Оумуамуа — решение парадокса Ферми

1. Парадокс Ферми

...во Вселенной должно существовать значительное количество технологически развитых цивилизаций. С другой стороны, отсутствуют какие-либо наблюдения, которые бы это подтверждали. Ситуация является парадоксальной и приводит к выводу, что или наше понимание природы, или наши наблюдения неполны и ошибочны. Как сказал Энрико Ферми: «ну, и где они в таком случае?»... - Парадокс Ферми (Википедия)

Строго говоря, условные инопланетяне, однажды освоившие космос и заселившие всю Галактику, не обязаны высаживаться на Землю и махать нам лапкой. Они должны искать оптимальные условия для своего существования и продолжения экспансии, которых на Земле, вероятно, нет. Земля является довольно глубокой гравитационной ямой, которая затрудняет экспансию, то есть, её лучше "объехать" стороной.

Согласно Ферми, могли бы быть три вида доказательств: наличие зондов, кораблей или радиопередач. Однако ничто из этого человечество не обнаружило. - Парадокс Ферми (Википедия)

С другой стороны, в космосе мы всё равно должны наблюдать некие сигналы или артефакты, которые сложно объяснить естественным происхождением. Важно, что парадокс Ферми можно считать разрешённым не только когда есть доказательства искуственного происхождения какого-либо объекта, но и также когда есть затруднения в объяснении происхождения какого-либо объекта естественным образом.

Почти ровно 4 года назад случилось открытие первого межзвёздного объекта "Оумуамуа", который до сих пор остаётся загадкой для учёных. В этой статье я попробую объяснить, почему это открытие очень важно и как оно (наконец) решает парадокс Ферми. Но для начала - небольшое введение.

2. Открытие первых межзвёздных малых тел

В Солнечной Системе астрономы наблюдают множество планет и малых тел - комет и астероидов. Все они гравитационно связаны с Солнцем, то есть движутся по замкнутым траекториям вокруг него. Иногда кометы в результате гравитационных возмущений оказываются на незамкнутой (гиперболической) траектории. Тогда они навсегда покидают Солнечную Систему и становятся частью межзвёздной среды Галактики.

Нет никаких оснований полагать, что другие звёзды ведут себя иначе. Множество звёзд Галактики должны выбрасывать в межзвёздное пространство огромное количество комет. Рано или поздно некоторые из них должны попадать в окрестности Солнца и становиться наблюдаемыми. Отличительной чертой таких комет должна быть явно гиперболическая траектория относительно Солнца, указывающая, что комета пришла из межзвёздного пространства (и туда же уйдёт). Однако многие десятки лет астрономы пытались обнаружить хоть одну комету межзвёздного происхождения, но это не удавалось. Но всё изменилось в 2017 г.

2.1. 1I/2017 U1 "Оумуамуа"

25 октября 2017 сотрудники центра малых планет (MPC) пишут следующий комментарий для одного из объектов:

Further observations of this object are very much desired.  Unless there
are serious problems with much of the astrometry listed below, strongly
hyperbolic orbits are the only viable solutions.  Although it is probably
not too sensible to compute meaningful original and future barycentric orbits,
given the very short arc of observations, the orbit below has e ~ 1.2 for
both values.  If further observations confirm the unusual nature of this
orbit, this object may be the first clear case of an interstellar comet.

Некий очень тусклый объект размером всего порядка сотни метров пришёл из направления созвездия Лиры, сделал "крюк" около Солнца и прошёл совсем близко от Земли, когда его обнаружили.

Тут же была подключена вся мощь астрономических инструментов со всего мира, уже удаляющийся объект наблюдали на крупнейших телескопах как на Земле, так и на орбите, в том числе "Хаббл" и "Спитцер". Первые наблюдения показали некоторые отличия объекта от комет Солнечной Системы - объект выглядел как точка, то есть скорее как астероид, чем как комета.

То есть получается, что ожидали комету в качестве первого межзвёздного гостя, а обнаружили нечто другое. В результате 1I/2017 U1 получает почётные лавры первого межзвёздного объекта, но не кометы.

2.2. 2I/2019 Q4 "Борисов"

В сентябре 2019 г российским астрономом Геннадием Борисовым был открыт 2-й межзвёздный объект. Всё начиналось как открытие очередной новой кометы, которых известно уже несколько тысяч, Геннадий Борисов сообщил о своём открытии следующее:

На странице NEOCP висит мой объект gb00234.
Вполне вероятно, что это может быть новая комета.

Для новой кометы "по традиции" предположили параболическую орбиту, что оправдано в большинстве случаев. Но по мере подключения других астрономов и уточнения орбиты, начали накапливаться неувязки, что вызвало подозрения. Автоматический вывод наиболее подходящей траектории начал намекать на гиперболу:

Прочекал орбиту через Findorb - показывает e=2.56 +/- 0.37. Пока что при e=1 показывает нормальную орбиту без серьёзных неувязок, но это как-то подозрительно

Это было сродни грому среди ясного неба: перед астрономами возникло редчайшее явление - новый межзвёздный объект, причём явно являющийся кометой.

Дальнейшие исследования показали, что размер ядра кометы 2I/2019 Q4 также очень мал - не более 500 м в поперечнике. Кроме того, комета выглядела совершенно типичной среди известных комет по химическому составу комы (облака выбрасывемых пыли и газов, окружающих ядро кометы). То есть в данном случае астрономы получили наконец именно то, что и ожидали.

3. Аномальные свойства Оумуамуа

Первый открытый межзвёздный объект обладает целым рядом аномальных свойств. Каждое такое свойство можно с очень большой натяжкой попытаться объяснить естественным происхождением. Однако целый ряд - однозначно нет. Всё это заставляет заподозрить искуственное происхождение 1I/2017 U1. Рассмотрим каждую из "странностей" подробнее.

3.1. Отсутствие кометной активности

Согласно имеющимся теориям формирования планетных систем, подавляющая доля формирующихся и выбрасываемых в межзвёздное пространство малых тел содержат в себе летучие вещества, делающие их кометами при сближении с Солнцем. Практически всё, что приходит из нашего Облака Оорта - это кометы, доля астероидов в нём очень мала (не более 1 %). Состав нашего Облака Оорта должен совпадать с составом межзвёздных объектов. Кроме того, кометы, содержащие в себе замерзшие летучие вещества, намного легче обнаружить, так как при сближении с Солнцем у них неизбежно возникает окружающее облако газа и пыли, которое видно намного лучше и дальше.

Однако в случае с 1I/2017 U1 это почему-то не так. Признаки кометной активности искали в разных диапазонах самыми мощными телескопами мира, но увы, так ничего обнаружить не удалось, ни сопутствующей пыли, ни эмиссионных линий газов. Это само по себе довольно странно, так как первый попавшийся случайный объект из межзвёздной среды с высокой долей вероятности (~ 99%) должен выглядеть именно как комета.

3.2. Амплитуда яркости

Наблюдаемая яркость 1I/2017 U1 менялась примерно в 10 раз каждые 8 часов.

Чтобы объяснить такое поведение кривой яркости, есть 2 варианта:

1. Объект имеет разное альбедо с разных сторон (половина очень светлая, другая - очень тёмная). Это объяснение не годится, так как подобное не наблюдается среди известных малых тел. Позднее этот вариант также был отвергнут детальным моделированием кривой блеска.

2. Объект имеет большое соотношение размеров (отношение длины к ширине или толщине около 10 или более). Здесь возможны ещё 2 варианта:

   1. Объект вытянут как палка.

   2. Объект сплющен как плитка.

   Дальнейший анализ кривой блеска показал, что вариант сплющенной формы намного более вероятен, чтобы объяснить наблюдаемое изменение яркости, чем вариант "палки".

Практически никогда ничего подобного в Солнечной Системе не наблюдалось. Среди многих тысяч известных астероидов максимальная амплитуда яркости наблюдалась у астероида 2003 SD220 - 2 звездные величины (равно изменению яркости примерно в 6 раз):

Что на целую 1 величину (в 2,512 раз) меньше, чем амплитуда яркости 1I/2017 U1. То есть, 1I/2017 U1 должен быть ещё в раза в 2 длиннее при той же самой толщине, чем известный астероид 2003 SD220:

Ещё раз нужно подчеркнуть - ничего подобного в Солнечной Системе почти не наблюдается. Но и это ещё не всё. Теоретически, можно объяснить вытянутую форму кометы или астероида приливным растяжением. Но как уже упоминалось выше, форма 1I/2017 U1 скорее ближе к плоскому "блину", чем к вытянутой "сосиске", согласно анализу кривой яркости. А это уже очень сложно объяснить естественным происхождением.

Таким образом, вероятность того, что первый попавшийся межзвёздный объект будет иметь такую редкую амплитуду яркости составляет примерно 1 к 10 тысячам. Умножая эту вероятность на вероятность отсутствия кометной активности (1%) получаем вероятность случайной встречи такого объекта равной 1 к миллиону.

3.3. Принадлежность к тонкому диску Галактики

Галактическая траектория 1I/2017 U1 также довольно любопытна. Объект появился в небе из направления так называемого солнечного апекса. Солнечный апекс - это направление, куда движется Солнечная Система по отношению к окружающим звёздам, находится он в созвездии Геркулеса (близко к созвездию Лиры). Это говорит о том, что Солнечная Система скорее сама налетела на "неподвижный" 1I/2017 U1. Кроме того, скорость объекта говорит о том, что 1I/2017 U1 скорее всего находился в состоянии почти полного покоя относительно LSR (среднего движения ближайших звёзд вокруг центра Галактики).

Казалось бы, это говорит в пользу естественного происхождения 1I/2017 U1 - что это за корабль пришельцев, который никуда не движется? Однако такая малая скорость относительно LSR встречается в окрестностях Солнца лишь у 1-й из 500 звёзд. Учитывая, что распределение векторов скоростей должно точно повторять таковое для звёзд, выходит, что вероятность случайно быть очень низкой относительно LSR составляет 0,002.

Умножая это на предыдущую вероятность, получаем шансы на случайную встречу такого объекта равные 1 к 500 миллионам.

3.4. Негравитационная траектория

На всём этом сюрпризы не закончились. По результатам наблюдений на космическом телескопе им. Хаббла, оказалось, что объект за время наблюдений набрал избыточную скорость в 17 м/с и сместился со своей траектории на заметное расстояние. Это могло означать только то, что во время наблюдений на объект действовала некая дополнительная сила, толкающая его в направлении от Солнца. Вариантов объяснения этого можно предположить всего 2:

1. Кометная активность.

   Объект выбрасывает газ/пыль, создавая реактивную силу. Вектор результирующей силы направлен от Солнца потому что выбросы происходят преимущественно на освещённой Солнцем стороне.

2. Давление солнечного излучения.

С вариантом кометной активности сразу же возникают серьёзные проблемы. Во-первых, кометная активность объекта уже была исключена ранее наблюдениями - ни спектральных линий газов, ни пыли обнаружено не было. Для увязки кометной активности с наблюдаемым негравитационным ускорением нужно, чтобы объект во время наблюдений потерял примерно 10% своей массы, но при этом не наблюдалось бы хоть сколько нибудь заметного облака газа и пыли. Для этого нужно, чтобы пыли было очень мало, а средний размер пылинок был больше 1 мм (так суммарная площадь будет меньше при той же массе). При этом, в состав летучих веществ должна входить только чистая вода, что также совершенно невероятно для комет и никогда прежде не наблюдалось. Любые другие известные кометные примеси, такие как CO₂, CO, N₂, HCN, CH₄, NH₃, привели бы к хорошо заметным эмиссионным линиям. Более того, проект Breackthrough Listen специально искал признаки воды в радиодиапазоне и ничего обнаружено не было.

Вместе с тем, величина негравитационного ускорения при полном отсутствии признаков кометной активности была на уровне самых "гиперактивных" комет:

После этого кометную активность придётся исключить и остаётся только вариант ускорения 1I/2017 U1 под действием солнечного давления. Это - очень "плохой" вариант, так как он сразу же означает, что масса 1I/2017 U1 составляет максимум несколько тонн при размерах порядка футбольного стадиона. То есть либо это какой-то невесомый "аэрогель", либо тончайший лист (не толще 1 мм) из обычного материала.

4. Выводы

1. 1I/2017 имеет форму тонкого листа

   Форма тонкого листа вполне хорошо объясняет наблюдаемую кривую блеска, которую сложнее объяснить в случае "аэрогеля" и "толстой" формы объекта.

2. 1I/2017 U1 - объект искуственного происхождения

   На текущий момент астрономия не предлагает никаких гипотез образования экстремально рыхлых ("аэрогель") или экстремально тонких ("лист") объектов в таком количестве, чтобы можно их было случайно встретить также часто, как и обычные межзвёздные кометы, такие как 2I/2019 Q4. Вместе с тем, что набор остальных аномальных свойств даёт шансы встретить такое только в 1 случае на 500 миллионов, остаётся лишь предположить, что объект является искусственным. Мы впервые действительно встретили нечто, что пока никак не можем объяснить естественным происхождением.

3. 1I/2017 U1 - космический мусор

   Так как объект практически покоился относительно LSR до встречи с Солнечной Системой можно сделать вывод, что самостоятельно он никуда не двигался. Скорее всего он был выброшен из окрестностей какой-то молодой звезды с небольшой относительной скоростью и так и остался висеть в тонком диске Галактики. Подобно разгонным ступеням лунных зондов, которые промахнувшись мимо Луны оказываются на гелиоцентрической орбите. Известны случаи, когда спустя многие годы их принимали за астероиды. Это означает, что это никакой не корабль пришельцев. Законы физики одинаковы для всех - пришельцы, кем бы они ни были, должны куда-то целенаправленно двигаться, чтобы успеть прибыть к цели до того, как все ресурсы на борту кончатся. И закон физики этот - это закон неубывания энтропии в замкнутой системе, приближением к которой будет любой звездолёт в межзвёздном пространстве.

   То есть встреча с объектом 1I/2017 U1 - случайна. Из этого следует, что такого мусора в межзвёздном пространстве должно быть много. Галактика должна представлять из себя настоящую свалку. Учёные рассчитали, что чтобы мы могли встретить такой объект хотя бы однажды, каждая звезда Галактики должна выбросить их порядка 10¹⁵ штук за время своей жизни. Зная массу 1I/2017 U1 (порядка нескольких тонн) можно прикинуть, что это равно массе средненького астероида размером 100-150 км. А для всей Галактики масса всего мусора тогда будет примерно равно массе Юпитера.

4. Солнечная Система никому не нужна

   Солнечная Система - штука старая и бестолковая по сравнению с местом происхождения 1I/2017 U1. В тонком диске Галактики, плотность звёзд максимальна, а значит минимальны относительные скорости и расстояния между звёздами. Это делает расселение по Галактике максимально эффективным. Чтобы из тонкого диска Галактики попасть в Солнечную Систему, нужно не только попасть в неё, но и дополнительно изменить скорость на 20-30 км/с, чтобы выровнять свою скорость. Учитывая, что в тонком диске Галактики куда больше близких звёзд с меньшей разницей в скорости, это делает любой целенаправленный полёт к звёздам типа Солнца невыгодным. В силу своего возраста (4,5 млрд. лет) Солнце уже находится на "отшибе" Галактики и движется по невыгодной орбите.

   Кроме того, экспансия пришельцев или самореплицирующихся зондов (не важно) по Галактике будет скорее направлена на молодые звёзды с протопланетными дисками, где строительный материал, необходимый для экспансии, ещё не оказался на дне гравитационных ям планет.