Logo Zephyrnet

Lực đẩy kỳ lạ của 'Oumuamua có phải là tiếng xì hơi hydro không?

Ngày:

22/2023/XNUMX (Tin tức Nanowerk) Vào năm 2017, một sao chổi bí ẩn có tên 'Oumuamua đã khơi dậy trí tưởng tượng của các nhà khoa học cũng như công chúng. Nó là vị khách đầu tiên được biết đến từ bên ngoài hệ mặt trời của chúng ta, nó không có đuôi sáng hay đuôi bụi, giống như hầu hết các sao chổi, và có hình dạng kỳ dị - thứ gì đó giống như điếu xì gà và chiếc bánh kếp - và kích thước nhỏ của nó phù hợp với một tiểu hành tinh hơn là sao chổi. Nhưng thực tế là nó đang tăng tốc ra khỏi mặt trời theo cách mà các nhà thiên văn học không thể giải thích được đã khiến các nhà khoa học bối rối, khiến một số người cho rằng đó là một con tàu vũ trụ của người ngoài hành tinh. Giờ đây, một nhà thiên văn học tại Đại học California, Berkeley và một nhà thiên văn học tại Đại học Cornell lập luận rằng những sai lệch bí ẩn của sao chổi so với quỹ đạo hyperbol quanh mặt trời có thể được giải thích bằng một cơ chế vật lý đơn giản có thể phổ biến ở nhiều sao chổi băng giá: thoát khí hydro khi sao chổi nóng lên lên trong ánh sáng mặt trời (Thiên nhiên, “Gia tốc của 1I/'Oumuamua từ H được sản xuất bằng phương pháp phân giải phóng xạ2 trong H2Hỡi băng”). Khái niệm của nghệ sĩ về sao chổi hình bánh kếp 'Oumuamua Mô tả của một nghệ sĩ về sao chổi giữa các vì sao 'Oumuamua, khi nó nóng lên khi tiếp cận mặt trời và thoát khí hydro (sương trắng), làm thay đổi một chút quỹ đạo của nó. Sao chổi, rất có thể có hình bánh kếp, là vật thể đầu tiên được biết đến ngoài các hạt bụi đến thăm hệ mặt trời của chúng ta từ một ngôi sao khác. (Hình ảnh: NASA, ESA và Joseph Olmsted và Frank Summers của STScI) Điều khiến 'Oumuamua khác biệt với mọi sao chổi đã được nghiên cứu kỹ lưỡng khác trong hệ mặt trời của chúng ta là kích thước của nó: Nó nhỏ đến mức độ lệch hấp dẫn của nó xung quanh mặt trời bị thay đổi một chút bởi lực đẩy nhỏ được tạo ra khi khí hydro phun ra khỏi băng. Hầu hết các sao chổi về cơ bản là những quả cầu tuyết bẩn định kỳ tiếp cận mặt trời từ bên ngoài hệ mặt trời của chúng ta. Khi được sưởi ấm bởi ánh sáng mặt trời, một sao chổi đẩy nước và các phân tử khác, tạo ra quầng sáng hoặc hôn mê xung quanh nó và thường là các đuôi khí và bụi. Các khí bị đẩy ra hoạt động giống như các bộ đẩy trên tàu vũ trụ để tạo cho sao chổi một cú hích nhỏ làm thay đổi quỹ đạo của nó một chút so với quỹ đạo hình elip điển hình của các vật thể khác trong hệ mặt trời, chẳng hạn như tiểu hành tinh và hành tinh. Khi được phát hiện, 'Oumuamua không có hôn mê hay đuôi và quá nhỏ và quá xa mặt trời để thu đủ năng lượng để đẩy nhiều nước ra ngoài, khiến các nhà thiên văn học suy đoán lung tung về thành phần của nó và thứ đã đẩy nó ra ngoài. Đó có phải là một tảng băng trôi hydro thoát khí H2? Một bông tuyết lớn, mịn được đẩy bởi áp lực nhẹ từ mặt trời? Một cánh buồm ánh sáng được tạo ra bởi một nền văn minh ngoài hành tinh? Một con tàu vũ trụ dưới sức mạnh của chính nó? Jennifer Bergner, trợ lý giáo sư hóa học của UC Berkeley, người nghiên cứu các phản ứng hóa học xảy ra trên đá băng giá trong chân không lạnh giá của không gian, nghĩ rằng có thể có một lời giải thích đơn giản hơn. Cô ấy đã giới thiệu chủ đề này với một đồng nghiệp, Darryl Seligman, hiện là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ của Quỹ Khoa học Quốc gia tại Đại học Cornell, và họ quyết định hợp tác để thử nghiệm nó. “Một sao chổi di chuyển qua môi trường giữa các vì sao về cơ bản đang bị nấu chín bởi bức xạ vũ trụ, kết quả là tạo thành hydro. Suy nghĩ của chúng tôi là: Nếu điều này xảy ra, liệu bạn có thể thực sự nhốt nó trong cơ thể, để khi nó đi vào hệ mặt trời và được làm nóng lên, nó sẽ thoát ra lượng hydro đó không?” Bergner nói. “Điều đó có thể tạo ra một cách định lượng lực mà bạn cần để giải thích gia tốc phi trọng trường không?” Đáng ngạc nhiên, cô phát hiện ra rằng nghiên cứu thực nghiệm được công bố vào những năm 1970, 80 và 90 đã chứng minh rằng khi băng bị các hạt năng lượng cao giống như các tia vũ trụ va chạm, phân tử hydro (H2) được sản xuất dồi dào và bị mắc kẹt trong băng. Trên thực tế, các tia vũ trụ có thể xuyên qua lớp băng dày hàng chục mét, biến một phần tư hoặc nhiều hơn lượng nước thành khí hydro. “Đối với một sao chổi có đường kính vài km, sự thoát khí sẽ đến từ lớp vỏ thực sự mỏng so với phần lớn vật thể, vì vậy cả về thành phần và về bất kỳ gia tốc nào, bạn không nhất thiết phải mong đợi đó là một hiệu ứng có thể phát hiện được,” cô ấy nói nói. “Nhưng vì 'Oumuamua quá nhỏ nên chúng tôi nghĩ rằng nó thực sự tạo ra đủ lực để cung cấp năng lượng cho quá trình tăng tốc này." Sao chổi có màu hơi đỏ, được cho là có kích thước khoảng 115 x 111 x 19 mét. Tuy nhiên, mặc dù các kích thước tương đối là khá chắc chắn, nhưng các nhà thiên văn học không thể chắc chắn về kích thước thực tế vì nó quá nhỏ và quá xa để kính thiên văn có thể phân giải được. Kích thước phải được ước tính từ độ sáng của sao chổi và độ sáng thay đổi như thế nào khi sao chổi rơi xuống. Cho đến nay, tất cả các sao chổi được quan sát thấy trong hệ mặt trời của chúng ta — các sao chổi chu kỳ ngắn bắt nguồn từ vành đai Kuiper và các sao chổi chu kỳ dài từ đám mây Oort xa hơn có đường kính từ khoảng 1 km đến hàng trăm km. “Điều tuyệt vời về ý tưởng của Jenny là nó chính xác là những gì sẽ xảy ra với các sao chổi giữa các vì sao,” Seligman nói. “Chúng tôi có tất cả những ý tưởng ngu ngốc này, như tảng băng trôi hydro và những thứ điên rồ khác, và đó chỉ là lời giải thích chung chung nhất.” Bergner và Seligman sẽ công bố kết luận của họ trong tuần này trên tạp chí Nature. Cả hai đều là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học Chicago khi họ bắt đầu cộng tác trên báo.

Sứ giả từ xa

Sao chổi là những tảng đá băng giá còn sót lại từ quá trình hình thành hệ mặt trời cách đây 4.5 tỷ năm, vì vậy chúng có thể cho các nhà thiên văn học biết về các điều kiện tồn tại khi hệ mặt trời của chúng ta hình thành. Các sao chổi giữa các vì sao cũng có thể đưa ra gợi ý về các điều kiện xung quanh các ngôi sao khác được bao quanh bởi các đĩa hình thành hành tinh. Bergner cho biết: “Các sao chổi lưu giữ một bức ảnh chụp nhanh về hệ mặt trời trông như thế nào khi nó đang trong giai đoạn tiến hóa mà các đĩa tiền hành tinh hiện nay. “Nghiên cứu chúng là một cách để nhìn lại hệ mặt trời của chúng ta từng trông như thế nào trong giai đoạn hình thành ban đầu.” Các hệ hành tinh ở xa dường như cũng có sao chổi và nhiều sao chổi có khả năng bị đẩy ra ngoài do tương tác hấp dẫn với các vật thể khác trong hệ, điều mà các nhà thiên văn biết đã xảy ra trong lịch sử hệ mặt trời của chúng ta. Một số sao chổi bất hảo này thỉnh thoảng sẽ đi vào hệ mặt trời của chúng ta, tạo cơ hội tìm hiểu về sự hình thành hành tinh trong các hệ thống khác. “Các sao chổi và tiểu hành tinh trong hệ mặt trời được cho là đã dạy chúng ta nhiều điều về sự hình thành hành tinh hơn là những gì chúng ta đã học được từ các hành tinh thực tế trong hệ mặt trời,” Seligman nói. “Tôi nghĩ rằng các sao chổi giữa các vì sao có thể cho chúng ta biết nhiều hơn về các hành tinh ngoài hệ mặt trời so với các hành tinh ngoài hệ mặt trời mà chúng ta đang cố gắng đo đạc ngày nay.” Trước đây, các nhà thiên văn học đã xuất bản nhiều bài báo về những gì chúng ta có thể học được từ việc không quan sát được bất kỳ sao chổi nào giữa các vì sao trong hệ mặt trời của chúng ta. Sau đó, 'Oumuamua xuất hiện. Vào tháng XNUMX. Vào ngày 19 tháng 2017 năm 1, trên đảo Maui, các nhà thiên văn học sử dụng kính viễn vọng Pan-STARRSXNUMX, được vận hành bởi Viện Thiên văn học tại Đại học Hawaii ở Manoa, lần đầu tiên nhận thấy thứ mà họ nghĩ là một sao chổi hoặc một tiểu hành tinh. Sau khi họ nhận ra rằng quỹ đạo nghiêng và tốc độ cao của nó — 87 km một giây — ngụ ý rằng nó đến từ bên ngoài hệ mặt trời của chúng ta, họ đã đặt cho nó cái tên 1I/'Oumuamua (oh MOO-uh MOO-uh), là tiếng Hawaii. cho "một sứ giả từ xa đến đầu tiên." Nó là vật thể giữa các vì sao đầu tiên ngoài các hạt bụi từng được nhìn thấy trong hệ mặt trời của chúng ta. Ngôi sao thứ hai, 2I/Borisov, được phát hiện vào năm 2019, mặc dù nó trông và hoạt động giống một sao chổi điển hình hơn. Khi ngày càng có nhiều kính viễn vọng tập trung vào 'Oumuamua, các nhà thiên văn học đã có thể lập biểu đồ quỹ đạo của nó và xác định rằng nó đã quay quanh mặt trời và đang hướng ra khỏi hệ mặt trời. Vì độ sáng của 'Oumuamua thay đổi định kỳ theo hệ số 12 và thay đổi không đối xứng, nên nó được giả định là rất dài và lộn xộn từ đầu đến cuối. Các nhà thiên văn học cũng nhận thấy một gia tốc nhẹ ra khỏi mặt trời lớn hơn so với các tiểu hành tinh và đặc trưng hơn của sao chổi. Khi sao chổi tiếp cận mặt trời, nước và khí thoát ra khỏi bề mặt tạo ra một hôn mê khí phát sáng và giải phóng bụi trong quá trình này. Thông thường, bụi còn sót lại sau sao chổi có thể nhìn thấy dưới dạng một cái đuôi, trong khi hơi và bụi bị đẩy bởi áp suất nhẹ từ các tia mặt trời tạo ra một cái đuôi thứ hai hướng ra xa khỏi mặt trời, cộng với một chút đẩy ra ngoài theo quán tính.

Tại sao nó tăng tốc?

Nhưng các nhà thiên văn học không thể phát hiện ra bất kỳ dấu hiệu hôn mê nào, các phân tử hết khí hay bụi xung quanh 'Oumuamua. Ngoài ra, các tính toán cho thấy rằng năng lượng mặt trời va chạm với sao chổi sẽ không đủ để làm thăng hoa nước hoặc các hợp chất hữu cơ từ bề mặt của nó để tạo cho nó cú hích phi hấp dẫn quan sát được. Chỉ những khí siêu bay hơi như H2, N2 hoặc carbon monoxide (CO) có thể cung cấp đủ gia tốc để phù hợp với các quan sát, với năng lượng mặt trời tới. “Chúng tôi chưa bao giờ thấy một sao chổi nào trong hệ mặt trời không bị hôn mê bụi. Vì vậy, gia tốc phi trọng trường thực sự kỳ lạ,” Seligman nói. Điều này dẫn đến nhiều suy đoán về những phân tử dễ bay hơi nào có thể ở trong sao chổi gây ra sự gia tốc. Bản thân Seligman đã xuất bản một bài báo lập luận rằng nếu sao chổi được cấu tạo từ hydro rắn - một tảng băng hydro - thì nó sẽ thoát ra đủ lượng hydro dưới sức nóng của mặt trời để giải thích gia tốc kỳ lạ. Trong những điều kiện thích hợp, một sao chổi bao gồm nitơ rắn hoặc carbon monoxide rắn cũng sẽ thoát ra ngoài với lực đủ để ảnh hưởng đến quỹ đạo của sao chổi. Nhưng các nhà thiên văn học đã phải cố gắng giải thích những điều kiện nào có thể dẫn đến sự hình thành các vật thể rắn hydro hoặc nitơ, những điều chưa từng được quan sát trước đây. Và làm thế nào một chất rắn H có thể2 cơ thể tồn tại có lẽ 100 triệu năm trong không gian giữa các vì sao? Bergner nghĩ rằng việc thoát khí hydro bị mắc kẹt trong băng có thể đủ để tăng tốc 'Oumuamua. Vừa là nhà thực nghiệm vừa là nhà lý thuyết, cô ấy nghiên cứu sự tương tác của băng rất lạnh — được làm lạnh đến 5 hoặc 10 độ Kelvin, nhiệt độ của môi trường giữa các vì sao (ISM) — với các loại hạt năng lượng và bức xạ được tìm thấy trong ISM. Khi tìm kiếm thông qua các ấn phẩm trước đây, cô đã tìm thấy nhiều thí nghiệm chứng minh rằng các electron, proton năng lượng cao và các nguyên tử nặng hơn có thể chuyển đổi nước đá thành hydro phân tử và cấu trúc quả cầu tuyết mịn của sao chổi có thể giữ khí trong bong bóng bên trong băng. Các thí nghiệm cho thấy rằng khi được làm nóng lên, chẳng hạn như do sức nóng của mặt trời, băng bị ủ — thay đổi từ cấu trúc vô định hình sang cấu trúc tinh thể — và đẩy các bong bóng ra ngoài, giải phóng khí hydro. Theo tính toán của Bergner và Seligman, băng trên bề mặt của một sao chổi có thể phát ra đủ khí, ở dạng chùm chuẩn trực hoặc tia phun hình quạt, để ảnh hưởng đến quỹ đạo của một sao chổi nhỏ như 'Oumuamua. “Điều rút ra chính là 'Oumuamua phù hợp với việc trở thành một sao chổi tiêu chuẩn giữa các vì sao vừa trải qua quá trình xử lý nặng,” Bergner nói. “Các mô hình chúng tôi chạy phù hợp với những gì chúng ta thấy trong hệ mặt trời từ sao chổi và tiểu hành tinh. Vì vậy, về cơ bản, bạn có thể bắt đầu với thứ gì đó trông giống như một sao chổi và để tình huống này hoạt động.” Ý tưởng này cũng giải thích việc thiếu hôn mê bụi. “Ngay cả khi có bụi trong ma trận băng, bạn không thăng hoa băng, bạn chỉ đang sắp xếp lại băng và sau đó để H2 được thả ra. Vì vậy, bụi thậm chí sẽ không bay ra,” Seligman nói.

Sao chổi 'tối'

Seligman nói rằng kết luận của họ về nguồn gốc gia tốc của 'Oumuamua sẽ khép lại cuốn sách về sao chổi. Kể từ năm 2017, anh ấy, Bergner và các đồng nghiệp của họ đã xác định được sáu sao chổi nhỏ khác không có trạng thái hôn mê có thể quan sát được, nhưng có gia tốc phi hấp dẫn nhỏ, cho thấy rằng những sao chổi “tối” như vậy là phổ biến. Mặc dù H2 không có khả năng chịu trách nhiệm cho sự gia tốc của sao chổi tối, Bergner lưu ý, cùng với 'Oumuamua, họ tiết lộ rằng có nhiều điều cần tìm hiểu về bản chất của các vật thể nhỏ trong hệ mặt trời. Một trong những sao chổi tối này, 1998 KY26, là mục tiêu tiếp theo cho nhiệm vụ Hayabusa2 của Nhật Bản, nhiệm vụ gần đây đã thu thập các mẫu từ tiểu hành tinh Ryugu. Kỷ Tỵ 199826 được cho là một tiểu hành tinh cho đến khi nó được xác định là một sao chổi đen vào tháng XNUMX. “Jenny hoàn toàn đúng về hydro bị giữ lại. Không ai từng nghĩ về điều đó trước đây, anh ấy nói. “Giữa việc phát hiện ra các sao chổi tối khác trong hệ mặt trời và ý tưởng tuyệt vời của Jenny, tôi nghĩ nó phải đúng. Nước là thành phần dồi dào nhất của sao chổi trong hệ mặt trời và có khả năng là cả trong các hệ ngoài hệ mặt trời. Và nếu bạn đặt một sao chổi giàu nước vào đám mây Oort hoặc phóng nó vào môi trường giữa các vì sao, bạn sẽ thu được băng vô định hình với các túi H2.” Vì H2 nên hình thành trong bất kỳ thiên thể giàu băng nào tiếp xúc với bức xạ năng lượng, các nhà nghiên cứu nghi ngờ rằng cơ chế tương tự sẽ hoạt động trong các sao chổi tiếp cận mặt trời từ đám mây Oort ở phần ngoài của hệ mặt trời, nơi các sao chổi được chiếu xạ bởi các tia vũ trụ, giống như một sao chổi giữa các vì sao. Các quan sát trong tương lai về sự thoát khí hydro từ các sao chổi trong thời gian dài có thể được sử dụng để kiểm tra kịch bản của H2 hình thành và bẫy. Nhiều sao chổi tối và giữa các vì sao khác sẽ được phát hiện bởi Khảo sát Di sản Không gian và Thời gian (LSST) của Đài quan sát Rubin, cho phép các nhà thiên văn học xác định xem sự thoát khí hydro có phổ biến ở sao chổi hay không. Seligman đã tính toán rằng cuộc khảo sát, sẽ được thực hiện tại Đài quan sát Vera C. Rubin ở Chile và sẽ bắt đầu hoạt động vào đầu năm 2025, sẽ phát hiện từ một đến ba sao chổi giữa các vì sao như 'Oumuamua mỗi năm và có thể nhiều hơn nữa có hôn mê, giống như Borisov.
tại chỗ_img

Tin tức mới nhất

tại chỗ_img