Форму и ускорение Оумуамуа объяснили водородным льдом в его составе
Ученые выяснили, что наблюдаемые свойства Оумуамуа можно объяснить значительным содержанием льда из молекулярного водорода в составе астероида. Согласно теоретическим расчетам, сублимация такого льда способна дополнительно ускорить объект, а сопутствующая потеря массы — придать ему вытянутую форму. Статья будет представлена в The Astrophysical Journal Letters, ее препринт доступен на arXiv.org.
Оумуамуа (1I/ʻOumuamua) стал первым в истории наблюдений макроскопическим межзвездным объектом, который пролетел через Солнечную систему. Открытие небесного тела произошло в октябре 2017 года в Обсерватории Халеакала на Гавайях. Когда его разглядели с помощью телескопа Pan-STARRS, Оумуамуа находился всего в 30 миллионах километров от Земли (в пять раз ближе Солнца).
Первоначально астрономы приняли объект за комету, но после отнесли его к классу астероидов. Вскоре после открытия ученые определили форму и физические свойства объекта: правда, согласно одним оценкам, он оказался плотным вытянутым сигаровидным телом длиной в несколько сотен и диаметром в десятки метров, согласно другим — сплюснутым эллипсоидом тех же размеров. Кроме того, выяснилось, что на исходящей траектории астероид приобрел дополнительное (негравитационное) ускорение, которое не удалось надежно объяснить сублимацией водяного льда (по аналогии с известными кометами Солнечной системы).
Дэрил Селигман (Darryl Seligman) из Чикагского университета и Грегори Лафлин (Gregory Laughlin) из Йельского университета теоретически описали дополнительное ускорение астероида в результате сублимации определенного типа вещества с его поверхности. В качестве моделей небесного тела ученые использовали эллипсоиды (как вытянутый, так и сплюснутый), а при вычислениях использовали данные об энергии, которую Оумуамуа получал от Солнца: они известны с высокой точностью благодаря определению траектории объекта. Авторы рассмотрели девять типов молекулярного льда и для каждого из них вычислили долю поверхности тела, которую необходимо покрыть веществом, чтобы воссоздать наблюдаемое ускорение.
Расчеты показали, что наименьшей доли поверхности требует лед молекулярного водорода (H2) — это вещество способно придать астероиду наблюдаемое ускорение как в случае сплюснутой, так и в случае вытянутой формы. Сплюснутый астероид, по оценкам ученых, также мог быть покрыт молекулярным азотом, неоном или аргоном — в таких сценариях, однако, требуется значительно большая доля поверхности.
Для случая молекулярного водорода исследователи также рассмотрели процесс потери массы и сопутствующее изменение формы во времени. Выяснилось, что на момент попадания в Солнечную систему наибольший поперечный размер астероида мог превосходить наименьший в два-три раза, тогда как вблизи Земли из-за потери вещества — уже в шесть-восемь раз. Присутствие водородного льда, таким образом, позволило объяснить необычную геометрию объекта — ее могла вызвать сравнительно небольшая асимметрия тела на этапе формирования.
Ранее выдвигались и другие гипотезы о природе Оумуамуа. Так, в этом году ученые объяснили его форму и ускорение особым сценарием формирования, а вскоре после открытия объекта даже пытались обнаружить на астероиде следы инопланетной цивилизации, однако позже признали его естественное происхождение.
Николай Мартыненко
Для этого он снимал на видео и моделировал работу этой игрушки
Американский физик экспериментально и теоретически исследовал вращение нити в стрингшутере — игрушке, в которой небольшие вращающиеся колеса формируют в воздухе стабильные нитевые петли. Построенная ученым модель хорошо объяснила опыт и при этом оказалась достаточно простой, чтобы использовать ее на занятиях по механике. Исследование опубликовано в The Physics Teacher. Стрингшутер (иногда струнный шутер) — это игрушка, представляющая собой длинную замкнутую нить, вращающуюся вдоль своей длины под действием управляющих колесиков или валов подобно лассо. Замечательная особенность стрингшутера в том, что при правильных условиях в воздухе образуется стабильная веревочная петля, по которой можно запускать волны. Этот факт привлек внимание физиков сравнительно недавно и получил удовлетворительное математическое объяснение. Вместе с тем, игрушка могла бы стать хорошим дидактическим материалом при изучении физики, поэтому было бы полезно построить достаточно простую теорию, описывающую петлю, но в то же время объясняющую эксперимент. Сделать это удалось Карлу Мамола (Karl Mamola) из Аппалачского университета. Он записал систему простых уравнений для петли стрингшутера и численно решил их, сравнив результат с вращением нити в настоящей игрушке, а также показал, откуда возникает ее устойчивость. Чтобы двигающаяся петля оставалась в равновесии, необходимо, чтобы была равна нулю не только действующая на нее равнодействующая сила, но и полный момент сил. Особенность игрушки в том, что колеса не создают такого момента, поскольку прилагаемая ими сила имеет нулевое плечо. Аэродинамической подъемной силы в этом случае также не возникает из-за того, что воздушный поток вокруг нити симметричный. Вместо этого воздух создает силу сопротивления, зависящую от скорости. А поскольку модуль скорости постоянен вдоль нити, то таким же свойством обладает и сила сопротивления. Ее интегральное действие на всю петлю формирует момент сил, направленный противоположно гравитационному моменту и обеспечивающий равновесие. С учетом этого факта физик рассмотрел бесконечно малый участок нерастяжимой и абсолютно гибкой нити и записал для него второй закон Ньютона для движения и вращения. Численное интегрирование этих уравнений способно восстановить форму петли, для чего ученому нужны были какие-то конкретные параметры петли. Он взял их из эксперимента с реальной игрушкой, произведенной фирмой LoopLasso, с нитью стрингшутера длиной 3,08 метра и массой 2,72 грамма и диаметром колес 2,7 сантиметра. Боковая фотография нити и ее последующая оцифровка позволили получить координаты участков петли и ее общие параметры: размер, угол запуска и угол возврата. Также физик пометил один из участков нити маркером, что позволило вычислить скорость нити по видео — она составила 7,5 метра в секунду. Автор использовал добытые параметры в моделировании. Единственную неизвестную величину — коэффициент сопротивления — он извлек из подгонки с наилучшим соответствием. Результаты моделирования оказались в хорошем согласии с опытом. Отклонения наблюдались только в области большой кривизны — физик связал это с невыполнением требования абсолютной гибкости. На основе развитой модели он также показал, что момент силы тяжести уравновешивается сопротивлением воздуха вдоль всей нити. Ранее мы рассказывали, как физики объясняют механику других повседневных вещей и явлений: падения бутерброда маслом вниз, живучесть кошек при падении с высоты и переноску чашки с кофе.