Звездный проход: Как встреча с яркими звездами оставила след в окрестностях Солнечной системы

Примерно 4,5 миллиона лет назад Солнце прошло на удивительно близком расстоянии от двух невероятно ярких звезд, чье излучение наводнило ближайшее космическое пространство. Согласно новому исследованию, эта встреча оставила призрачный «шрам», который астрономы могут обнаружить и сегодня.

Ученые утверждают, что это тесное сближение помогает разгадать многолетнюю загадку: почему пространство вокруг нашей Солнечной системы гораздо более ионизировано (энергетически «возбуждено»), чем предсказывают модели, включая избыток ионизированного гелия.

С помощью компьютерного моделирования, «отмотав назад» траектории звезд вблизи Солнца, группа астрофизиков под руководством Майкла Шалла из Университета Колорадо в Боулдере обнаружила, что две бело-голубые звезды, Бета и Эпсилон Большого Пса, прошли в пределах 30 световых лет от Солнца около 4,5 миллиона лет назад.

Сегодня эти звезды отмечают переднюю и заднюю лапы созвездия Большого Пса, находясь более чем в 400 световых годах от нас. Однако миллионы лет назад, когда они пролетали мимо Солнечной системы, они были моложе, горячее и ярче. Их прохождение, возможно, совпало по времени с эпохой, когда по Земле ходила Люси — исключительно хорошо сохранившийся скелет предка человека, обнаруженный в Эфиопии в 1974 году.

«Они не направлялись прямо на нас… но это близко, — рассказал Шалл Live Science. — Если бы Люси и ее сородичи взглянули вверх, двумя самыми яркими звездами на небе были бы не Сириус, а Бета и Эпсилон Большого Пса».

Результаты исследования были опубликованы 24 ноября в The Astrophysical Journal.

Неразгаданная тайна

Сегодня Солнечная система дрейфует сквозь разреженную смесь более десятка ближайших клочковатых облаков газа и пыли, называемых локальной межзвездной средой. Она состоит в основном из водорода и гелия и простирается примерно на 30 световых лет от Солнца.

Астрономы полагают, что эти облака были сформированы за несколько миллионов лет ударными волнами от взрывов сверхновых в области Скорпиона-Змееносца — богатом скоплении массивных звезд примерно в 300 световых годах от Земли, которое сжало межзвездный газ в тонкие локальные облака, наблюдаемые сегодня.

Наблюдения, начиная с 1990-х годов, в том числе с помощью ныне завершившего миссию космического телескопа NASA EUVE, показали, что эта область необычно сильно ионизирована. В частности, атомы гелия теряли свои электроны почти в два раза чаще, чем можно было бы ожидать по сравнению с водородом.

Этот дисбаланс озадачивал ученых, поскольку для ионизации гелия требуется более энергичное излучение, чем для водорода. Это делает повышенный уровень его ионизации трудным для объяснения одним лишь излучением Солнца, которое не простирается так далеко за пределы системы.

Чтобы исследовать эту загадку, Шалл и его коллеги рассчитали свойства и ультрафиолетовое излучение Беты и Эпсилона Большого Пса, используя данные спутника ESA «Гиппарх», который в ходе четырехлетней миссии (завершившейся в 1993 году) составил карту положений более миллиона звезд.

Зная, на каком расстоянии находятся эти звезды сегодня (около 400 световых лет) и как быстро они движутся, команда смогла проследить их путь назад во времени и реконструировать их тесное сближение с Солнечной системой примерно 4,5 миллиона лет назад.

«Это как танцпол»

Модели команды показывают, что разреженные локальные облака были бы интенсивно ионизированы излучением двух звезд — до уровней в 100 раз сильнее, чем наблюдаемые сегодня. Со временем газ должен был медленно возвращаться к более нейтральному состоянию в процессе рекомбинации, когда свободные электроны вновь присоединяются к ионам, образуя атомы.

«Это как танцпол, — объяснил Шалл. — У вас есть протоны и электроны, которые кружатся в танце: иногда они танцуют вместе, а иногда разлетаются в стороны».

Но этот процесс требует времени, а постоянное воздействие излучения из других источников продолжает поддерживать газ частично ионизированным, отметил Шалл. Ранее астрономы уже идентифицировали другие источники ионизирующего излучения, включая три близлежащие белых карлика (G191-B2B, Feige 24 и HZ 43A) — компактные остатки звезд, известные сильным ультрафиолетовым излучением. Исследователи также указывали на «Местный пузырь» — обширную область горячего газа размером около 1000 световых лет вокруг Солнечной системы, раздутую древними сверхновыми.

«Более энергичные фотоны предпочтительно ионизировали именно гелий. В этом суть», — заключил он.

Собирая пазл

Хотя надежные данные о движении звезд существуют уже десятилетиями, Шалл отметил, что решить проблему стало возможно лишь недавно. Прогресс в ультрафиолетовых и рентгеновских наблюдениях, достигнутый благодаря суборбитальным ракетным полетам, усовершенствованные модели звездной эволюции и атмосфер, а также вычислительные мощности для их запуска, наконец позволили ученым соединить все элементы.

«Проблема созрела в том смысле, что все части головоломки начали складываться воедино», — сказал Шалл.

Выводы исследования могут иметь последствия и ближе к дому. Локальные облака помогают защищать планету от высокоэнергетических частиц, блуждающих по Галактике, которые, как подозревают ученые, могут разрушать озоновый слой Земли.

Однако не ожидается, что Солнце останется внутри этих защитных облаков навсегда. По мере его дрейфа по Галактике, по оценкам исследователей, оно может покинуть эту область уже через 2000–несколько десятков тысяч лет. «И тогда нас ждет огромная доза излучения», — предупредил Шалл.

Говоря о будущем, Шалл отметил, что понимание того, как атомы в локальных облаках переходили между более заряженным и более нейтральным состояниями по мере приближения, прохождения и удаления двух звезд от нашей системы, остается частью более крупной головоломки, которую ученые все еще собирают. «Проблема не решена полностью, — признал он, — но я думаю, мы на верном пути».

Это открытие поднимает новые вопросы о динамике ближайшего к Солнцу космического пространства и его влиянии на нашу планету в долгосрочной перспективе. Если подобные тесные проходы ярких звезд происходят с периодичностью в несколько миллионов лет, то история Солнечной системы и Земли могла неоднократно подвергаться подобным «звездным облучениям».

Следующим шагом для ученых может стать поиск аналогичных следов ионизации от других звезд, которые в далеком прошлом могли приближаться к Солнцу еще ближе. Кроме того, предстоит более точно смоделировать, как именно менялась плотность и химический состав локальной межзвездной среды после такого мощного воздействия. Не исключено, что «звездные шрамы» в виде аномалий в распределении ионизированных элементов — более частое явление в Галактике, чем считалось ранее.

Исследование Шалла и его коллег не только проливает свет на прошлое нашего звездного окружения, но и заставляет задуматься о будущем. Выход Солнца из защитного газового «кокона» в более разреженную и, возможно, более радиоактивную среду Местного пузыря может стать серьезным вызовом для биосферы Земли, хотя и в отдаленном будущем. Это еще один аргумент в пользу того, что изучение ближнего космоса — это не просто фундаментальная наука, а еще и способ лучше понять хрупкость нашей планетарной среды в контексте галактических процессов.