Когда Оумуамуа пересек нашу Солнечную систему в 2017 году, он стал первым подтверждённым межзвёздным объектом (ISO), совершившим это. Затем в 2019 году комета 2l/Борисов сделала то же самое. Это единственные два подтвержденных ISO, посетивших нашу Солнечную систему.
За долгую историю нашей Солнечной системы ее посетило 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 может захватить планету-изопланету или блуждающую планету таким же образом, как некоторые планеты захватили луны.
Все сводится к фазовому пространству.
Что бы случилось с нашей зрелой, уравновешенной Солнечной системой, если бы она внезапно приобрела еще одного члена? Это зависело бы от массы объекта и конечной орбиты, на которой он оказался.
Это интересный мысленный эксперимент; в то время как Борисов и Оумуамуа были объектами поменьше, более массивная планета-изгой, присоединяющаяся к нашей Солнечной системе, могла бы сгенерировать орбитальный хаос. Это могло бы потенциально изменить ход жизни на Земле, хотя это крайне маловероятно.
Насколько вероятен этот сценарий? В новой исследовательской заметке в Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy описывается, как наша Солнечная система может захватить ИСО. Ее авторами являются Эдвард Белбруно из Университете Йешива и Джеймс Грин, ранее работавший в NASA, а теперь работающий в Space Science Endeavours.
Фазовое пространство — это математическое представление, описывающее состояние динамической системы, такой как наша Солнечная система. Фазовое пространство использует координаты, которые представляют как положение, так и импульс.
Это похоже на многомерное пространство, которое содержит все возможные орбитальные конфигурации вокруг Солнца. Фазовое пространство фиксирует состояние динамической системы, отслеживая как позиционные, так и импульсные характеристики. Фазовое пространство нашей Солнечной системы имеет точки захвата, где ИСО может оказаться гравитационно связанным с Солнцем.
Фазовое пространство является сложным и основано на гамильтоновой механике. Такие вещи, как эксцентриситет орбиты, большая полуось и наклон орбиты, все это входит в него. Его лучше всего понимать как многомерный ландшафт. Фазовое пространство нашей Солнечной системы включает два типа точек захвата: слабые и постоянные.
Слабые точки захвата — это области в пространстве, где объект может быть временно втянут в полустабильную орбиту. Эти точки часто находятся там, где сходятся внешние края гравитационных границ объектов. Они больше похожи на гравитационные толчки, чем на орбитальное принятие.
Постоянные точки захвата — это области в пространстве, где объект может быть навсегда захвачен на стабильную орбиту. Угловой момент и энергия объекта — это точная конфигурация, которая позволяет ему сохранять орбиту. В планетарных системах эти постоянные точки захвата — это 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. Незначительные изменения координат фазового пространства могут позволить объектам переходить между постоянными состояниями захвата и слабыми состояниями захвата. По той же причине, незначительные различия в ИСО или планетах-изгоях могут привести их в эти точки.
В своих исследовательских заметках авторы описывают постоянный захват ИСО следующим образом: «Постоянный захват малого тела P около Солнца S из межзвездного пространства происходит, когда P никогда не может вернуться обратно в межзвездное пространство и остается захваченным в пределах Солнечной системы на все будущее время, двигаясь без столкновений с Солнцем».
Пуристы заметят, что ничто не может быть неизменным во все времена, но суть остается прежней.
Другие исследователи углубились в этот сценарий, но эта работа идет на шаг дальше. «Помимо того, что P постоянно захвачен, он также слабо захвачен», — пишут они.
Она вращается вокруг печально известной и трудноразрешимой задачи трех тел. Также в отличие от предыдущих исследований, в которых в качестве третьего тела использовался Юпитер , эта работа использует в качестве третьего тела приливную силу галактики, наряду с P и S.
«Эта приливная сила оказывает заметное влияние на структуру фазового пространства для рассматриваемого нами диапазона скоростей и расстояний от Солнца», — объясняют они в своей статье.
В статье рассматривается теоретическая природа фазового пространства и ИСО-захвата. В ней изучаются «динамические и топологические свойства особого типа постоянного захвата, называемого постоянным слабым захватом, который происходит в течение бесконечного времени».
Объект в постоянном слабом захвате никогда не вырвется, но и никогда не достигнет постоянной, стабильной орбиты. Он асимптотически приближается к набору захвата, не сталкиваясь со звездой.
Не так много споров о том, что планеты-изгои, вероятно, существуют в больших количествах. Звезды формируются группами, которые в конечном итоге рассеиваются на более обширной территории. Поскольку звезды являются хозяевами планет, некоторые из этих планет будут рассеиваться посредством гравитационных взаимодействий до того, как родственные звезды получат некоторое разделение друг от друга.
«Окончательная архитектура любой солнечной системы будет сформирована путем рассеяния планет друг на друга, а также пролетов звезд соседних формирующихся звездных систем, поскольку близкие сближения могут вытягивать планеты и малые тела из системы, создавая так называемые планеты-изгои», — объясняют авторы.
«В совокупности выбросы планет в результате раннего рассеяния планет и встреч со звездами, а также в ходе последующей эволюции многопланетной солнечной системы должны быть обычным явлением и подтверждают доказательства существования очень большого количества блуждающих планет, свободно плавающих в межзвездном пространстве, число которых, возможно, превышает число звезд», — пишут авторы, отмечая, что это утверждение является спорным.
Так что же все это значит?
Исследователи разработали поперечное сечение захвата для фазового пространства Солнечной системы, а затем подсчитали, сколько планет-изгоев находится в окрестностях нашей Солнечной системы.
В нашем солнечном районе, который простирается на радиус в шесть парсеков вокруг Солнца, есть 131 звезда и коричневый карлик. Астрономы знают, что по крайней мере несколько из них содержат планеты, и все они вполне могут содержать планеты, которые мы пока не обнаружили.
Каждый миллион лет около двух наших звездных соседей оказываются на расстоянии нескольких световых лет от Земли. «Однако ожидается, что шесть звезд пройдут близко в течение следующих 50 000 лет», — пишут авторы.
Внешняя граница Облака Оорта находится примерно в 1,5 световых годах, поэтому некоторые из этих звездных столкновений могут легко выбить объекты из облака и отправить их во внутреннюю часть Солнечной системы. Это уже случалось много раз, поскольку облако, вероятно, является источником долгопериодических комет.
Исследователи выявили пробелы в фазовом пространстве Солнечной системы, которые могли бы позволить некоторым из этих объектов, а также изопланетам и блуждающим планетам, достичь постоянного слабого захвата.
Это отверстия в сфере Холма Солнца, 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 напротив него.
«Постоянный слабый захват межзвездных объектов в Солнечную систему возможен через эти отверстия», — утверждают авторы. «Они будут хаотично перемещаться внутри сферы Хилла к постоянному захвату около Солнца, занимая произвольно долгое время бесконечно большим числом циклов».
Эти объекты никогда не столкнутся с Солнцем и могут быть захвачены навсегда. «Планета-изгой может нарушить орбиты планет, которые можно будет обнаружить», — заключают они.
Мы все еще находимся на ранних этапах изучения ИСО и планет-изгоев. Мы знаем, что они есть, но не знаем, сколько их и где они находятся. Обсерватория Веры Рубин может открыть нам глаза на эту популяцию объектов. Она может даже показать, как они группируются в одних регионах и избегают других.
Согласно этой работе, если они находятся близко к любому из отверстий в сфере Холма Солнца, то к нам может прийти посетитель, который решит остаться.
