Неожиданные открытия во внешних пределах Солнечной Системы - часть 1

Ученые, работающие с радиотелескопом АЛМА, совершили недавно несколько знаменательных открытий в поясе транснептуновымх объектов на внешних границах Солнечной Системы. Впрочем, результаты продолжат обсуждать, вполне возможно, там обнаружится нечто более экзотичное, чем просто "каменная башка" пусть даже и диаметром больше Седны. Увидим.

А пока - небольшой микс из двух статей с arxiv.org, которые попали в наше поле зрения недавно.

Статья 1. Неожиданное открытие нового объекта Солнечной Системы.

Авторы:  W. H. T. Vlemmings, S. Ramstedt, M. Maercker, B. Davidsson

10 декабря 2015 года

Абстракт

Контекст. Благодаря удивительной, несравненной чувствительности массива Большого Атакамского миллиметрового/субмиллиметрового массива АЛМА появилась возможность поставить открытия на поток. Многие из этих открытий обещают быть весьма неожиданными.

Цели. На основе наших наблюдений при помощи АЛМА мы сообщаем об открытии ранее неизвестных источников сигнала в континууме, или нового, быстро движущегося точечного источника, природу которого мы постараемся определить в этой статье.

Методы. Измерения  точностью >5.8σ в плоскости изображения и >14σ в плоскости (u, v) выполнены для двух эпох наблюдений АЛМА для области в 25" звезды-гиганта ассимптотической ветви Главной Последовательности W Орла в континууме около 345 ГГц. Третья эпоха АЛМА,  покрывающая 50"x50" не детектировалась.

Результаты. Мы провели анализ, чтобы понять, могут ли эти сигналы быть шумом или представляют собой объект, и пришли к выводу, что наиболее вероятным объяснением является быстро движущийся объект с большим собственным движением (87"/год).

Заключение. Если в наблюдениях АЛМА не кроются какие-то еще неизвестные доселе проблемы, мы делаем вывод об открытии ранее неизвестного объекта Солнечной Системы. На основе анализа его собственного движения, мы заключаем, что если он гравитационно связан с нашей системой, то должен находиться в диапазоне расстояний от 12 до 25 а.е. и его размер от 220 до 880 км. Другой вариант (если объект гравитационно не связан с Солнцем) - это значительно больший объект, размером с настоящую планету, который находится на расстоянии около 4000 а.е. или 0.3пк. Наши наблюдения подчеркивают мощь АЛМА в плане обнаружения возможных объектов Солнечной Системы, а также то, как наблюдения в нескольких эпохах  критичны для идентификации источников, которые в противном случае могли бы считаться внегалактическими.

Ключевые слова. Малые планеты, астероиды, пояс Куйпера, субмиллиметровый диапазон, собственное движение

1. Введение

Со времени ввода в строй Большой Атакамский Миллиметровый/Субмиллиметровый Массив (АЛМА) сделал множество открытий. Например, АЛМА нашел галактику с удивительно большим как для ранней Вселенной количеством пыли (Watson et al. 2015), измерил самое большое вращение Фарадея, которое показало присутствие магнитного поля в пределах световых дней от сверхмассивной черной дыры (Martí-Vidal et al. 2015) и разрешил активность на поверхности звезды-гиганта асимптотической ветки (AGB) (Vlemmings et al. 2015).

АЛМА также серьезно прогрессировал в изучении объектов Солнечной Системы. В дополнение к наблюдениям больших планет и их спутников (e.g. Cordiner et al. 2015), которые часто использовались для калибровки инструмента, АЛМА оказался мощным телескопом для изучения карликовых планет, астероидов или дальних транснептуновых объектов (ДТНО) (e.g. Moullet et al. 2011). Уже сейчас, в своей самой расширенной конфигурации, АЛМА использовали для составления карты поверхности астероида 3 Юнона, с разрешением всего 60 км  (ALMA Partnership et al. 2015). И в следующих планируемых наблюдениях АЛМА сможет работать по многим объектам Солнечной Системы. Но вследствие небольшого поля зрения, АЛМА трудно использовать для поиска новых объектов - такие открытия можно совершить лишь случайно.

В этой статье мы заявляем об открытии неизвестного объекта, возможно, принадлежащего Солнечной системе, во время наблюдения нами звезды AGB W Орла. В §2 мы рассказываем о своих наблюдениях, обработке данных и результатах. В §3.1 мы обсуждаем вероятность того, что это внегалактический источник фона. В §3.2 мы размышляем о возможности того, что это не связанный гравитационно объект внешней Солнечной Системы, а в §3.3 мы описываем, что, скорее всего, это связанный гравитационно Кентавр или Транснептуновый объект на расстоянии от 10 до 20 а.е. Выводы представлены в заключении - §4.

2. Наблюдения и результаты.

Наблюдения проведены в две эпохи - 20 марта и 14 апреля 2014 года как часть проекта 2012.1.00524.S (PI: Ramstedt, S.). Установки наблюдений в этом проекте представляли собой 10-точечную мозаику, равномерно покрывающую 25" у звезды AGB W Орла и описаны в деталях здесь - 2012.1.00524.S (PI: Ramstedt, S.). Для анализа в этой статье мы используем только наблюдения главного массива АЛМА с разрешением 0.49"x0.44" с максимальным масштабом в 6". Наблюдения АЛМА в компактном режиме не включались. Для создания континуума данных были использованы усредненные данные обработанных 4 спектральных окон по 1.875 ГГц после удаления паразитных линий. На изображениях мы достигли плотности континуума в 0.39 mJy/beam и 0.45 mJy/beam на первую и вторую эпоху соответственно. Для потоковой калибровки был использован Титан 20 марта и квазар J1924-2914 (2.40 Jy) - для калибровки полосы. Калибровка усиления велась по J1911-2006 (0.50 Jy). Для наблюдений 14 апреля был использован J1924-2914 (2.35 Jy) для калибровок потока и полосы, а J1911-2006 (0.50 Jy) - для калибровки усиления.

Наблюдения третьей эпохи была сделаны во время проекта ALMA DDT (2012.A.00041.S, PI: Vlemmings, W.) (прим. перев.: далее идет абзац, описывающий особенности калибровки в третью эпоху, который можно безболезненно выпустить).

В дополнение к эмиссии континуума от W Орла, видной во всех трех эпохах, в первых двух был обнаружен четко различимый вторичный источник. В третью эпоху этот источник не виден на уровне 3σ 1.05 mJy. На рис. 1 показаны изображения первых двух эпох, созданных после удаления самой W Орла в плоскости (u,v). В обоих случаях источник появляется при сигнале >5.8σ. (прим. перев.: снова выпустим немного текста, перейдя к главному)

Оба источника разделяет 5.9".  Мы считаем, что если только в АЛМА нет какой-то неизвестной нам еще систематической ошибки, эти источники реальны, и их отсутствие в третьей эпохе весьма важно.

Рис. 1. Слева - наблюдения 20 марта, справа - 14 апреля. Чувствительность массива разная, поэтому после обработки данных видно разное количество объектов.  Найденный загадочный объект находится на левом снимке точно по координатам (0,0), а на втором он сместился левее и слегка вниз (смотрите сильно очерченный объект около координат (6,-2). Сама звезда W Орла ... вырезана отсюда полностью, но ее положение - точно в центре обоих снимков. 


3. Обсуждение
3.1. Источники фона

Установив, что сигналы, полученные в первые две эпохи, реальны, приступим к обсуждению их возможной природы.

Во-первых, это могут быть источники далекого фона (прим. перев.: ..и снова пропустим немного несущественного текста)
Поскольку площадь покрываемой наблюдениями области - всего около 0.14 квадратной угловой минуты, количество потенциальных далеких галактик фона в ней должно быть очень мало. Если мы имеем дело с несвязанными между собой объектами, должна быть более чем пятикратная переменность яркости каждого из них, чтобы объяснить это "перемещение".  При этом вероятность, что на таком участке неба могут оказаться такие переменные объекты, крайне низкая - это потребовало бы в итоге огромную плотность подобных объектов на единицу угловой площади, и подобное население на этих длинах волн уже бы давно обнаружили.

Принимая во внимание то, что наблюдаемая область находится всего в 8.5 градусах ниже плоскости Млечного Пути, мы не могли исключать наличия объекта внутри нашей Галактики. Для этой области ранее не было никаких свидетельств о наличии подобной переменности блеска звездоподобных объектов, которые могли бы показывать сильную субмиллиметровую эмиссию на этих длинах волн. Поэтому два независимых друг от друга объекта галактического происхождения переменной яркости тоже отпадают. Далее мы продолжили с предположением, что мы имеем дело с единственным перемещающимся объектом, который в дальнейшем именуем как Gna.

Рассмотрим случай, что Gna - движущийся звездный объект. Возможные орбиты такого объекта с учетом того, что он вышел за границы поля зрения в эпоху наблюдения 3, приведены на рис. 2. На этой основе мы пришли к выводу, что, если только объект не показывает сильную переменность своего блеска, можно исключить расстояния >4000 а.е., что с учетом его перемещения в 87"/год дает скорость в 410 км/с (если не принимать во внимание параллакс). Подобная скорость крайне маловероятна для звезд в радиусе 0.3 пк, что сразу же выводит из списка кандидатов возможные спутники самой W Орла, которая расположена на расстоянии около 395 пк (Danilovich et al. 2014). То есть расстояние в десятые парсека приводит Gna во внешние пределы Солнечной Системы.

Рис. 2. Потенциальные траектории Gna на основе наблюдений АЛМА (черные жирные точки). Штрих-пунктирная рамка показывает размер поля зрения наблюдений третьей эпохи, когда объект не наблюдался. Черная сплошная линия - траектория источника, если он находится на расстоянии в 20 а.е., зеленый пунктир - 2000 а.е., синий - 10000а.е., красный - 25000 а.е. Пустые кружки соответствующего цвета показывают предположительно положение источника во время наблюдений третьей эпохи, и для расстояния в 20 а.е. эта точка лежит в 1 градусе вне рисунка. Длина стрелок подчеркивает собственное движение, где 1"=2 км/c для каждой из орбит.


3.2. Удаленный гравитационно-несвязанный источник в Солнечной Системе

Хотя смещение Gna как показано на рис.2 довольно большое, оно не является параллактическим. Параллакс начинает чувствоваться для расстояний менее нескольких десятых парсека. И, чтобы объяснить наши наблюдения, параллактическое смещение должно было быть компенсировано увеличенным значением скорости - до 8.7км/c, как показано на рис.3.

Рис 3. Небесная скорость для Gna на расстояниях до 0.1 пк. До 1000 а.е. скоростной компонент для компенсации параллактического смещения будет доминантным в наблюдаемом движении, давая минимальную скорость в 8.7 км/с. Тонкие линии показывают конверт возможных ошибок на основе орбитальных вычислений.

(прим перев. "Конверт возможных ошибок" - как это романтично!)

На рис.4 мы приводим кеплеровскую скорость в перигелии, отвечающую максимальной скорости гравитационно связанного объекта с большой полуосью а. Обозначения рис.4 показывают максимальное текущее расстояние на основе соответствующих эллиптических орбит, когда Gna еще мог бы быть гравитационно-связанным телом. В таком случае это должны быть расстояния от 12 до 25 а.е. Поэтому, если тело находится во внешних пределах Солнечной системы, оно гравитационно не связано с ней.

Рис.4. Кеплеровская скорость гравитационно-несвязанного тела на круговой орбите (сплошная черная линия) и максимальная скорость в перигелии для гравитационно-связанного тела на эллиптических орбитах с разными эксцентриситетами е (красная, синяя и зеленая штрих-пунктирные линии). Скорость приведена как функция большой полуоси а. Горизонтальная линия соответствует измеренной скорости Gna. Символы обозначают расстояние перигелия, на которых наблюдаемая скорость соответствует орбитальной для одной круговой и трех эллиптических орбит. Круг соответствует круговой орбите, синий треугольник - орбите с е=0.25, квадрат - с е=0.44 и ромб - с е=0.95.

В таком случае самым интересным случаем было бы, если это планетное тело или коричневый карлик на внешней границе облака Оорта. Было несколько работ, предполагающих, что объяснения комет, влетающих во внутреннюю Солнечную систему, требуется наличие массивного тела на границе облака Оорта где-то около 1000 а.е. (e.g. Matese и Whitmire 2011). Но эту гипотезу сейчас подвергают сильным сомнениям. Совсем недавно инфракрасные наблюдения WISE установили, что нет никаких доказательств присутствия планеты массы Сатурна до 28000 а.е., Юпитера - до 82000 а.е., и коричневого карлика размером с Юпитер - до 260000 а.е. в положениях, предсказанных Matese и Whitmire (Luhman 2014). Субмиллиметровое значение яркости в 3 mJy на расстояниях от 5 до 50 тыс а.е. показало бы, что этот объект сохранил свое тепло или сам его генерирует, поскольку он явно получает недостаточно тепла от Солнца, чтобы иметь такую яркость в отраженном свете. Поэтому такие рассуждения приводят к большой планете (в пределах Нептун-Сатурн) или коричневому карлику размером с Юпитер, если Gna находится на расстоянии около 20 тыс а.е. Но, как отмечалось ранее, наблюдения третьей эпохи отбросили расстояния более 4 тыс а.е., если только Gna не показывает сильную переменность блеска. И, хотя, коричневые карлики и могут показывать переменность до 30% (Robinson и Marley 2014), субмиллиметровая эмиссия планет Солнечной системы гораздо ниже (e.g. Muhleman и Berge 1991). Поэтому непохоже на то, что Gna представляет собой гравитационно несвязанное планетное тело или коричневый карлик на расстояниях более 4000 а.е., хотя мы и не можем целиком исключить возможность,  что это большое планетное гравитационно несвязанное тело, которое движется с большой скоростью. Скажем, если Gna находится на расстоянии около 100 а.е., предполагая, что у него очень низкое альбедо и эмиссия серого тела, его диаметр мог быть до 3500 км. Подобная яркость может также соответствовать Нептуну на расстоянии 5200 а.е.

3.3. Близкий Кентавр или транснептуновый объект.

Наконец, мы рассматриваем случай, когда Gna гравитационно связан с Солнцем, то есть его положение на рис.4 - между 12 и 25 а.е. Такое расстояние показывает, что, скорее всего Gna - это кентавр, с большой полуосью между орбитами Юпитера и Нептуна, или ДТНО. Базируясь на таких предположениях мы можем ограничить его размер как показано на рис.5. Эта диаграмма показывает зависимость размера от расстояния объектов типа кентавр, там же для иллюстрации приведены Плутон и Церера. С учетом излучения серого тела, можно прикинуть размер подобного объекта в диапазоне от 220 до 880 км в зависимости от альбедо и расстояния. Это значение делает его самым большим кентавром из известных на текущий момент (de la Fuente Marcos и de la Fuente Marcos 2014).

Рис.5. Размеры и расстояния всех известных на текущий момент кентавров и рассеянных объектов диска Солнечной Системы с прямыми (черные кружки) и ретроградными (зеленые) орбитами (http://www.minorplanetcenter.net/iau/lists/t_centaurs.html). Крестиками отмечены Плутон и Церера. Сплошная черная линия показывает функцию размера от расстояния для Gna в случае излучения черного тела температурой 150К. Голубая и красная линии показывают эту же функцию в случае излучения серого тела соответственно для альбедо 0.95 и 0.05. Вертикальная линия с короткими штрихами - предел расстояния на основе вычисленных значений (до 4000 а.е.), вертикальные линии с длинными штрихами - диапазон от 12 до 25 а.е. в случае, если Gna - гравитационно связанный объект на круговой орбите.

Как отмечено на рис.2 в таком случае параллактическое смещение будет очень большим. И тогда можно было бы поинтересоваться, а как можно было в таком случае поймать объект в такое маленькое поле зрения в обе эпохи наблюдений. К счастью, наши наблюдения были сделаны около того времени, когда видимое параллактическое смещение, связанное с движением вокруг Солнца, в направлении на W Орла меняет свое направление (Солнце располагалось практически перпендикулярно к W Орла), что значительно увеличило шансы обнаружить объект.

Вычисление орбиты показало, что на расстоянии 12~25 а.е. орбитальное движение является ретроградным с наклоном в 120 градусов, и Gna в текущий момент находится в пределах 10 градусов от эклиптики. Все это делает Gna членом подкласса ретроградных кентавров, которые, как сейчас считается, являются пришедшими из облака Оорта объектами на нестабильных орбитах (Volk и Malhotra 2013; de la Fuente Marcos и de la Fuente Marcos 2014). Как показано на рис.5 Gna является самым большим объектом своего подкласса.

С учетом его размера, возникает вопрос, почему его не нашли раньше, поскольку наши предыдущие наблюдения участка в пределах 1' от W Орла его не показали. Ответом может являться то, что поскольку W Орла располагается всего в 8.5 градусах от плоскости Галактики, большинство обзоров ее избегали, чтобы не создавать путаницу (e.g. Sheppard et al. 2011)

Наилучшим способом, чтобы подтвердить, что Gna является кентавром или ДТНО, является проведение периодических наблюдений участка около W Орла в разных длинах волн близко к датам, когда он был впервые обнаружен.

4. Заключение

На основе наших наблюдений трех эпох на частоте 345 ГГц, мы заключаем, что:
- наблюдения континуума четко свидетельствуют о наличии источника уровня ~3mJy в разных точках для эпох, разделенных 25 днями. Если это не какой-то еще неизвестный систематический дефект АЛМА, мы считаем, что сигнал реальный. Практически исключено, что это шум, но даже в этом случае для подтверждения природы сигнала необходимо провести дополнительные систематические наблюдения на АЛМА
- последовательность потока и малая вероятность присутствия там двух независимых объектов фона переменной яркости, привели к выводу, что мы имеем дело с одним перемещающимся источником, названным Gna. 42 дня спустя, в третью эпоху наблюдений, объект не был виден.
- На основе видимого перемещения объекта почти в 6"между двумя эпохами, мы сделали вывод, что он находится на расстоянии менее 0.3 пк. Предполагая, что Gna не показывает сильной переменности блеска, его отсутствие в результатах наблюдений третьей эпохи, помещает его на расстояние до 4000 а.е. Только в случае пятикратного изменения блеска, Gna может быть большим планетным телом или коричневым карликом во внешних пределах Солнечной системы.
- Наблюдения не могу целиком исключить возможность того, что это гравитационно несвязанный большой объект на расстояниях до 4000 а.е. Его наличие в данных наблюдений двух из трех эпох и постоянство сигнала соответствует планете размером с Нептун на расстоянии около 2500 а.е.
- Если же объект гравитационно связан с Солнечной системой, наиболее вероятным объяснением его природы является то, что он принадлежит небольшой группе больших кентавров с ретроградной орбитой или транснептуновым объектам. В этом случае его расстояние находится в пределах от 12 до 25 а.е., а размер - от 220 до 880 км.