Старше Солнца: астрономы нашли новые ключи к разгадке происхождения межзвёздной кометы 3I/ATLAS

Международная команда астрономов под руководством Сириель Опитом из Эдинбургского университета с помощью Очень большого телескопа Европейской южной обсерватории детально изучила химический состав межзвездной кометы 3I/ATLAS. Ученые обнаружили аномально высокое содержание изотопов углерода и азота в газовой оболочке кометы, что указывает на ее формирование в окрестностях древней звезды с низкой металличностью, вероятно, вдвое старше Солнца. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Astronomy, а параллельные данные, подтверждающие эти выводы, были представлены в Nature по итогам наблюдений с помощью космического телескопа Джеймс Уэбб.

История изучения межзвездных объектов началась совсем недавно, по космическим меркам вчера. Первый такой объект, 1I/Оумуамуа, обнаруженный в 2017 году, поразил астрономов своей вытянутой сигарообразной формой и необычным ускорением, но его газовая активность была настолько слабой, что спектральный анализ вещества так и не удалось провести.

Второй гость, 2I/Борисов, открытый в 2019 году, уже явно демонстрировал кометную природу, однако его светимость оказалась слишком низкой для детального изотопного исследования. Третий же визитер, 3I/ATLAS, словно специально создал условия для научного прорыва: он был замечен на подлете к Солнцу и на пике своей активности выделял достаточно газа, чтобы чувствительные приборы могли различить едва заметные спектральные линии молекул цианида. Именно в этих линиях скрыта ключевая информация о происхождении тела.

Для понимания важности изотопных измерений стоит напомнить, что один и тот же химический элемент может существовать в виде разных «версий», с одинаковым числом протонов, но разным количеством нейтронов в ядре. Например, самый распространенный углерод имеет атомную массу 12, но существует и более тяжелый изотоп углерод-13; аналогично для азота — азот-14 и азот-15. Отношение этих редких форм к обычным зависит от температуры и плотности газа в той среде, где формировалось вещество.

В протопланетном диске вокруг молодой звезды эти пропорции запечатлеваются в молекулах льда и органических соединений, а затем, когда комета на миллиарды лет отправляется в межзвездное путешествие, эти «отпечатки» почти не меняются, разве что под воздействием космических лучей, но это влияние невелико. Таким образом, измеряя изотопные отношения сегодня, астрономы читают условия, существовавшие в месте рождения кометы.

И что же они увидели? У 3I/ATLAS содержание углерода-13 и азота-15 относительно легких изотопов оказалось существенно выше, чем у любых комет из облака Оорта или пояса Койпера. Это резкое отклонение не является случайностью — оно прямо указывает на то, что родительская звезда кометы принадлежала к популяции так называемых малометалличных звезд. В астрофизике под «металлами» понимают все элементы тяжелее водорода и гелия. Звезды с низкой металличностью сформировались на ранних этапах эволюции Вселенной, когда еще не прошло достаточно циклов рождения и гибели предшествующих поколений звезд, чтобы обогатить межзвездную среду тяжелыми элементами.

Такие звезды, как правило, старше и холоднее нашего Солнца, а их протопланетные диски беднее сложными молекулами и пылью. Именно в таком «скудном» химическом окружении, вероятно, и возникла 3I/ATLAS, на периферии системы, где температуры были достаточно низкими, чтобы сохранялись летучие соединения, но при этом изотопные соотношения заметно отличались от солнечных.

Одновременное подтверждение этих результатов пришло из космоса. Команда под руководством Мартина Кординера использовала инфракрасный спектрограф космического телескопа Джеймс Уэбб, который способен улавливать даже слабые сигналы от удаляющихся объектов. Их данные не только воспроизвели аномалию по углероду, но и выявили повышенное содержание дейтерия, тяжелого водорода, атом которого содержит нейтрон.

Высокое отношение дейтерия к обычному водороду также является признаком формирования в очень холодной и древней среде, где легкие изотопы водорода могли эффективно обогащаться тяжелыми формами из-за различий в скоростях химических реакций при низких температурах. Этот двойной «удар» — по углероду-азоту и по водороду, делает вывод о возрасте кометы почти неопровержимым. Ученые полагают, что 3I/ATLAS могла сформироваться 9–10 миллиардов лет назад, то есть тогда, когда наша Галактика была молодой, а Солнце с планетами еще даже не начало собираться из газопылевого облака.

Особенно интересно, что эта комета, вероятно, провела почти все свое существование в разреженной межзвездной среде, лишь изредка приближаясь к звезде своей родной системы, а затем была гравитационно выброшена в долгий полет. Ее нынешняя траектория через Солнечную систему лишь короткий эпизод в этой космической одиссее. Сейчас 3I/ATLAS стремительно удаляется от Солнца, ее яркость падает, и наблюдения с помощью VLT подходят к концу. Однако научная ценность уже полученных данных огромна: впервые у астрономов есть возможность сравнить химический состав «своего» и «чужого» планетного материала на уровне отдельных изотопов, а не просто по наличию тех или иных молекул. Это позволяет проверять теории о том, насколько универсальны процессы формирования комет в разных частях Галактики и в разные эпохи.

Стоит подчеркнуть, что поле межзвездных объектов еще очень мало — всего три подтвержденных визитера за последние годы, и каждый из них преподносит сюрпризы. Если Оумуамуа заставил пересмотреть представления о форме и плотности астероидов, а Борисов показал, что кометы других систем могут быть удивительно похожи на наши, то комета 3I/ATLAS добавила принципиально новое измерение — временно́е.

Она не просто объект иного происхождения, она объект иной эпохи, реликт того времени, когда Вселенная была значительно беднее химически, а значит, и условия для возникновения жизни (если она где-то и зарождалась) могли быть кардинально иными. Это заставляет по-новому взглянуть на вопрос о распространенности планетных систем и о том, насколько уникална наша Солнечная система.

Астрономы с нетерпением ждут ввода в строй Чрезвычайно большого телескопа ESO, который будет обладать зеркалом диаметром 39 метров, почти в четыре с половиной раза больше, чем у VLT. Его светособирающая способность и новые спектрографы позволят изучать химию даже тех межзвездных комет, которые будут в десятки раз тусклее 3I/ATLAS. А значит, в ближайшие годы мы, вероятно, получим не просто отдельные «фотографии» далеких систем, а полноценную статистическую выборку, которая покажет, насколько разнообразны или, наоборот, однотипны планетные строительные блоки в разных уголках Млечного Пути.

В сухом остатке исследование 3I/ATLAS дает астрофизикам первый надежный изотопный «портрет» межзвездного тела, и этот портрет свидетельствует о его рождении в древней, бедной тяжелыми элементами системе, возраст которой вдвое превышает возраст Солнца. Это не просто рекорд или курьез, это эмпирическое доказательство того, что кометные материалы могут сохранять неизменными свои химические пропорции в течение миллиардов лет и служить своеобразными «маяками» из прошлого Галактики.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях