Мафусаил познал Галактику

Астрономические открытия 2013 года в «Газете.Ru » представляет ведущий научный сотрудник ГАИШ МГУ Сергей Попов

Сергей Попов 27.12.2013, 08:35
Звезда Мафусаил позволяет лучше понять эволюцию нашей Галактики NASA
Звезда Мафусаил позволяет лучше понять эволюцию нашей Галактики

Три загадочные вспышки, тысячи экзопланет и Мафусаил — самая старая звезда: «Газета.Ru» представляет обзор самых значимых событий в астрономии в 2013 году.

В данном тексте мы постараемся наиболее широко охватить спектр астрофизических исследований, используя для этой цели обзоры астрофизической части архива (arXiv.org). Сейчас в этом разделе появляется более 1 тыс. статей в месяц. По сути, все основные результаты проходят через архив. Начнем рассказ с непонятного.

1. Загадочные всплески

В астрономии нередко обнаруживают вспышки, природу которых оказывается очень трудно установить. В этом году было три подобных открытия, заслуживающих подробного рассмотрения.

Все слышали про гамма-всплески, открытые еще в конце 1960-х годов с помощью американских спутников-разведчиков, запущенных для контроля за ядерными испытаниями. Только в конце 1990-х удалось достоверно определить, что они приходят с космологических расстояний. По всей видимости, короткие всплески (длительностью около секунды) связаны со слияниями нейтронных звезд, а длинные — с особым типом сверхновых. Наблюдения показали, что вспышки в гамма-диапазоне могут сопровождаться более долгими всплесками в радио- и видимых лучах. А в 2013 году С. Брэдли Ченко и соавторы обнаружили, что есть всплески, которые в оптике и радио ведут себя подобно источникам гамма-всплесков, вот только самих вспышек на высоких энергиях не видно. Всплеск изначально открыли в видимом диапазоне в рамках проекта «Паломарская фабрика транзиентов» (Palomar Transient Factory). Затем увидели, что и в радиодиапазоне имел место всплеск. Авторы полагают, что они обнаружили первый пример нового типа всплесков.

Возможно, это кузен гамма-всплесков, связанных со сверхновыми, но по какой-то причине жесткое излучение там подавлено.

Другой интересный всплеск был открыт в рентгеновском диапазоне. Питер Йонкер и соавторы изучали архивные данные наблюдений на спутнике Чандра за 2000 год и увидели там вспышку). Расстояние до нее неизвестно, поэтому есть простор для фантазии. Правда, есть одна косвенная улика, которая может навести на след. Вспышка произошла вблизи известной галактики М86. Авторы думают, что дело было так. В небольшом (его не видно) шаровом скоплении галактики М86 белый карлик был разорван приливом, созданным черной дырой промежуточной массы. Речь идет о величине примерно 10 тыс. масс Солнца (гораздо больше тех черных дыр, которые получаются из звезд, и заметно меньше сверхмассивных черных дыр в центрах галактик). Крайне интересная возможность. Правда, не единственная. Может быть, запуск спутника «Спектр-РГ», который будет проводить обзор неба в рентгеновском диапазоне, позволит обнаружить несколько подобных событий и установить их природу.

А теперь — самое главное всплесковое открытие 2013 года.

История началась несколько лет назад. В начале XXI века радиоастрономы научились достаточно хорошо выделять крайне короткие — миллисекунды! — отдельные всплески. Технически это непростая задача, так как в магнитосфере Земли постоянно что-то шумит. Первым открытием с помощью новой методики стало обнаружение нового типа активности нейтронных звезд. Новый тип источников получил название RRATs (Rotating Radio Transients). Но потом подоспело и открытие в области внегалактической астрономии. В 2007 году Дункан Лоример и его коллеги обнаружили миллисекундный радиовсплеск, пришедший с расстояния в миллиарды световых лет. Теоретики бросились придумывать, что же это может быть. И ждали, когда наблюдатели откроют еще что-нибудь в этом роде. Но в радио искать короткие вспышки трудно, так как трудно проводить обзоры большой площади неба. Оценки показывали, что на всем небе такие вспышки могут происходить раз сто в день, но радиоастрономы могут изучать только маленькие участки неба за раз. Новых открытий не было, и постепенно начали набирать силу голоса скептиков, говоривших, что это какое-то новое явление в магнитосфере Земли, а не нечто удивительное на космологических расстояниях.

Еще один похожий всплеск открыли в 2012 году (авторы даже предположили, что это может быть последний вскрик испаряющейся черной дыры — именно поиск таких событий привел в радиоастрономию изобретателя Wi-Fi Джона О'Салливана).

Но этот всплеск был открыт в плоскости нашей Галактики, и было неочевидно, что это близнец всплеска Лоримера. Теперь же удалось поставить жирную точку. Дуглас Торнтон и его коллеги представили данные по четырем новым всплескам, похожим на всплеск Лоримера. То есть теперь мы уверены, что существует удивительный класс миллисекундных радиовсплесков, которые приходят к нам из далеких-далеких галактик. Теперь остается понять, что это. То ли это вспышки магнитаров — нейтронных звезд с большими магнитными полями. То ли это массивные нейтронные звезды превращаются в черные дыры. То ли результат слияния нейтронных звезд… Мы не знаем. Пока не знаем.

2. Сверхновые

От всплесков загадочных перейдем к всплескам известным, но еще не до конца понятным. Что такое сверхновые, известно довольно хорошо уже несколько десятилетий. Но вот охватить все многообразие этих явлений и разобраться в важных деталях процессов не удается до сих пор (достаточно сказать, что компьютерные симуляции так и не могут воспроизвести взрыв без дополнительных ухищрений), а ведь без сверхновых не было бы и нас с вами.

2013 год был богат на обнаружение интересных сверхновых. Например, Козимо Инсерра с коллегами обнаружили взрывы, которые получается хорошо объяснить, лишь предположив, что в результате взрыва родился магнитар, который дополнительно подпитывает светимость сверхновой, что позволяет объяснить, почему сверхновая остается яркой дольше обычного. Эран Офек и его коллеги смогли увидеть судороги звезды примерно за месяц до взрыва, в результате которых звезда выбросила оболочку массой около 1% массы Солнца. Но самое интересное, на мой взгляд, открытие связано со сверхновой PS1-10af, открытой проектом Pan-STARRS.

Райан Чорнок и соавторы обнаружили далекую (красное смещение z = 1,4, то есть свет от нее шел до нас 9 млрд лет) мощную сверхновую, параметры которой не получается объяснить ни одной моделью. Вдобавок к большому энерговыделению она выглядит слишком красной и слишком быстро набирала яркость.

Может быть, обнаружение подобной экзотики в конце концов вдохновит теоретиков на создание действительно реалистичной работающей модели, которая взорвется в компьютере?

3. Нейтронные звезды

После взрывов сверхновых чаще всего остаются нейтронные звезды, потому перейдем к ним. Для пульсарщиков, наверное, одним из важных результатов 2013 года является открытие быстрой перестройки работы пульсара PSR B0943+10, обнаруженной Вимом Хермсеном и его соавторами по одновременным наблюдениям в рентгеновском и радиодиапазоне. Потенциально это может пролить свет на работу «машины пульсара», теоретики как раз продолжают активно изучать этот вопрос, и в уходящем году появилось несколько важных новых исследований. Но мы с вами обсудим чуть детальнее две другие работы.

Во-первых, очередной раз побит рекорд массы нейтронных звезд. Правда, совсем чуть-чуть.

Масса пульсара, открытого Джоном Антониадисом и его соавторами, едва-едва переваливает за две солнечные (ранее рекорд составлял «чуть-чуть менее двух масс Солнца»). Но важно не это. Существенно, что массивная нейтронная звезда входит в очень тесную систему с белым карликом. Про эту двойную много что известно (поскольку белый карлик удалось увидеть непосредственно в оптическом диапазоне, измерить спектры и т.д.), поэтому теперь мы имеем очень хороший инструмент для проверки теорий гравитации. Чем астрономы не замедлят воспользоваться.

Во-вторых, астрономы смогли обнаружить сильное магнитное поле у магнитара со слабым полем. «Парадокс», - скажете вы. Почти. Дело тут вот в чем. Нейтронная звезда SGR 0418+5729 проявляет классическую магнитарную активность. От нее были зарегистрированы вспышки в жестком рентгеновском диапазоне. В стандартной модели такое поведение связывают с выделением энергии мощных электрических токов. Они создают сильные магнитные поля, поэтому чаще говорят о выделении энергии магнитного поля, откуда и название всего класса объектов — магнитары. Магнитные поля одиночных нейтронных звезд (например, радиопульсаров) чаще всего оценивают по темпу замедления их вращения. Так вот SGR 0418+5729 замедляется медленно, что вроде бы говорит о слабом поле. Однако … Если мы посмотрим на Солнце, то, с одной стороны, у него довольно слабое крупномасштабное (так называемое дипольное, то самое, которое похоже на бабочку, или восьмерку, или знак бесконечности) поле, но в окрестности солнечных пятен существуют очень мощные поля, которые, кстати сказать, связаны с солнечными вспышками.

Оказалось, что некоторые магнитары в этом смысле похожи на Солнце.

У этих нейтронных звезд слабое дипольное поле (слабое — это все равно в десятки миллиардов раз больше, чем на Солнце или на Земле, такие поля типичны для радиопульсаров). Зато вблизи поверхности существуют колоссальные магнитные поля. Если Андреа Тиенго и его коллеги все измерили точно, то это самое большое магнитное поле, когда-либо измерявшееся человеком. А сделать это удалось благодаря детальному изучению спектра SGR 0418+5729.

4. Звезды

От звезд нейтронных перейдем к обычным и обсудим два сюжета.

Исследована самая старая звезда. Ее назвали Мафусаил. Звезда находится на стадии субгиганта, где проще точно определить возраст, это и делает объект уникальным. Расстояние до Мафусаила — менее 200 световых лет. Это немного, поэтому объект можно довольно детально изучить. Неточности в оценке возраста связаны только с недостаточно точно определенным химсоставом. С учетом неопределенностей возраст превосходит 13,66 млрд лет. То есть это могла бы быть звезда самого первого поколения, но… Химический состав, по оценкам Ховарда Бонда и соавторов, указывает на заметное (пусть и малое) содержание элементов тяжелее гелия. Так что первые звезды еще предстоит открыть.

Зато Мафусаил позволяет лучше понять эволюцию нашей Галактики.

Марек Николаюк и Роланд Вальтер проанализировали вспышку, которую в 2011 году обнаружил спутник Integral в направлении на сейфертовскую галактику NGC 4845. Всплеск достаточно необычный. По всей видимости, центральная сверхмассивная черная дыра, чья масса оценивается в треть миллиона солнечных, разорвала своими приливами какой-то объект. Необычность связана с этим объектом. Это или очень тяжелая планета, или бурый карлик. Масса пострадавшего — примерно 14–30 масс Юпитера.

5. Экзопланеты

Вот мы и добрались до экзопланет. Конечно, астрономы продолжают снимать сливки в этой крайне молодой области исследований. Только в ней можно выделить десятку самых интересных результатов. Кроме открытий есть даже «закрытия». Например, Пол Калас и его коллеги показали, что объект Фомальгаут b, который считали экзопланетой, таковой не является (правда, возможно, это еще интереснее — такая куча строительного мусора в диске вокруг молодой звезды). Есть крайне интересный, но пока не стопроцентно надежный результат — первое открытие свободной, то есть не вращающейся вокруг какой-нибудь звезды, экзопланеты со спутником, это было сделано методами микролинзирования.

Чуть детальнее поговорим о трех темах — точности измерений, необычных планетах и зонах обитаемости.

Современную точность получения данных об экзопланетах хорошо иллюстрируют два результата. Во-первых, Томас Барклай с коллегами смогли обнаружить в данных спутника Кеплер планету (Кеплер-37b) размером меньше, чем у Меркурия. Это рекорд. Значит, Кеплер так может и в его данных еще могут быть подобные маленькие планеты. Во-вторых, две группы авторов — Франческо Пепе и его соавторы и Эндрю Ховард с коллегами — впервые представили данные сразу и по размеру, и по массе для планеты земного типа. Ее название — Кеплер-78b. Масса составляет 1,86 земной, а радиус — на 16% больше, чем у нашей планеты. Плотность примерно в пять с половиной раз больше, чем у воды. То есть это железно-каменная планета. Казалось бы, а в чем важность? Разве так и не должно было бы быть? Оказывается, что бывает по-всякому, а потому крайне важно с высокой точностью подтверждать ожидания.

Например, возьмем планету Кеплер-87c. По данным Кеплера, ее размер в шесть раз больше земного. А вот масса, согласно данным Авиву Офиру с коллегами, больше, чем у Земли, не в десятки, как можно было бы ожидать, а всего лишь … в те же шесть раз. То есть плотность получается в семь раз меньше, чем у воды. Это рекорд для планет в диапазоне масс менее десяти земных. И загадка. Плохо мы еще знаем, какими могут быть экзопланеты.

Знаем, может, и плохо, но статистику наращиваем. В конце декабря команда Кеплера представила новые данные, основанные на обработке 22 месяцев наблюдений.

Число очень надежных (с вероятностью более 90%) кандидатов в экзопланеты увеличилось более чем на 20% и перевалило за 2,7 тыс.

Число звезд с экзопланетами превосходит теперь 2 тыс.. Возросло и число планет в зонах обитаемости, границы которых, кстати сказать, были слегка пересмотрены. Дело в том, что результаты нового детального моделирования показали, что ранее мы были слишком консервативны, определяя внутреннюю границу области, где на поверхности планеты может существовать жидкая вода. Появилась и новая статистика по планетам типа Земли у звезд типа Солнца на орбитах с периодами около года.

Эти результаты представили Эрик Петигура, Эндрю Ховард и Джоффри Марси. Сложность тут состояла в том, что надо было определить достаточно точно, насколько плохо Кеплер может открывать маленькие планеты с большими периодами. Оценки показывают, что 3,5–7,5% звезд типа Солнца имеют планеты с примерно земным размером и орбитальными периодами 200–400 дней. Это немало!

Наконец, прибавилась интересная система Кеплер-62. В ней пять планет, причем две из них находятся в зоне обитаемости и размеры у них всего лишь 1,4 и 1,6 земных.

6. Галактика

Прежде чем, поговорив о звездах и экзопланетах, покинуть нашу Галактику, бросим на нее еще один взгляд. В этом нам поможет спутник Planck.

На настоящий момент самой цитируемой работой в астрономии является карта галактической пыли по данным спутников IRAS и COBE. Planck — это COBE третьего поколения (вторым был WMAP). Не удивительно, что новая карта пыли в Галактике, теперь уже составленная по данным IRAS и Planck, вскоре сможет стать одной из самых цитируемых статей. Дело в том, что пыль всем мешает, все смотрят сквозь нее и хотят вычистить ее вклад из результатов своих наблюдений. А для этого нужны точные карты.

7. Внегалактическая астрономия

На межгалактических просторах нас ожидает много интересного. Например, установка ALMA, от которой ждут важных данных в первую очередь в области внегалактической астрономии, показала наличие гигантских потоков молекулярного газа с массами, превышающими 10 млрд масс Солнца, в ярких центральных галактиках скоплений Abell 1664 и Abell 1835. Открыта группа из трех квазаров. Это всего лишь второй такой случай. Но нас будут интересовать более далекие объекты.

Начнем с рекорда. С. Финкельштейн и соавторы представили надежное определение красного смещения для самой далекой галактики. Красное смещение z = 7,51 соответствует времени 700 млн лет после начала расширения. Есть кандидаты и в более далекие объекты, но для них нет столь надежного определения красного смещения (по которому и можно определить расстояние). Но важен не только рекорд. Галактика обладает довольно высоким темпом формирования звезд — в сто раз выше, чем сейчас в нашей Галактике. При этом новый объект был обнаружен в небольшом обзоре. То есть эта галактика должна быть довольно типичной.

Таким образом, еще до запуска нового космического телескопа или сверхбольших наземных телескопов мы начинаем узнавать, как выглядели галактики в первые сотни миллионов лет своего существования.

Однако на больших красных смещениях можно обнаружить настоящих монстров звездообразования. Доминик Ришер и его коллеги представили данные наблюдений далекой галактики с темпом образования звезд в 2 тыс. раз больше, чем в нашей Галактике! Объект находится на красном смещении z = 6,34, что соответствует 880 млн лет после Большого взрыва. В галактике много пыли, и наблюдать ее пришлось в инфракрасном диапазоне с помощью космической обсерватории Гершель.

8. Нейтрино сверхвысоких энергий

Как известно, из космоса к нам прилетают частицы высоких энергий. Это космические лучи, в основном протоны, но могут быть и ядра более тяжелых элементов. Энергии превышают энергии частиц в Большом адронном коллайдере в сотни миллионов раз! Но мы не знаем точно, откуда эти частицы летят. Знаем только, что им приходится преодолевать межгалактические расстояния. Почему же мы не можем определить источники? Дело в том, что заряженные частицы отклоняются магнитным полем. И пусть поля в нашей Галактике или вне галактик слабы, зато частицы там находятся долго. Однако, к счастью, есть и нейтральные частицы. Например, нейтрино.

Поиск космических нейтрино сверхвысоких энергий является одной из основных задач установки IceCube в Антарктиде.

Наконец-то группа исследователей представила первые положительные результаты. Ими зарегистрировано почти три десятка событий с энергиями в 2–20 раз выше, чем на LHC. Немного, но и этого очень долго ждали. Пока статистики мало — рано говорить об отождествлении источников с какими-нибудь активными ядрами галактик или другими объектами. Но начало положено, поэтому будем ждать дальнейших новостей.

9. Космология, реликтовое излучение

Наконец-то мы добрались до космологии. Здесь основные результаты связаны с изучением реликтового излучения. Посмотрим, как много можно узнать, изучая его.

Важно понимать, что основные космологические выводы основаны на большом количестве разнообразных, дополняющих друг друга данных, полученных конкурирующими группами, которые, вообще-то говоря, хотели бы не подтвердить известное, а обнаружить что-то новое. Давайте взглянем на очень красивый результат.

Используя Телескоп на Южном полюсе (South Pole Telescope), авторы сумели измерить, как менялась температура реликтового излучения от z = 1,35 (4,7 млрд лет после Большого взрыва) до z = 0,05 (две трети миллиарда лет назад), то есть покрыт диапазон более 8 млрд лет жизни Вселенной. Были использованы данные по полутора сотням скоплений галактик.

Эффект Сюняева-Зельдовича, связанный с взаимодействием фотонов реликтового излучения с электронами горячего газа в скоплениях галактик, позволяет измерить температуру реликта в то время, в котором мы видим скопление.

Полученные результаты прекрасно накладываются на кривую, соответствующую стандартной космологической модели. Что, конечно, является хорошей новостью, но надо двигаться дальше.

Для продвижения вперед ученые осваивают новые методики. На том же South Pole Telescope Д. Хансон с соавторами впервые измерили важную характеристику реликтового излучения. Это так называемая B-мода поляризации. Не будем углубляться в детали. Поясним лишь, насколько эта характеристика важна, что в ней закодировано.

Распространяясь к нам в течение почти 14 млрд лет, свет испытывает влияние всего того, что есть по дороге. В частности, он чувствует гравитацию массивных тел. Самое массивное — это так называемая крупномасштабная структура распределения галактик. Излучение линзируется, пусть и очень слабо, на этой структуре. Информация об этом оказывается спрятанной в B-моде поляризации. Таким образом, потенциально эта характеристика может рассказать нам, как распределено вещество в больших масштабах на всем протяжении пути фотонов к нам, то есть практически во всей видимой части Вселенной. Именно этот сигнал и начали «видеть» на South Pole Telescope. Для восстановления крупномасштабной структуры понадобится еще много работы, много наблюдений, но начало положено.

Однако, мало того, в B-моде поляризации реликта скрыта еще и информация о первичных гравитационных волнах, рожденных в молодой вселенной. Обнаружение этого сигнала позволило бы подтвердить инфляционную модель.

Крайне важно! Но для этого нужно что-то помощнее South Pole Telescope. Например, спутник Planck.

Команда Planck представила свои первые космологические результаты в марте (работа-1 и работа-2). Они вызвали большую дискуссию, продолжающуюся до сих пор (видимо, некоторую ясность внесет новый релиз данных в 2014 году). Дело в том, что, хотя в целом Planck подтвердил стандартную космологическую модель, тем не менее в деталях есть изменения по сравнению с результатами спутника WMAP. Космологическая постоянная стала на несколько процентов меньше, доля темного вещества — на несколько процентов больше (за счет темной энергии). В чем причина этих расхождений, пока неясно. В остальном все стандартно. Вселенная плоская, сортов нейтрино — три. Важно, что появились хорошие, пусть и недостаточно прямые аргументы в пользу инфляционной модели (это удалось понять, изучив спектр первичных возмущений плотности, которые «отпечатались» в реликте). Теперь будем ждать, когда команда Planck сможет уточнить свои данные и дополнить их результатами измерения поляризации.

Автор — доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института имени П.К. Штернберга (ГАИШ МГУ), выпускает регулярные обзоры препринтов на сайте ArXiv.org более десяти лет.