10 января 2024 года тусклая звезда в созвездии Близнецов начала исчезать. Не резко, не сразу, а постепенно — её свет плавно угасал, как будто что-то тёмное скользило перед ней. На трёх станциях по всей Японии астрономы наблюдали кривые блеска на своих мониторах и увидели то, чего не ожидали: постепенное угасание там, где, согласно законам физики, должно было произойти резкое исчезновение. Угасание, которое могло означать только одно. Объект, прошедший перед этой звездой, обладал атмосферой.
Объектом, ответственным за это, был (612533) 2002 XV93 — глыба изо льда и камня диаметром примерно 500 километров, вращающаяся вокруг Солнца за пределами орбиты Нептуна, в области настолько холодной, что температура там примерно на 47 градусов выше абсолютного нуля (около 47 К). Согласно любой стандартной модели планетологии, столь малое и холодное небесное тело не должно обладать атмосферой. Его гравитация слишком слаба, а поверхность слишком заморожена. И всё же атмосфера там была.
Удачный эксперимент с темнотой
Звёздные затмения, как их называют астрономы, — это подарки природы. Когда небесное тело Солнечной системы проходит прямо перед звездой, свет звезды действует как зонд, проникая сквозь атмосферу, которая может окружать затмевающий объект. С помощью этого метода было обнаружено азотное покрытие Плутона, найдены кольца вокруг отдалённых астероидов-кентавров, а теперь произошло то, чего никто не ожидал. Ко Аримацу из станции Исигакидзима Национальной астрономической обсерватории Японии организовал кампанию наблюдений под названием TABASCO (Trans-Neptunian Atmospheres and Belts Analysis through Stellar-occultation Coordinated Observations — «Анализ атмосфер и поясов транснептуновых объектов посредством скоординированных наблюдений звёздных затмений» — довольно легкомысленная, кстати, аббревиатура).
Команда работала на трёх станциях: 1,05-метровый телескоп Шмидта в обсерватории Кисо, компактная 20-сантиметровая установка на крыше Киотского университета и, что особенно важно, 25-сантиметровый телескоп, установленный во дворе дома астронома-любителя Кацумасы Хосои в префектуре Фукусима. Высокочувствительные CMOS-камеры, основанные на той же технологии, что и датчики смартфонов, позволили всем трём станциям обнаружить едва заметное рефракционное затемнение, вызванное тонкой атмосферой.
В случае с Кисо кривая блеска продемонстрировала явление, вызывающее беспокойство с точки зрения составителей учебников: вместо мгновенного падения яркости, когда звезда скрылась за твёрдой поверхностью, световой поток снижался постепенно в течение примерно 1,5 секунды как при входе, так и при выходе. Эффекты дифракции на расстоянии 37 астрономических единиц могли бы объяснить примерно 0,05 секунды размытия. Угловой диаметр самой звезды добавил, возможно, ещё 0,004 угловых секунды. Ни то, ни другое даже близко не объясняет 1,5 секунды сглаживания. Были рассмотрены варианты с кольцами или пылевыми оболочками, но в итоге их исключили: геометрия была совершенно неверной, непрозрачность слишком высокой, динамическая ситуация слишком нестабильной. Атмосфера была единственным приемлемым объяснением.
Расчётное давление на поверхности составляет от 100 до 200 нанобар, в зависимости от того, из чего, по предположениям, состоит атмосфера — из азота, метана или оксида углерода. Для сравнения: собственная разреженная атмосфера Плутона составляет около 10 000 нанобар, то есть примерно в 50–100 раз плотнее. На Марсе давление составляет около пяти миллионов нанобар. Так что это чрезвычайно тонкий слой. Но он реальный. И он примерно в 100 раз плотнее любого верхнего предела, ранее установленного для сопоставимых транснептуновых объектов (ТНО) аналогичного или даже большего размера. Это не небольшое расхождение. Это качественный сюрприз.
Проблема происхождения
Здесь и заключается сложность. Атмосфера на таком небесном теле не может существовать долго. При зафиксированном давлении на поверхности и параметре Джинса, близком к 1 (что означает, что тепловая энергия молекул газа почти равна гравитационной энергии, удерживающей их на месте), сверхлёгкие газы, входящие в состав атмосферы, гидродинамически улетучились бы в космос за период примерно от 100 до 1000 лет. Возраст Солнечной системы составляет примерно 4,5 миллиарда лет. Любая первичная атмосфера, которая когда-то могла существовать на 2002 XV93, давно исчезла. Всё, что есть сейчас, появилось там недавно (по космологическим меркам), а возможно, и совсем недавно даже по человеческим меркам.
Наблюдения поверхности объекта с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба не показывают никаких признаков замороженного метана, азота или оксида углерода на поверхности, готовых к сублимации. Таким образом, пополнение газа не происходит из поверхностного резервуара, который нагревался бы светом Солнца, находящегося на расстоянии 38 астрономических единиц. Там явно происходит что-то другое.
Пока только два возможных объяснения выдерживают критическую оценку, хотя оба, мягко говоря, носят спекулятивный характер. Первое связано с криовулканизмом: согласно этой гипотезе, какой-то внутренний источник тепла — возможно, радиоактивный распад, остаточная энергия образования или антифризный эффект аммиака в подповерхностном растворе — выталкивает летучие вещества сквозь ледяную оболочку в окружающее пространство. Более крупные транснептуновые объекты, такие как Седна и Гонггонг, демонстрируют убедительные признаки внутренней геохимической активности. Изотопные анализы «Уэбба» метанового льда на карликовых планетах Эрида и Макемаке указывают на то, что метан не является первичным, а, возможно, подвергся переработке в тёплых недрах. Тело размером 500 километров имеет меньший тепловой баланс и более толстую холодную литосферу, что затрудняет поддержание устойчивого криовулканизма, но не делает его невозможным при определённых условиях.
Вторая версия выглядит ещё более необычной и в некотором смысле даже более привлекательной именно благодаря своей необычности. В это небесное тело врезалась комета. Ударный объект, похожий на комету, радиусом всего около 100 метров, несущий достаточное количество замороженного углекислого газа, метана или азота, мог бы доставить достаточно газа, чтобы объяснить наблюдаемое давление при столкновении. Низкие относительные скорости, типичные для плутино — объектов, находящихся в том же орбитальном резонансе 2:3 с Нептуном, что и Плутон, — помогли бы удержать выброшенный газ, а не развеять его в пространстве. Вероятность такого события за столетие ничтожно мала — около одного случая на 100 000 по консервативным оценкам, основанным на данных о кратерах на Плутоне. Однако в литературе имеется около 100 измерений затмений ТНО, и популяция ударных тел размером менее километра может быть значительно больше, чем допускают современные модели.
Что дальше
Эти два сценария дают разные прогнозы, и именно это в науке позволяет отличить интересные загадки от тех, которые навсегда останутся неразгаданными. Атмосфера, образованная кометой, должна постепенно истощаться. Если астрономы проведут наблюдения за 2002 XV93 в течение следующих нескольких лет с использованием той же методики затмения, и если давление окажется заметно ниже, они получат ответ на свой вопрос. Эндогенный криовулканический источник не будет демонстрировать монотонного снижения, хотя, возможно, будут наблюдаться сезонные колебания, связанные с 248-летней орбитой объекта. У сетей гражданских астрономов, таких как TABASCO, есть уникальные возможности для проведения именно такого долгосрочного мониторинга, а участие Хосои из Фукусимы демонстрирует, что эта техника может работать с помощью скромного оборудования в руках любителей.
Спектроскопия самой атмосферы с помощью «Уэбба» дала бы прямые данные о молекулярном составе. Наблюдения в среднем инфракрасном диапазоне уже дали результаты для Плутона. Другой вопрос — сможет ли график работы телескопа учесть такую слабую и чувствительную ко времени цель.
Это открытие разрушает сложившийся консенсус. Согласно общепринятому мнению, объекты размером менее 500 километров просто не могут удерживать атмосферу в течение какого-либо значимого периода времени. 2002 XV93, диаметр которого составляет около 500 километров, находится прямо на этой границе и противоречит этим нормам. Если тело размером в несколько сотен километров может временно обладать атмосферой с давлением порядка нанобар, то, возможно, это могут делать и другие из миллионов ледяных объектов пояса Койпера. Внешняя часть Солнечной системы может быть более оживлённой, чем мы думали.
Часто задаваемые вопросы
Как астрономы обнаруживают атмосферу на объекте, находящемся так далеко?
Когда объект Солнечной системы проходит перед фоновой звездой, любая атмосфера преломляет и ослабляет свет звезды, прежде чем твёрдое тело полностью его блокирует. Измерив, как свет звезды тускнеет (постепенно, а не мгновенно), исследователи могут рассчитать давление и даже определить состав атмосферы. Эта техника работает даже с относительно скромными телескопами, поэтому астроном-любитель Кацумаса Хосои смог предоставить полезные данные, полученные с помощью 25-сантиметрового телескопа, установленного у него во дворе в Фукусиме.
Почему небольшой объект, находящийся так далеко от Солнца, не может удерживать атмосферу в течение длительного времени?
Всё сводится к противостоянию силы тяжести и тепла. При температуре поверхности около 47 К даже молекулы наиболее легко испаряющихся льдов, таких как азот, метан и оксид углерода, движутся достаточно быстро, чтобы ускользнуть от слабого гравитационного притяжения тела диаметром 500 километров. Соответствующая величина, называемая параметром Джинса, для 2002 XV93 близка к 1, что означает, что атмосфера едва удерживается гравитацией и должна улетучиться в космос в течение 100–1000 лет. В масштабах Солнечной системы это практически мгновенно.
Может ли это означать, что другие небольшие ледяные тела во внешней части Солнечной системы также имеют временные атмосферы?
Именно на это и указывают исследователи. Пояс Койпера содержит миллионы ледяных объектов, многие из которых имеют размеры от 100 до 500 километров. Если случайные столкновения или всплески внутренней активности могут на короткое время обеспечить достаточное количество газа для создания измеримой атмосферы, то переходные атмосферные явления могут быть довольно регулярным явлением во всей внешней части Солнечной системы, даже если ни одна отдельная атмосфера не сохраняется надолго. Связано ли это с вопросами обитаемости — это тема для отдельного разговора, но это действительно указывает на то, что эти тела геохимически более динамичны, чем позволяет предположить стандартная картина замёрзшей пустоши.
Действительно ли криовулканизм возможен на столь малом теле?
Это более сложное из двух объяснений. Криовулканизм на более крупных карликовых планетах, таких как Кваоар или Седна, вполне вероятен, поскольку они сохраняют достаточное количество внутреннего тепла и, возможно, имеют подповерхностные жидкие слои, которые остаются в жидком состоянии благодаря аммиаку, действующему как антифриз. Тело диаметром 500 километров имеет меньший тепловой баланс, остывает быстрее и образует более толстую холодную оболочку. Исследователи не исключают эту версию, но отмечают, что для этого потребовались бы необычные обстоятельства, возможно, необычно высокая концентрация антифризов или приливные воздействия со стороны невидимого спутника. Удар кометы, вероятно, является более логичным объяснением, как бы ни была мала вероятность такого события.