньше, чем взволнован. «Когда вещи ведут себя не так, как вы ожидаете, это значит, что впереди вас ждёт что-то интересное».

Фарноккья и его коллеги некоторое время размышляли об этом автономно движущемся астероиде, не желая придавать ему слишком большого значения. Но в 2017 году, прежде чем они успели прийти к каким-либо определённым выводам, их прервал посланник с другой звезды. В октябре того года впервые был зафиксирован межзвёздный объект, который нырнул в нашу Солнечную систему, а затем скрылся за её пределами. По мере удаления он резко ускорился — и, как и в случае с 2003 RM, никто не обнаружил никаких признаков движителей, обеспечивающих это ускорение.

Этот межзвёздный интервент, названный Оумуамуа, стал предметом научного и медийного ажиотажа — в то время даже высказывались предположения (без убедительных доказательств), что объект является космическим кораблём пришельцев. Но эта шумиха затмила его необычное сходство с 2003 RM и 13 другими странными небесными телами, которые учёные с тех пор обнаружили в нашей Солнечной системе.

«На снимках эти объекты действительно похожи на астероиды», — говорит Фарноккья. «Но их движение больше похоже на движение комет». Они ведут себя так, как будто их толкают струи, образовавшиеся в результате превращения льда в пар. Но до сих пор не было найдено никаких доказательств существования таких струй.

«Это не может быть простой случайностью», — говорит Дэррил Селигман, планетолог из Мичиганского государственного университета. «Что-то должно придавать им эти ускорения». Поскольку источник их движения не виден, Селигман дал этим 14 странным объектам Солнечной системы довольно броское название: тёмные кометы.

Разгадка загадки этих тёмных комет поможет не только удовлетворить астрономическое любопытство. Если в Солнечной системе есть семейство незаметных комет, то, возможно, именно они когда-то давно доставили воду во внутреннюю часть Солнечной системы. «Мы не знаем, откуда взялись земные океаны», — говорит Селигман. «Это одна из главных причин изучения комет. Как мы здесь появились?» И если эти объекты движутся нестабильно, то траектории их полёта необходимо изучить во всех подробностях — на случай, если какая-нибудь из них в конце концов попытается врезаться в нашу планету.

"Кометы уже сами по себе являются странными объектами», — говорит Федерика Спото, исследователь динамики астероидов из Центра астрофизики | Гарвардского и Смитсоновского университетов. Недавний сюрприз с тёмными кометами означает, что в целом у комет есть ещё больше непонятного. «Мы не знали, что они существуют; мы не знали, что Солнечная система работает таким образом», — говорит Спото.

В отличие от многих космических детективных историй, разгадка этой может появиться довольно быстро. Благодаря двум мощным телескопам, готовым прийти на помощь, учёные надеются «приблизить» эти странные объекты и, возможно, впервые обнаружить кометное газовыделение. И, по удачной случайности, японский космический аппарат, основная миссия которого уже завершена, направляется к одной из таких тёмных комет, чтобы увидеть её вблизи. «Мы получим ответы на вопросы о том, что происходит», — говорит Селигман.

Движение астероидов — каменистых обломков, оставшихся после образования Солнечной системы, — диктуется не только гравитационным притяжением Солнца и других планет. Солнечный свет также играет определённую роль в их судьбе.

Когда частицы солнечного света — фотоны — попадают на космический камень, они оказывают на него небольшое давление. Это заметный, хотя и незначительный эффект. «Давление простого солнечного света, отражающегося от вас, не так уж велико, иначе нас бы всех сдувало каждый раз, когда наступал солнечный день», — говорит Алан Фицсиммонс, астрофизик из Университета королевы Белфаста. Есть ещё эффект Ярковского. Фотоны поглощаются солнечной стороной вращающегося астероида, нагревая его поверхность. Когда нагретая поверхность поворачивается на теневую сторону, она остывает и переизлучает это излучение, которое действует как мини-двигатель, толкающий её.

В 2016 году Фарноккья и его коллеги искали доказательства эффекта Ярковского в каталоге околоземных астероидов. В их отчёте отмечается, что некоторые из этих астероидов, похоже, имели негравитационные ускорения, которые не получалось объяснить, даже когда учёные ссылались на воздействие солнечного света. Они ожидали, что большая часть этих ложных обнаружений будет объяснена ошибками в наблюдениях, а орбиты после коррекции будут выглядеть нормально.

Но один из астероидов упорно отказывался играть по их правилам. «С 2003 RM происходило что-то странное, — говорит Селигман. Он вёл себя так, как будто был ледяной кометой». Неравномерные движения комет обычно легко объяснить. «На поверхности кометы есть лёд, и когда комета подходит достаточно близко к Солнцу, этот лёд сублимируется, что даёт кометам небольшой толчок», — говорит Фарноккья.

Кометное газообразование, как правило, невидимо; его можно наблюдать только с помощью специальных телескопных фильтров. Но пыль, выбрасываемая кометой во время сублимации, хорошо видна. Даже килограмм пыли, каждое зёрнышко которой не шире тысячной доли миллиметра, легко обнаружить: она рассыпается в очень тонкий, но обширный диск, который с энтузиазмом рассеивает звёздный свет. «Пыль можно увидеть на любой длине волны», — говорит Фицсиммонс.

Но 2003 RM выглядел как пятнышко света. Вокруг неё не было газово-пылевой комы, не было хвоста. Издалека он выглядел просто как астероид.

Но это не значит, что он не скрывал в себе запасы испаряющегося льда. «Всё больше людей признают, что астероиды и кометы находятся на концах спектра небесных тел», — говорит Стив Деш, астрофизик из Университета штата Аризона. За последние несколько десятилетий были обнаружены гибриды. Некоторые астероиды содержат много воды и льда.

Кометы любят тусоваться за орбитой Нептуна, где различные вещества — вода, аммиак, углекислый газ и монооксид — могут оставаться в замороженном состоянии. Но, несмотря на то, что они находятся значительно ближе к тёплому сиянию Солнца, несколько объектов с комами и пылевыми хвостами были найдены блуждающими в поясе астероидов между Марсом и Юпитером — как будто они заблудились во время отпуска. Астрономы называют их кометами главного пояса.

Учитывая всё это, было бы неудивительно, если бы 2003 RM внешне напоминал астероид, но время от времени проявлял кометную активность. «Проблема в том, что никто никогда не сообщал ни о коме, ни о пыли от него», — говорит Фицсиммонс. Позднее Селигман, Фарноккья и их коллеги написали работу с названием, как у сказки: «Астероид, который хотел стать кометой». Некоторое время они пребывали в недоумении.
И тут на вечеринку ворвался Оумуамуа.

9 сентября 2017 года странник из далёких краёв совершал ближний пролёт у желтоватой, довольно скромной звезды в пределах орбиты маленького, покрытого кратерами, скалистого мира. Этот странник оставался незамеченным почти восемью миллиардами жителей близлежащей сине-зелёной планеты по имени Земля — по крайней мере, до 19 октября, всего через несколько дней после того, как он прошёл всего в 24 миллионах километров над их головами.

Почти сразу после того, как телескоп на Гавайях заметил объект, астрономы всего мира бросились его отслеживать — и быстро пришли в изумление. Этот камень двигался по чрезвычайно дугообразной траектории, что свидетельствовало о том, что он прибыл не из Солнечной системы, а из места, находящегося далеко за её пределами. Последующие наблюдения показали, что по форме он напоминает то ли блин, то ли сигару, и что он довольно блестящий. Но тот факт, что он ускорился при выходе из Солнечной системы — быстрее, чем можно было бы объяснить гравитационным толчком, который он получил, вращаясь вокруг Солнца, — по-настоящему ошеломил астрономическое сообщество.

Поскольку объект был замечен в тот момент, когда он уже совершал своё бегство, у астрономов было лишь ограниченное время для сбора наблюдений. Блестящий объект, испытывающий негравитационное ускорение, был, по их мнению, скорее всего кометой. Но это ускорение было гораздо сильнее, чем можно было ожидать от обычной кометы, и, несмотря на поспешные поиски, они не увидели никаких признаков кометного газовыделения или выброса пыли.

Это очень напомнило всем «Рандеву с Рамой», — говорит Деш, имея в виду научно-фантастический роман Артура Кларка 1973 года, в котором загадочный цилиндрический космический корабль проходит через Солнечную систему. Объект 2017 года иногда вскользь называли Рамой, прежде чем ему дали официальное гавайское имя: 'Оумуамуа, что означает «посланник издалека, прибывший первым».

Конечно, было забавно думать, что объект со странной формой и невидимыми двигателями — это космический корабль пришельцев, но большинство учёных не воспринимали эту идею всерьёз. Астрофизик из Гарвардского университета Ави Лоеб утверждал, что это мог быть внеземной разведывательный зонд, работающий за счёт давления солнечной радиации. Однако убедительных доказательств в пользу этого утверждения не существует, и астрономы, в том числе Деш, всячески его опровергали. "В прошлом люди не называли непонятные вещи космическими кораблями. Они называли их драконами или феями", — говорит Оливье Хайно, астроном из Европейской южной обсерватории. «Существование чего более вероятно: немного странной кометы, которая ведёт себя не так, как известные нам кометы, или инопланетного космического корабля?»

Справедливости ради стоит отметить, что источник негравитационного ускорения Оумуамуа во время его исхода остаётся неизвестным. Объект навсегда покинул нашу галактическую окрестность, и немногочисленные наблюдения за ним дают лишь подсказки, но не уверенность. Некоторые предполагают, что это был кусок планеты, подобной Плутону, и что шипящий азотный лёд придал ему ракетное ускорение. Другие задаются вопросом, не был ли это сублимирующий водородный айсберг.

В 2023 году Селигман и его коллеги в своей статье предположили, что Оумуамуа все-таки может быть кометой с водяным льдом. Возможно, когда её облучают космическими лучами, частицы воды распадаются на водород и кислород, которые задерживаются в карманах льда, меняющего форму. Когда лёд освещается солнечным светом, он высвобождает этот водородный газ, разгоняя типичную ледяную комету до большой скорости.

Есть небольшой шанс, что Оумуамуа вовсе не вела себя как комета. Давление солнечной радиации могло оттолкнуть её от Солнца, но это сработает только в том случае, если объект имеет очень специфическую форму: «гигантская штука типа снежинки», — говорит Селигман, — что-то вроде ледяного паруса сверхнизкой плотности. Но, по его словам, это, скорее всего, странная комета.

"Оумуамуа интересен тем, что это был первый открытый межзвёздный объект», — говорит Фарноккья, который также внимательно изучал его. Но, что очень важно для тех, кто также размышлял над странными движениями 2003 RM, это был звоночек. Оба объекта двигались подобно кометам, вероятно, за счёт испарения льда, которое не удалось обнаружить. Хотя необычная форма Оумуамуа и разнообразие экзотических ледяных возможностей делали его скорее двоюродным братом 2003 RM, чем родным, его присутствие указывало на то, что 2003 RM, вероятно, был не одинок в нашей Солнечной системе.

Фарноккья и его команда быстро просканировали Солнечную систему в поисках признаков других незаметных, похожих на кометы объектов. В 2023 году Селигман, Фарноккья, Хайнаут и другие объявили о новом открытии — точнее, о шести. Они обнаружили ещё полдюжины объектов, похожих на 2003 RM, каждый из которых демонстрировал необъяснимые негравитационные ускорения и не имел никаких признаков кометной активности, даже когда на них были направлены самые зоркие телескопы в мире.

Начались поиски дополнительных объектов такого типа, и они не заставила себя ждать: к 2024 году команда обнаружила ещё семь, доведя общее число до 14. И вот тут-то всё стало по-настоящему странно.

Как и прежде, воздействие солнечного света на эти новые объекты не могло объяснить их аномальные ускорения. И, как и ожидали учёные, им не удалось обнаружить никаких признаков выброса пыли ни одним из этих 14 камней. Другие астрономы, не участвовавшие в исследовании, не могут найти недостатков в анализах команды. «Они действительно хороши в этом деле», — говорит Фицсиммонс. «В этой работе нет ошибок».

Пыль, вздымаемая с поверхности комет, как известно, очень легко увидеть. Этот факт означает, что когда эти объекты нагреваются Солнцем и их лёд испаряется, они «испускают небольшие струйки, как будто струйки воздуха», — говорит Мэг Швамб, планетарный астроном из Университета королевы Белфаста. Разочаровывало только, что никто не мог увидеть эту пыль.

К этому моменту Селигман заметил нечто очень странное в этих тёмных кометах: их можно было разделить на два разных семейства. Одно семейство, «внешние» тёмные кометы — назовём их «аутсайдерами» — содержало в себе более рефлективные и крупные камни, порядка сотен метров в диаметре или больше. Их название происходит от того, что они находятся ближе к Юпитеру и внешней части Солнечной системы. Их эллиптические орбиты даже напоминают орбиты комет семейства Юпитера; эти объекты обращаются вокруг Солнца менее чем за 20 лет и изначально были родом из пояса Койпера, торообразной полосы ледяных шаров за Нептуном. Астероид 2003 RM — один из таких аутсайдеров.

Затем идут внутренние тёмные кометы, или инсайдеры. Они меньше – до 50 метров в диаметре — и имеют круговые орбиты, расположенные в пределах внутренней Солнечной системы. Объект под названием 1998 KY26, который может быть всего 10 метров в поперечнике, является примером инсайдера.

Команда подозревает, что происхождение внешних объектов легче объяснить. Эти более блестящие объекты с кометными орбитами, вероятно, являются ледяными кометами с ограниченным — и поэтому очень трудно обнаруживаемым — газовыделением и выбросом пыли. Если это так, то они могут дать новый ответ на давний вопрос. «Как умирают кометы?» спрашивает Фицсиммонс. "Мы знаем, что некоторые из них эффектно распадаются на части», особенно если они уподобляются Икару и пролетают слишком близко к Солнцу. Но кажущаяся минимальной кометная активность аутсайдеров позволяет предположить другой механизм: они задыхаются.

Если по мере приближения аутсайдеров к Солнцу испаряющийся водяной лёд выпустит в космос достаточное количество погребённой пыли, большая её часть может упасть обратно на ледяное ядро кометы. Если лёд будет постоянно засыпаться пылью, то он будет всё больше изолироваться от солнечных бликов. Через некоторое время лишь небольшие участки будут испаряться и выбрасывать струйки в космос. Возможно, в конце концов лёд окажется полностью скрытым. «Они покрывают себя одеялом пыли и говорят: „Всё, я перестал быть кометой. Теперь я хочу быть астероидом“", — говорит Фицсиммонс.

Инсайдеров сложнее объяснить, что делает их ещё более интригующими. Одна из загадок заключается в том, что если они проводят всё своё время во внутренней части Солнечной системы под воздействием Солнца, то как у них может остаться лёд, чтобы подпитывать свои спорадические ускорения? Но «по-настоящему странным является их размер», — говорит Фицсиммонс. «Мы никогда не видели активного кометного ядра меньше нескольких сотен метров в поперечнике». Маленькое ядро очень уязвимо для разрушения — либо через нагрев, либо через саморазрушительный манёвр. И все же они есть.

Селигман не уверен, насколько тесно связаны между собой «инсайдеры» и «аутсайдеры». Один из вариантов — аутсайдеры иногда попадают во внутреннюю Солнечную систему, а инсайдеры — это их поздний вариант, который мчится к гибели через обезвоживание. Как вариант, инсайдеры могут быть кометами главного пояса — у которых есть заметные комы и хвосты – которых Солнце выжигало так долго, что они почти полностью высохли, в результате чего они не способны продемонстрировать практически никакой кометной активности.

Наличие 14 таких тёмных комет для изучения — большая удача для команды. Коллекция всё ещё оставляет больше вопросов, чем даёт однозначных ответов, но сегодня начинают проясняться следствия наличия тёмных комет.

Согласно моделям, небольшая часть воды на Земле была создана внутри планеты и изверглась на поверхность в результате вулканизма. Откуда взялась остальная часть? "Очевидный кандидат — кометы, — говорит Хейно. Но поскольку кометы проводят большую часть времени в поясе Койпера или в гораздо более удалённом облаке Оорта, они, по-видимому, слишком далеки от нас, чтобы нести за это ответственность". Тёмные кометы могут быть более близким источником. «Очень легко доставить на Землю материал из пояса астероидов, — говорит Хейно, — и кометы главного пояса, а также внутренние тёмные кометы вполне подходят для этого».

Существование тёмных комет также может иметь значение для планетарной обороны — науки о предотвращении столкновения опасных крупных астероидов и комет с Землёй. Одной из основных задач Фарноккья как сотрудника Центра НАСА по изучению объектов, сближающихся с Землёй, является поиск потенциально опасных астероидов до того, как они найдут нас, поэтому в его интересах (и в интересах всех людей), чтобы мы знали, как рассчитать чуть менее предсказуемые орбиты тёмных комет.

Другими словами, если вы обнаружите крупный околоземный астероид, который никто не идентифицировал ранее, это будет отличным началом. «Но если вы не знаете, где он будет находиться, это бесполезно», — говорит Селигман.

Фарноккья, ветеран планетарной обороны, не слишком обеспокоен. Автоматизированное программное обеспечение, предназначенное для обнаружения и последующего отслеживания движения околоземных астероидов (и комет) в далёком будущем, возможно, ещё не способно точно учитывать странные ускорения тёмных комет. Но в масштабах человеческой жизни «вы всё равно сможете построить логические выводы», — говорит он.

Разделение тёмных комет на два семейства в 2024 году стало заметным шагом вперёд, но учёные, охотившиеся за ними, всё равно не могли не удивляться происходящему. «Что происходит?» спрашивает Фарноккья. Что это за объекты, и почему мы не можем разглядеть ни одной выброшенной с их поверхности пылинки?

Хотя мощнейшие оптические телескопы до сих пор не помогли исследователям, два других скоро смогут помочь им в их поисках. Первый – обсерватория им. Веры К. Рубин, гигантская, широкоугольная цифровая камера, которую собирают на горном хребте в Чили. Она начнёт работу в конце этого года, и всего за несколько месяцев обнаружит миллионы новых астероидов и множество комет, что почти наверняка увеличит популяцию тёмных комет и даст команде больше необычных объектов для изучения.

Второй, если исследователям удастся убедить власть предержащих дать им время на его использование, — космический телескоп им. Джеймса Уэбба. Его инфракрасный прицел позволяет увидеть то, что не видят другие обсерватории, в том числе обычно невидимое газовыделение водяного пара из комет. «„Уэбб“ — это единственный телескоп, который мы можем использовать для измерения газовыделения из комы», — говорит Астер Тейлор, аспирант кафедры планетарной астрофизики Мичиганского университета и поклонник тёмных комет.

В 2023 году «Уэбб» впервые подтвердил наличие водяного пара вокруг кометы главного пояса. Пыль, предположительно отбрасываемая тёмными кометами, может быть неуловимой, но исследователи могут использовать «Уэбб» для поиска газа, который они теоретически могут выделять. «Если они найдут выбросы водяного пара, то это будет решающая улика, — говорит Фицсиммонс, — и дело можно будет закрывать».

Конкуренция за «Уэбб» очень высока, и первоначальное предложение команды по исследованию тёмных комет было отклонено. Учёные рассматривают новую заявку на использование «Уэбба», «и мы надеемся, что на этот раз мы получим её», — говорит Селигман. Даже если они не увидят никакого газовыделения, они всё равно смогут использовать космический телескоп, чтобы получить представление о содержании минералов на поверхности тёмных комет, что может дать информацию о наличии льда.

Однако особенно мотивирует охотников за тёмными кометами тот факт, что японский космический аппарат уже находится на пути к тёмной комете, и управляющие этой миссией в глубоком космосе даже не подозревали об этом до недавнего времени.

Японская миссия Hayabusa2 — одна из величайших в истории охоты за астероидами. Её целью было получить нетронутый образец богатого углеродом астероида Рюгу и доставить его на Землю, чтобы космохимики смогли узнать, содержат ли древние астероиды строительные блоки планет, а также молекулы, из которых могут зародиться биоматериалы. Информация превзошла все ожидания. В 2018 году аппарат достиг Рюгу. В следующем году он выстрелил в астероид, чтобы выкопать кратер, обнажив первобытную материю, а затем подлетел к нему и забрал часть выкопанного.

После того как в 2020 году Hayabusa2 благополучно доставил бесценное сокровище на Землю, он снова отправился в космос, и началась его расширенная миссия. На этот раз он будет выполнять функции планетарной обороны. Теперь его назвали Hayabusa2# (# читается как «sharp», как в англоязычной музыкальной нотации; но здесь это означает Small Hazardous Asteroid Reconnaissance Probe [Малый разведывательный зонд для поиска опасных астероидов]). Сейчас он летит к двум близлежащим астероидам, которые меньше Рюгу, но всё же попадают в диапазон размеров космических камней, которые могут угрожать Земле — просто чтобы проверить их. Он пролетит мимо первого астероида, названного Торифуне, в июле 2026 года, а в 2031 году состоится рандеву с гораздо меньшим объектом 1998 KY26.

И это одна из комет-инсайдеров. «Я удивлён», — говорит Юити Цуда, руководитель проекта японской миссии Hayabusa2. Изначально этот камень был выбран потому, что он небольшой, вращается невероятно быстро и, в отличие от крупных астероидов, которые обычно представляют собой груду обломков, это один целиковый каменный осколок. «Мы решили, что его очень важно изучить для планетарной обороны», — говорит Цуда. Когда несколько лет назад этот объект был выбран в качестве цели, его команда не знала о каких-либо исследованиях тёмных комет.

В 2023 году, отчаявшись собрать больше информации о растущем количестве тёмных комет, Селигман поискал в Интернете более подробные сведения о каждой из них. Когда он ввёл в поиск 1998 KY26, на его экране появился огромный список научных работ. Когда я собрал их воедино, я сказал: «О, вау!» — говорит он, смеясь. "Это была суперсчастливая случайность. Это было как вишенка на торте". Наконец-то на тёмную комету прольётся немного света.

Цуда и его команда всё ещё решают, что делать, когда космический аппарат достигнет 1998 KY26. Они могут попытаться выйти на орбиту тёмной кометы и просканировать её поверхность на предмет наличия льда и минералов, похожих на кометные. Они могут использовать оставшийся снаряд, чтобы взорвать кратер в боку кометы, раскрыв её внутренний состав. Хаябуса2# может даже завершить свою длительную миссию рискованной посадкой на бешено вращающийся камень.

Каким бы ни был выбор в итоге, команда «Тёмной кометы» не может поверить в свою удачу. «Наши японские друзья получат массу удовольствия», — говорит Хейно.

Пока же тёмные кометы остаются загадкой. «Трудно объяснить, как они вообще существуют», — говорит Фицсиммонс. «Просто мать-природа хитрее нас. В этом и заключается суть астрономии — выяснить, как мать-природа делает то или иное. Как это у неё получилось?»

Есть вероятность, что вся эта работа окажется бесполезной. «[Что] если наблюдения состоятся, а мы ничего не увидим?» задаётся вопросом Селигман, — ни газовыделения, ни пыли, только постоянные ускорения, похожие на то, что делают кометы. «Что мы будем думать?» А может быть, к 2031 году обсерватория им .Рубин обнаружит десятки других тёмных комет, «Уэбб» найдёт явные доказательства газовыделения, другие телескопы наконец-то обнаружат заметные пылевые шлейфы, а Hayabusa2# сделает тёмную комету своим последним пристанищем среди звёзд.

Вполне вероятно, что у команды исследователей тёмных комет скоро появятся ответы, а наша Солнечная система станет чуть более предсказуемой. «Не думаю, что я эмоционально подготовился к этому», — говорит Селигман. Он вздыхает. «Мне нравится, когда остаётся какая-то загадка».