Недавние изображения межзвездного объекта 3I/АТЛАС показывают плотно коллимированную струю антихвоста, которая тянется в сторону светила как минимум на 400 000 километров (антихвостом здесь называют поток, направленный к источнику света, а не от него, что и выглядит непривычно).
Обычно предполагают, что свечение в этой струе возникает из-за рассеяния солнечного света пылевыми частицами.
Здесь мы выводим ограничения на характерный размер этих частиц, исходя из того, что их источник - естественная комета, без каких-либо нештатных механизмов выброса.
Если эти частицы стартуют с начальной скоростью В, то они могут пройти расстояние Л, прежде чем их остановит радиационное замедление А, создаваемое давлением излучения:
Л=В²/(2А).
Сила солнечного излучения, действующая на сферические частицы радиуса Р, большего чем длина волны солнечного света, по порядку величины равна потоку импульса солнечного света на гелиоцентрическом расстоянии р, а именно ~Л_с/(с4πр²), где Л_с обозначает светимость светила, а с обозначает скорость света, умноженному на площадь поперечного сечения частицы, а именно (πР²).
На гелиоцентрическом расстоянии р~2 а.е., где были получены эти недавние изображения, радиационное замедление для частицы с плотностью вещества 1 г/см³ составляет:
А~ (0,1 см/с²)*(Р/1 мкм)^{-1}.
Следовательно, чтобы достичь Л~400 000 км, начальная скорость этих пылевых частиц должна быть
В~(900 м/с)*(Р/1 мкм)^{-1/2}.
Для субмикронной пыли эта скорость превышает тепловую скорость газовых частиц на таком расстоянии от светила и потому выглядит физически неприемлемой, даже если допустить идеальные условия разгона.
Такой скорости нельзя достичь, если 3I/АТЛАС - естественная комета, даже если пыль идеально подхватывается истекающим газом от сублимации летучих веществ на поверхности ледяного камня под действием солнечного света.
Радиационное замедление масштабируется обратно пропорционально радиусу частицы и должно быть ещё больше для более мелких частиц, радиус которых сравним с характерной длиной волны солнечного света, ~0,5 мкм.
В итоге наблюдаемая длина антихвоста, создаваемого 3I/АТЛАС, может поддерживаться только частицами с радиусом намного больше, чем у обычных пылевых частиц, которые имеют наибольшую площадь поверхности на единицу массы для рассеяния солнечного света и обычно доминируют в свечении вокруг комет Солнечной системы.
Следовательно, 3I/АТЛАС аномален по размеру частиц, которые доминируют в свечении его струи, направленной к светилу.
Свечение антихвоста 3I/АТЛАС определяется частицами, которые крупнее типичной пыли, наиболее эффективно рассеивающей солнечный свет.
Это требуется, чтобы объяснить, почему струя, направленная к светилу у 3I/АТЛАС, намного длиннее, чем у знакомых нам комет.
С момента открытия было сделано заключение, что наблюдаемый струйный антихвост в 10 раз длиннее, чем шире - после поправки на угол проекции 10 градусов на снимке телескопа Хаббл от 21 июля 2025 года.
Сильная коллимация антихвостового струйного выброса 3I/АТЛАС может быть результатом выброса крупных частиц с очень небольшой доли поверхности ядра.
Кроме того, существует и верхний предел того, насколько большими могут быть эти частицы антихвоста.
Слишком крупные частицы имеют меньшую площадь поверхности на единицу массы и не могут легко быть разогнаны газом до требуемой высокой скорости В.
Потеря массы со стороны 3I/АТЛАС, обращенной к светилу, по данным телескопа Уэбба оценивалась как Мточ~150 кг/с и могла увеличиться в несколько раз возле перигелия (то есть вблизи точки наименьшего расстояния до светила).
Для расчёта мы примем повышенное значение Мточ~500 кг/с для постперигелийного антихвоста, наблюдавшегося последние пару месяцев.
При такой скорости потери массы плотность истекающего газа Д убывает обратно пропорционально квадрату расстояния д от ядра 3I/АТЛАС, согласно соотношению:
Д=Мточ/(ОВд²)
где О является коническим телесным углом истекающей струи, направленной к светилу.
Недавние изображения 3I/АТЛАС показывают, что струя антихвоста коллимирована внутри конуса с угловым радиусом раскрытия около 8 градусов - что соответствует О=0,06.
Использование этого значения вместе с выведенным выражением для В даёт массовую плотность струи как функцию расстояния д:
Д~(10^{-8} г/см³)(Р/1 мкм)^{1/2}(д/1 км)^{-2}.
Время, требуемое для того, чтобы сопротивление потока газа разогнало частицу твёрдой плотности с радиусом Р до скорости истекающего газа В, составляет:
~8Р/[В*(Д/1 г/см³)] ~ (1 с)(Р/1 мкм)(д/1 км)^{2}.
Это время разгона масштабируется как (Р*О/Мточ)*д² и не зависит от начальной скорости истечения газа В (которая в итоге, по принятому допущению, выравнивается со скоростью частиц за счёт сопротивления).
Это время разгона должно быть меньше времени разбавления струи, за которое истекающий газ разрежается с расстоянием д от ядра:
~(д/В)=(1 с)(д/1 км)(Р/1 мкм)^{1/2}.
Это неравенство возможно только для достаточно малых частиц, при:
(Р/100 мкм) < (д/100 м)^{-2}.
Чтобы типичный радиус частицы был больше 100 микрон, радиус ядра должен быть меньше 100 метров.
Это запрещено нижней границей на радиус ядра, выведенной из данных снимка телескопа Хаббл.
Принятие более скромного значения Мточ возле перигелия уменьшило бы предел на максимальный размер частиц.
В итоге радиус частиц в выбросе из 3I/АТЛАС должен быть больше 1 микрона, чтобы они достигали наблюдаемой длины струи антихвоста, и меньше 100 микрон, чтобы они успевали набрать требуемую скорость струи за счёт сопротивления истекающего газа.
Эти требования относятся к естественной комете, где антихвост питается сублимацией льда, но не к экзотическому источнику - например к выхлопу ракеты, который мог бы придать частицам и газу произвольную скорость выброса.
Дополнительные ограничения на типичный размер частиц можно получить через прямое измерение скорости В струи, направленной к светилу, по спектроскопическому измерению её доплеровского смещения относительно ядра 3I/АТЛАС.
Пусть эта история останется у вас как аккуратное напоминание: за видимым всегда прячется ещё один слой смысла, и его приятно разбирать, как старую карту, не спеша - продолжайте изучение магии и эзотерики.
SapphireBrush
Для ДОНАТОВ
Запись на консультацию
Канал в Телеграм
Группа ВКонтакте