นักบินอวกาศทำภารกิจโดยอาศัยระบบเหล่านี้ได้อย่างไร

แต่ข้อเท็จจริงที่ว่ามันกำลังเร่งออกห่างจากดวงอาทิตย์ในแบบที่นักดาราศาสตร์ไม่สามารถอธิบายได้ ทำให้นักวิทยาศาสตร์งุนงง ทำให้บางคนคิดว่ามันคือยานอวกาศของมนุษย์ต่างดาว ตอนนี้ มหาวิทยาลัยแห่งแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ นักดาราศาสตร์และนักดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยคอร์เนลโต้แย้งว่าการเบี่ยงเบนอย่างลึกลับของดาวหางจากเส้นทางไฮเพอร์โบลิกรอบดวงอาทิตย์สามารถอธิบายได้ด้วยกลไกทางกายภาพง่ายๆ ที่น่าจะพบได้ทั่วไปในบรรดาดาวหางน้ำแข็งหลายดวง นั่นคือ การปล่อยก๊าซไฮโดรเจนเมื่อดาวหางอุ่นขึ้น ขึ้นในแสงแดด สิ่งที่ทำให้ 'Oumuamua แตกต่างจากดาวหางทุกดวงที่ได้รับการศึกษาอย่างดีในระบบสุริยะของเราคือขนาดของมัน มันเล็กมากจนแรงโน้มถ่วงรอบดวงอาทิตย์เปลี่ยนไปเล็กน้อยจากแรงผลักขนาดเล็กที่เกิดขึ้นเมื่อก๊าซไฮโดรเจนพุ่งออกมาจากน้ำแข็ง ดาวหางส่วนใหญ่เป็นก้อนหิมะสกปรกซึ่งเข้ามาใกล้ดวงอาทิตย์เป็นระยะๆ จากส่วนนอกของระบบสุริยะของเรา เมื่อได้รับความอบอุ่นจากแสงแดด ดาวหางจะขับน้ำและโมเลกุลอื่นๆ ออกมา ทำให้เกิดรัศมีสว่างไสวหรือโคม่ารอบๆ ดาวหาง และมักมีหางเป็นแก๊สและฝุ่น ก๊าซที่พุ่งออกมาทำหน้าที่เหมือนตัวขับดันบนยานอวกาศเพื่อให้ดาวหางมีแรงเตะเล็กน้อยที่เปลี่ยนวิถีโคจรของมันเล็กน้อยจากวงโคจรวงรีตามแบบฉบับของวัตถุอื่นๆ ในระบบสุริยะ เช่น ดาวเคราะห์น้อยและดาวเคราะห์ต่างๆ เมื่อค้นพบ Oumuamua ไม่มีอาการโคม่าหรือหาง และมีขนาดเล็กเกินไปและอยู่ไกลจากดวงอาทิตย์เกินกว่าจะจับพลังงานได้มากพอที่จะขับน้ำจำนวนมากออกมา ซึ่งทำให้นักดาราศาสตร์คาดเดาอย่างดุเดือดเกี่ยวกับองค์ประกอบของมันและสิ่งที่ผลักมันออกไป มันคือภูเขาน้ำแข็งไฮโดรเจนที่ปล่อยก๊าซ H 2หรือไม่? เกล็ดหิมะขนาดใหญ่ที่หนานุ่มถูกผลักด้วยแรงดันแสงจากดวงอาทิตย์? เรือแสงที่สร้างขึ้นโดยอารยธรรมต่างดาว? ยานอวกาศ ภายใต้พลังของมันเอง? Jennifer Bergner ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านเคมีแห่ง UC Berkeley ผู้ศึกษาปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นบนหินน้ำแข็งในสุญญากาศเย็นของอวกาศ คิดว่าอาจมีคำอธิบายที่ง่ายกว่านี้ เธอปรึกษาเรื่องนี้กับเพื่อนร่วมงาน Darryl Seligman ซึ่งปัจจุบันเป็นเพื่อนร่วมงานหลังปริญญาเอกของ National Science Foundation ที่ Cornell University และพวกเขาตัดสินใจทำงานร่วมกันเพื่อทดสอบ "ดาวหางที่เดินทางผ่านสื่อระหว่างดวงดาวโดยพื้นฐานแล้วจะถูกทำให้สุกด้วยรังสีคอสมิก ทำให้เกิดไฮโดรเจนขึ้น ความคิดของเราคือ: หากสิ่งนี้เกิดขึ้นจริง คุณสามารถดักจับมันไว้ในร่างกาย เพื่อที่ว่าเมื่อมันเข้ามาในระบบสุริยะแล้ว ถูกทำให้ร้อนขึ้น มันจะปล่อยก๊าซไฮโดรเจนนั้นออกมาหรือไม่" เบิร์กเนอร์กล่าวว่า "นั่นสามารถสร้างแรงเชิงปริมาณที่คุณต้องการเพื่ออธิบายความเร่งที่ไม่ใช่แรงโน้มถ่วงได้หรือไม่" น่าประหลาดใจที่เธอพบว่างานวิจัยเชิงทดลองที่ตีพิมพ์ในทศวรรษที่ 1970, 80 และ 90 แสดงให้เห็นว่าเมื่อน้ำแข็งโดนอนุภาคพลังงานสูงที่คล้ายกับรังสีคอสมิก โมเลกุลไฮโดรเจน (H 2 ) จะถูกผลิตขึ้นอย่างมากมายและติดอยู่ภายในน้ำแข็ง ในความเป็นจริง รังสีคอสมิกสามารถทะลุผ่านน้ำแข็งได้ลึกหลายสิบเมตร เปลี่ยนน้ำหนึ่งในสี่ส่วนหรือมากกว่านั้นให้เป็นก๊าซไฮโดรเจน "สำหรับดาวหางที่มีระยะห่างหลายกิโลเมตร การปล่อยแก๊สออกมาจะมาจากเปลือกที่บางมากเมื่อเทียบกับมวลของวัตถุ ดังนั้น ทั้งในแง่ขององค์ประกอบและในแง่ของความเร่ง คุณไม่จำเป็นต้องคาดหวังว่าจะเป็นเอฟเฟกต์ที่ตรวจจับได้" เธอกล่าว พูดว่า. "แต่เนื่องจาก 'Oumuamua มีขนาดเล็กมาก เราจึงคิดว่ามันสร้างแรงเพียงพอที่จะขับเคลื่อนความเร่งนี้" ดาวหางซึ่งมีสีแดงเล็กน้อย มีขนาดประมาณ 115 x 111 x 19 เมตร แม้ว่าขนาดสัมพัทธ์จะค่อนข้างแน่นอน แต่นักดาราศาสตร์ก็ไม่อาจแน่ใจถึงขนาดที่แท้จริงได้ เนื่องจากมันเล็กและอยู่ไกลเกินกว่าที่กล้องโทรทรรศน์จะแก้ไขได้ ต้องประเมินขนาดจากความสว่างของดาวหางและการเปลี่ยนแปลงความสว่างเมื่อดาวหางตกลงมา จนถึงปัจจุบัน ดาวหางทุกดวงที่สังเกตได้ในระบบสุริยะของเรา ไม่ว่าจะเป็นดาวหางคาบสั้นที่มีต้นกำเนิดในแถบไคเปอร์และดาวหางคาบยาวจากกลุ่มเมฆออร์ตที่อยู่ไกลออกไป มีรัศมีตั้งแต่ 1 กิโลเมตรไปจนถึงหลายร้อยกิโลเมตร "สิ่งที่สวยงามเกี่ยวกับความคิดของ Jenny คือสิ่งที่เกิดขึ้นกับดาวหางระหว่างดวงดาว" Seligman กล่าว "เรามีความคิดโง่ ๆ พวกนี้ เช่น ภูเขาน้ำแข็งไฮโดรเจนและเรื่องบ้า ๆ บอ ๆ และมันก็เป็นเพียงคำอธิบายทั่วไปที่สุด" Bergner และ Seligman จะเผยแพร่ข้อสรุปในสัปดาห์นี้ในวารสารNature ทั้งคู่เป็นเพื่อนร่วมงานหลังปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยชิคาโก เมื่อพวกเขาเริ่มทำงานร่วมกันในบทความนี้ ผู้ส่งสารจากระยะไกล ดาวหางเป็นหินน้ำแข็งที่เหลือจากการก่อตัวของระบบสุริยะเมื่อ 4.5 พันล้านปีก่อน จึงสามารถบอกนักดาราศาสตร์เกี่ยวกับสภาวะที่เป็นอยู่เมื่อระบบสุริยะของเราก่อตัวขึ้น ดาวหางระหว่างดวงดาวยังสามารถบอกเป็นนัยถึงสภาวะรอบๆ ดาวดวงอื่นๆ ที่ล้อมรอบด้วยจานก่อตัวดาวเคราะห์ "ดาวหางเก็บภาพภาพรวมของระบบสุริยะว่าเป็นอย่างไรเมื่อมันอยู่ในขั้นตอนของวิวัฒนาการที่ดิสก์ก่อกำเนิดดาวเคราะห์อยู่ในตอนนี้" เบิร์กเนอร์กล่าว "การศึกษาสิ่งเหล่านี้เป็นวิธีหนึ่งในการมองย้อนกลับไปว่าระบบสุริยะของเราเคยมีลักษณะอย่างไรในช่วงแรกของการก่อตัว" ระบบดาวเคราะห์ที่อยู่ห่างไกลดูเหมือนจะมีดาวหางอยู่ด้วย และหลายดวงมีแนวโน้มที่จะถูกขับออกมาเนื่องจากปฏิสัมพันธ์ทางแรงโน้มถ่วงกับวัตถุอื่นๆ ในระบบ ซึ่งนักดาราศาสตร์ทราบดีว่าเกิดขึ้นในประวัติศาสตร์ของระบบสุริยะของเรา ดาวหางอันธพาลเหล่านี้บางดวงน่าจะเข้ามาในระบบสุริยะของเราเป็นครั้งคราว ซึ่งเป็นโอกาสในการเรียนรู้เกี่ยวกับการก่อตัวของดาวเคราะห์ในระบบอื่นๆ "ดาวหางและดาวเคราะห์น้อยในระบบสุริยะอาจสอนเราเกี่ยวกับการก่อตัวของดาวเคราะห์มากกว่าที่เราได้เรียนรู้จากดาวเคราะห์จริงในระบบสุริยะ" เซลิกแมนกล่าว "ฉันคิดว่าดาวหางระหว่างดวงดาวสามารถบอกเราเกี่ยวกับดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะได้มากกว่าดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะที่เรากำลังพยายามหาขนาดในปัจจุบัน" ในอดีต นักดาราศาสตร์ได้เผยแพร่เอกสารมากมายเกี่ยวกับสิ่งที่เราสามารถเรียนรู้ได้จากความล้มเหลวในการสังเกตดาวหางระหว่างดวงดาวใดๆ ในระบบสุริยะของเรา จากนั้น 'Oumuamua ก็เข้ามา เมื่อวันที่ 19 ตุลาคม 2017 บนเกาะ Maui นักดาราศาสตร์ที่ใช้กล้องโทรทรรศน์ Pan-STARRS1 ซึ่งดำเนินการโดยสถาบันดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยฮาวายใน Manoa ได้สังเกตเห็นสิ่งที่พวกเขาคิดว่าเป็นดาวหางหรือดาวเคราะห์น้อยเป็นครั้งแรก เมื่อพวกเขารู้ว่าวงโคจรเอียงและความเร็วสูง 87 กิโลเมตรต่อวินาที แสดงว่ามันมาจากนอกระบบสุริยะของเรา พวกเขาจึงตั้งชื่อมันว่า 1I/'Oumuamua (oh MOO-uh MOO-uh) ซึ่งก็คือฮาวาย 'ian สำหรับ "ผู้ส่งสารจากแดนไกลมาถึงก่อน" มันเป็นวัตถุระหว่างดาวดวงแรกนอกเหนือจากเม็ดฝุ่นที่เคยเห็นในระบบสุริยะของเรา ครั้งที่สอง 2I/Borisov ถูกค้นพบในปี 2019 แม้ว่าจะดูและประพฤติตัวเหมือนดาวหางทั่วไปมากกว่า เมื่อมีกล้องโทรทรรศน์จำนวนมากขึ้นที่จับจ้องไปที่ 'โอมูอามูอา' นักดาราศาสตร์ก็สามารถแสดงแผนภูมิวงโคจรของมันและระบุได้ว่ามันวนรอบดวงอาทิตย์แล้วและกำลังมุ่งหน้าออกจากระบบสุริยะ เนื่องจากความสว่างของ Oumuamua เปลี่ยนแปลงเป็นระยะๆ ด้วยปัจจัย 12 และแปรผันแบบไม่สมมาตร จึงสันนิษฐานว่ามีความยืดเยื้ออย่างมากและร่วงหล่นลงมาจากจุดสิ้นสุด นักดาราศาสตร์ยังสังเกตเห็นความเร่งเล็กน้อยจากดวงอาทิตย์ซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าที่เห็นสำหรับดาวเคราะห์น้อยและลักษณะของดาวหางมากกว่า เมื่อดาวหางเข้าใกล้ดวงอาทิตย์ น้ำและก๊าซที่พุ่งออกมาจากพื้นผิวจะสร้างก๊าซกัมมันต์เรืองแสงและปล่อยฝุ่นออกมาในกระบวนการนี้ โดยทั่วไปแล้ว ฝุ่นที่หลงเหลือจากการปลุกของดาวหางจะมองเห็นเป็นหางเดียว ในขณะที่ไอและฝุ่นที่ถูกผลักด้วยแรงดันแสงจากรังสีดวงอาทิตย์จะสร้างหางที่สองที่ชี้ออกจากดวงอาทิตย์ บวกกับแรงเฉื่อยเล็กน้อยที่ผลักออกไปด้านนอก สารประกอบอื่นๆ เช่น สารอินทรีย์ที่กักขังและคาร์บอนมอนอกไซด์ ก็สามารถถูกปล่อยออกมาได้เช่นกัน ทำไมมันถึงเร่ง? แต่นักดาราศาสตร์ไม่สามารถตรวจพบอาการโคม่า โมเลกุลที่ปล่อยแก๊สออกมา หรือฝุ่นรอบๆ 'Oumuamua' นอกจากนี้ การคำนวณยังแสดงให้เห็นว่าพลังงานแสงอาทิตย์ที่กระทบดาวหางนั้นไม่เพียงพอที่จะระเหิดน้ำหรือสารประกอบอินทรีย์ออกจากพื้นผิวเพื่อให้เกิดการเตะแบบไม่ใช้แรงโน้มถ่วงที่สังเกตได้ มีเพียงก๊าซที่ระเหยง่าย เช่น H 2 , N 2หรือคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) เท่านั้นที่สามารถให้ความเร่งมากพอที่จะจับคู่การสังเกตได้ เมื่อพิจารณาจากพลังงานแสงอาทิตย์ที่เข้ามา "เราไม่เคยเห็นดาวหางในระบบสุริยะที่ไม่มีฝุ่นอยู่ในอาการโคม่า ดังนั้น ความเร่งที่ไม่ใช้แรงโน้มถ่วงจึงเป็นเรื่องแปลก" เซลิกแมนกล่าว สิ่งนี้นำไปสู่การคาดเดาอย่างมากเกี่ยวกับโมเลกุลที่ระเหยง่ายในดาวหางที่ทำให้เกิดการเร่งความเร็ว เซลิกแมนเองตีพิมพ์บทความโดยโต้แย้งว่าหากดาวหางประกอบด้วยไฮโดรเจนที่เป็นของแข็ง - ภูเขาน้ำแข็งไฮโดรเจน - มันจะปล่อยก๊าซไฮโดรเจนออกมาในปริมาณที่เพียงพอในความร้อนของดวงอาทิตย์เพื่ออธิบายความเร่งที่แปลกประหลาด ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม ดาวหางที่ประกอบด้วยไนโตรเจนที่เป็นของแข็งหรือคาร์บอนมอนอกไซด์ที่เป็นของแข็งก็จะปล่อยก๊าซออกมาด้วยแรงที่มากพอที่จะส่งผลกระทบต่อวงโคจรของดาวหาง แต่นักดาราศาสตร์ต้องยืดเวลาเพื่ออธิบายว่าสภาวะใดที่อาจนำไปสู่การก่อตัวเป็นของแข็งของไฮโดรเจนหรือไนโตรเจน ซึ่งไม่เคยสังเกตมาก่อน และวัตถุ H 2 ที่เป็นของแข็งจะ อยู่รอดได้อย่างไรในอวกาศระหว่างดวงดาวเป็นเวลา 100 ล้านปี เบิร์กเนอร์คิดว่าการปล่อยก๊าซไฮโดรเจนที่กักอยู่ในน้ำแข็งอาจเพียงพอที่จะเร่งให้เกิด 'Oumuamua' ในฐานะนักทดลองและนักทฤษฎี เธอศึกษาปฏิสัมพันธ์ของน้ำแข็งที่เย็นมาก ซึ่งเย็นถึง 5 หรือ 10 องศาเคลวิน อุณหภูมิของสื่อระหว่างดวงดาว (ISM) กับชนิดของอนุภาคพลังงานและรังสีที่พบใน ISM ในการค้นหาสิ่งพิมพ์ที่ผ่านมา เธอพบการทดลองมากมายที่แสดงให้เห็นว่าอิเล็กตรอนพลังงานสูง โปรตอน และอะตอมที่หนักกว่าสามารถเปลี่ยนน้ำแข็งในน้ำให้เป็นโมเลกุลไฮโดรเจนได้ และโครงสร้างปุยหิมะของดาวหางสามารถกักก๊าซไว้ในฟองอากาศภายในน้ำแข็งได้ การทดลองแสดงให้เห็นว่าเมื่อได้รับความร้อน เช่นเดียวกับความร้อนของดวงอาทิตย์ น้ำแข็งจะหลอมละลาย - เปลี่ยนจากโครงสร้างอสัณฐานเป็นโครงสร้างผลึก - และบังคับให้ฟองอากาศออกมา ปล่อยก๊าซไฮโดรเจนออกมา น้ำแข็งที่พื้นผิวของดาวหาง Bergner และ Seligman คำนวณได้ สามารถปล่อยก๊าซออกมามากพอที่จะปล่อยก๊าซออกมาในลักษณะลำแสงแบบโคลิเมตหรือแบบพัด ซึ่งจะส่งผลกระทบต่อวงโคจรของดาวหางขนาดเล็กอย่าง 'Oumuamua' "ประเด็นสำคัญคือ 'Oumuamua สอดคล้องกับการเป็นดาวหางระหว่างดวงดาวมาตรฐานที่เพิ่งผ่านการประมวลผลอย่างหนัก" เบิร์กเนอร์กล่าว "แบบจำลองที่เราวิ่งนั้นสอดคล้องกับสิ่งที่เราเห็นในระบบสุริยะจากดาวหางและดาวเคราะห์น้อย ดังนั้น คุณสามารถเริ่มด้วยบางสิ่งที่ดูเหมือนดาวหางและให้สถานการณ์นี้ใช้งานได้" แนวคิดนี้ยังอธิบายถึงการขาดฝุ่นโคม่า "แม้ว่าจะมีฝุ่นอยู่ในเมทริกซ์น้ำแข็ง แต่คุณไม่ได้ทำให้น้ำแข็งระเหิด คุณแค่จัดเรียงน้ำแข็งใหม่แล้วปล่อย H 2ออกมา ดังนั้น ฝุ่นจะไม่ออกมาด้วยซ้ำ" เซลิกแมนกล่าว .