Тесные сближения звезд с Солнечной системой

Гипотеза Оорта

Интерес к проблеме тесных сближений звезд галактического поля (звезды, которые лежат на траектории движения Солнца в Галактике) с Солнцем, в первую очередь, связан с тем, что пролет звезды может привести к различного рода возмущениям объектов Солнечной системы. Согласно гипотезе, выдвинутой в 1950 г. голландским астрономом Яном Оортом, Солнечная система окружена кометным облаком.
Предполагается, что оно имеет сферическую форму, с радиусом около 100 000 а.е. (0,48 пк), и содержит примерно 100 млрд комет. На таком большом расстоянии гравитационная связь комет с нашим светилом слаба, поэтому их орбиты легко могут быть подвержены различным внешним возмущениям. К ним относят, например, воздействие межзвездных гигантских газопылевых облаков, возмущения, вызываемые галактической спиральной волной плотности, галактический прилив и тесные сближения со звездами галактического поля. Возмущения внешних границ облака Оорта таит в себе опасность возникновения кометных ливней, движущихся во внутренние области Солнечной системы. В итоге не исключена возможность бомбардировки такими кометами Луны и Земли.

Солнце двигается в Галактике через области с небольшой звездной плотностью. Сегодня оно находится в районе, где среднее расстояние между звездами составляет около 2 пк. Как показывают оценки различных авторов, тесные (менее 1 пк) сближения звезд галактического поля с Солнцем очень редки. Тем не менее, задача поиска возможных звезд-кандидатов не является безнадежной. В последние десятилетия выполняются космические наблюдения с целью определения массовых высокоточных координат, собственных движений и тригонометрических параллаксов звезд. Прецизионные измерения были выполнены с борта космической астрометрической обсерватории “Гиппаркос” (“Hipparcos”, ESA; Земля и Вселенная, 2003, № 5), запущенной в 1989 г. и проработавшей на орбите 37 месяцев. Результаты этой миссии опубликованы в 1997 г. (The HIPPARCOS and Tycho Catalogues, ESA SP‑1200, 1997).

В определениях тригонометрических параллаксов и собственных движений звезд была достигнута миллисекундная точность, что оказало огромное влияние на решение многих астрономических задач. Сегодня на околоземной орбите работает космическая обсерватория “Гайя” (“Gaia”, ESA; Земля и Вселенная, 2014, № 3), запущенная в 2013 г. Планируется, что в результате выполнения программы измерений в 2020 г. будет достигнута микросекундная точность в определении положений, собственных движений и тригонометрических параллаксов нескольких миллиардов звезд. Первые результаты наблюдений, полученные в течение одного года функционирования на орбите, уже опубликованы в 2016 г. (Gaia Collaboration, T. Prusti et al. The Gaia mission // Astronomy & Astrophysics, 2016. Т. 595. С. 1).

В предложенной статье автор поднимает проблему поиска звезд-кандидатов, которые имеют ненулевую вероятность проникновения в область кометного облака Оорта. Расскажем о двух необычных звездах – Gliese710 и WISE0720.

Поиск тесных сближений

Одним из ключевых моментов при анализе звездных движений является точность определения расстояний, самый надежный метод – тригонометрический. С помощью этого метода определяется тригонометрический параллакс, значение которого затем служит для вычисления расстояния до звезды. Точность наземных наблюдений тригонометрических параллаксов такова, что в итоге надежными (с относительной ошибкой менее 10%) оказываются расстояния до звезд, удаленных от Солнца не более чем на 25–30 пк. В итоге надежные наземные измерения параллаксов измерены всего лишь для нескольких сотен звезд.

Вопрос о сближениях звезд с Солнцем до расстояний менее 2–3 пк рассматривался в работах различных авторов. Отметим, например, хорошо известную кратную систему Альфа Центавра, в которую входит наиболее близкая к Солнцу компонента – звезда Проксима Центавра. Уже с использованием наземных измерений было достаточно надежно установлено, что эта система в ближайшем будущем сблизится с орбитой Солнца на расстояние менее 1 пк. Сближение звезды с орбитой Солнца мы характеризуем двумя параметрами: расстоянием минимального сближения dmin в момент времени tmin. Для красного карлика Проксимы Центавра, например, эти параметры составляют dmin = 0,9 пк и tmin = 27 тыс. лет.

Для вычисления трехмерного движения звезды, помимо параллакса и двух компонент собственного движения по каждой из координат, необходимо знать значение ее лучевой скорости (компонента движения, направленная вдоль луча зрения). Измерения этих величин выполняют путем сравнения спектральных линий в звездном спектре с лабораторным (неподвижным) источником. Для одиночных звезд обычно достаточно 1–2 спектров. Двойные и кратные звезды изучать сложнее, так как требуется серия спектров, охватывающая период обращения маломассивной компоненты вокруг главной звезды, для определения средней скорости такой системы.

В 2006 г. Пулковский астроном Георгий Гончаров опубликовал сводный каталог лучевых скоростей 35 тыс. звезд; в него вошли как одиночные, так и двойные звезды. Средняя случайная ошибка определения лучевой скорости в этом каталоге составляет около 2 км/с. В настоящее время массовые наземные определения лучевых скоростей сотен тысяч слабых звезд со средней ошибкой около 2–3 км/с выполняются в рамках проекта “RAVE” (RAdial Velocity Experiment – эксперимент определения радиальных скоростей). С 2003 г. проводятся наблюдения в Южном полушарии на 1,2-м телескопе системы Шмидта в Англо-Австралийской обсерватории. Опубликованная в 2017 г. последняя версия результатов измерений (DR5) содержит данные о 457 588 звездах. На сегодняшний день это максимальное количество звезд, у которых измерены лучевые скорости с такой высокой точностью.

На основе каталога “Гиппаркос”, в сочетании с известными на тот момент лучевыми скоростями звезд, поиск тесных сближений был осуществлен испанским астрономом Гарсиа-Санчесом и опубликован в работах с соавторами (J. Garcia-Sanchez et al. Stellar Encounters with the Oort Cloud Based on HIPPARCOS Data // Astronomical Journal, 1999. Т 117. С. 1042; J. Garcia-Sanchez et al. Stellar encounters with the solar system // Astronomy & Astrophysics, 2001. Т. 379. С. 634). В итоге были найдены 156 звезд из околосолнечной окрестности радиусом в 50 пк, которые либо сближались, либо будут сближаться с Солнечной системой до расстояния менее 5 пк в течение ближайших ±10 млн лет. Из анализа этих данных была оценена частота тесных (ближе 1 пк) встреч звезд с Солнцем; она составляет примерно 12 сближений в миллион лет.

Звезда GJ 710

Одиночная звезда GJ 710 (HD168442, или Gliese 710 расположена от Солнца на расстоянии около 45 св. лет от нас в созвездии Змеи) впервые, в 1957 г. была включена Вильгельмом Глизе в каталог ближайших звезд, расположенных в пределах 25 пк от Солнца. Позже этот каталог был расширен Глизе и Ярайсом, поэтому в обозначении звезды GJ 710 фигурируют фамилии двух астрономов. Эту звезду иногда называют оранжевым карликом, она имеет спектральный класс K7, масса ее составляет около 0,6 MО.

Ж. Гарсиа-Санчесом с соавторами (J. Garcia-Sanchez et al., Stellar Encounters with the Oort Cloud Based on HIPPARCOS Data // Astronomical Journal, 1999. Т. 117. С. 1042; J. Garcia-Sanchez et al., Stellar encounters with the solar system // Astronomy & Astrophysics, 2001. Т. 379. С. 634) было показано, что среди звезд “Гиппаркос” звезда GJ 710 считается рекордсменом по тесным сближениям, так как она проникает внутрь облака Оорта. В 2007 г. первые данные орбитальных наблюдений, полученных с борта обсерватории “Гиппаркос”, были существенным образом переработаны голландским астрономом Флором ван Лювеном, что позволило значительно повысить точность параллаксов и собственных движений многих звезд. На основе этой, переработанной версии (в частности, для звезды GJ 710) в работе автора (2010) были найденные следующие значения: dmin = 0,31 ± 0,17 пк и tmin = 1447 ± 60 тыс. лет.

Как выяснилось, точность определения параллаксов и собственных движений звезд в эксперименте на обсерватории “Гайя” оказалась на порядок выше той, что была достигнута обсерваторией “Гиппаркос”. Новые данные позволили польским астрономам Ф. Берскому и П. Дыбжиньскому (Berski F. and Dybczyn’ski P.A. Gliese710 will pass the Sun even closer // Astronomy & Astrophysics, 2016. Т. 595. С. L10) заново проанализировать сближение GJ 710 с Солнцем и изучить ее влияние на кометное облако Оорта. Найденные ими значения минимального расстояния dmin = 0,065 ± 0,030 пк в момент времени tmin = 1350 ± 50 тыс. лет показывают, что сближение может быть существенно более тесным, чем это следовало из данных каталога “Гиппаркос”.

Как показало моделирование, тесный пролет звезды GJ710 может вызвать заметный поток с плотностью около десяти комет в год, продолжительностью 3–4 млн лет. Кометы, направляющиеся непосредственно во внутреннюю область Солнечной системы, в первые 0,6 млн лет после пролета звезды будут сконцентрированы вблизи направления на антиперигелий звездной орбиты. Остальная часть наблюдаемых комет будет значительно рассредоточена по небесной сфере.

Звезда WISE0720

Полное обозначение этой звезды довольно длинное – WISE J072003.20–084651.2. Она находится на расстоянии около 20 св. лет от нас в созвездии Единорога. На это указывает фотометрический каталог, составленный по наблюдениям американской космической обсерватории “WISE” (2010–2012 гг.; Земля и Вселенная, 2010, № 3, с. 63; 2013, № 4, с. 91); в названии есть экваториальные координаты объекта. Это – двойная система, состоящая из двух карликов общей массой около 0,15 MО. Спектральный класс первого компонента оценивается как M9.5, а второго – как T5. Американским астрономом Эриком Мамаеком с соавторами (Mamajek E.E., et al. The Closest Known Flyby of a Star to the Solar System // The Astrophysical Journal Letters, 2015. Т. 800. С. 17) были найдены следующие параметры ее сближения с Солнечной системой: dmin = 0,25 ± 0,09 пк, tmin = 70 ± 0,12 тыс. лет в прошлом. По опубликованным Э. Мамаеком данным, мы построили траекторию WISE0720 относительно Солнца и 100 модельных треков. Как видно из рисунка, модельные траектории, построенные для звезды WISE0720, распределены в очень широкой области. Велики случайные ошибки исходных данных, поэтому для этой системы требуются более точные наблюдения практически всех ее кинематических составляющих – параллакса и собственных движений. Так как эта система (по сравнению с GJ 710) обладает в четыре раза меньшей массой, то значительного потока комет от нее ожидать нельзя.

Автор отметил две уникальные звезды, которые имеют ненулевую вероятность проникновения в область кометного облака Оорта. Их существование уже имеет большое значение для понимания долговременной эволюции Солнечной системы. Эти звезды показывают, что тесные и очень тесные сближения звезд с Солнечной системой могли происходить в прошлом и могут произойти в будущем. Как показывает моделирование тесного (до расстояния 0,065 пк, что составляет примерно 13500 а.е.) сближения звезды GJ 710 с Солнцем, возможен устойчивый поток комет с плотностью (около десяти комет в год из далеких окраин Солнечной системы в область больших планет) продолжительностью 3–4 млн лет.

В настоящее время астрономы связывают большие надежды с успешным выполнением космического проекта “Гайя”. Как ожидается, итоговая точность определения тригонометрических параллаксов к 2020 г. составит от 7 до 20 микросекунд дуги, высока будет и точность собственных движений звезд. В этом проекте запланировано также определение лучевых скоростей звезд, правда, с низкой точностью – со случайной ошибкой около 15 км/с. Все это позволит получить высокоточные кинематические данные для анализа движений миллиардов звезд из широкой околосолнечной области. Это, в частности, позволит на новом уровне осуществить поиск тесных звездных сближений с Солнечной системой.