Лекция по астрономии

Инфляция вселенского масштаба

Главные астрономические открытия 2014 года

Лектор: 12.01.2015, 18:32
Как взрываются звезды, откуда берутся черные дыры и где искать жизнь — «Газета.Ru» представляет обзор самых значимых открытий в астрономии за 2014 год.

Липовая инфляция

Если говорить о «дальнем космосе», то для многих год прошел под девизом BICEP2 VS Planck. В марте коллаборация BICEP2, чей инструмент стоит в Антарктиде и изучает реликтовое излучение на небольшом участке неба, заявила о том, что выделен сигнал (особый тип поляризации), который может быть связан с инфляционной стадией расширения очень молодой вселенной.

Результат вызвал огромный интерес и у специалистов, и у широкой публики. Часть экспертов сразу высказала сомнение в том, что авторы смогли правильно выделить слабый сигнал на фоне недостаточно хорошо известных шумов. Было ясно, что надо ждать результатов спутника Planck.

Полгода на конференциях обсуждался результат BICEP2. Часто один за другим выступали представители этой коллаборации и кто-нибудь из команды Planck. Так было, например, и на московской конференции, посвященной столетию со дня рождения Якова Борисовича Зельдовича. Критика в основном сводилась к тому, что такой же сигнал может дать пыль в нашей Галактике. Хотя при обработке данных BICEP2 авторы полагали, что вклад пыли известен неплохо, были сомнения.

В сентябре стало ясно, что роль излучения пыли была недооценена.

Сейчас все ждут следующей партии статей команды Planck, где будут представлены детали. Она должна была выйти в декабре, но теперь долгожданное событие отложено на несколько месяцев.

Итак, самая яркая дискуссия года завершилась закрытием, а не открытием.

Южная Европейская картинка

Самая красивая картинка года, надеемся, не размажется, а станет лишь более детализированной. Тем не менее научной статьи, посвященной самой красивой картинке, пока нет. А вот профессиональное сообщество астрономов в фейсбуке даже поменяло картинку, взяв именно это изображение.

Источник: eso.org

Речь идет о протопланетном диске вокруг звезды HL Тельца, который смогли разглядеть с помощью системы телескопов ALMA (казалось бы, при чем тут вступление России в ESO?).

Темные детали сразу связали с щелями, которые создают массивные планеты, растущие в диске. Выглядит действительно очень похоже. Так это или нет, станет ясно в ближайшем будущем. Пока же ждем статьи по наблюдательным результатам и переходим к рассказу о публикациях, все-таки состоявшихся в прошлом году.

Нейтрино и не только

Коллаборация IceCube объявила о том, что установка все-таки видит нейтрино сверхвысоких энергий. На энергиях 30–2000 ТэВ за 2010–2012 годы они увидели 37 нейтрино, которые довольно равномерно разбросаны по небу. Поэтому источники установить пока невозможно.

Так что происхождение частиц остается неизвестным. Как, впрочем, и происхождение космических лучей сверхвысоких энергий.

Обсерватория имени Оже опубликовала новые данные. Заметной анизотропии в распределении лучей нет, как нет и сильных корреляций с возможными кандидатами в источники. Какая-то неоднородность видна, но в этом месте нет ничего примечательного. Источники по-прежнему неизвестны.

Галактики на ладони

Самый грандиозный процесс в нашем списке – это мерное течение космологической реки. Размер «бассейна» этой реки — полмиллиарда световых лет. Имя ей – Ланиакея.

Благодаря точным измерениям скоростей и координат большого числа галактик удалось понять, как формируется местное сверхскопление галактик. Несколько галактических скоплений (в том числе и наше скопление в созвездии Девы, а всего более 100 000 галактик) движется под действием гравитации, чтобы в будущем возникло сверхскопление. Посмотрите видео – не пожалеете.

В еще более крупном масштабе движение галактик изучают с помощью численных моделей. В 2014 году, с появлением результатов проекта Illustris, в этой области был сделан шаг вперед. Прелесть в том, что космическая эволюция прослежена от самых от окраин и истоков до формирования отдельных галактик со всей их структурой, т.е. прямо формируются галактики разных типов, и это можно сравнивать, например, с хаббловскими данными.

Такие крупные проекты по моделированию образования галактик крайне важны, так как их данные используют самые разные научные группы.

Например, используя данные проекта EAGLE, Тил Савала и соавторы смогли наконец-то разрешить все проблемы Местной группы галактик. Стало ясно, что и относительно небольшое число карликовых галактик, и их пространственное распределение, и кое-что еще – вполне естественные свойства. А показано это было как раз на основе крупномасштабного моделирования, для которого выбирали пары галактик — типа пары нашей Галактики с Андромедой. А потом смотрели, что там вокруг них летает и как это должно наблюдаться.

Вокруг галактик много чего может летать — например, шаровые скопления. И тут тоже открытие.

В направлении галактики М87 открыто гиперскоростное скопление. Скорость у скопления превосходит пару тысяч км в секунду. Это много. Скорее всего, оно покинет скопление галактик в Деве. Что так разогнало «шаровик», неясно. Скорее всего, это было взаимодействие трех тел в галактике М87.

Сверхновые и яркие

Самые яркие события года – это сверхновые. Год начался с того, что в столице туманного Альбиона открыли самую близкую сверхновую типа Ia за долгие годы. Она вспыхнула в галактике М82. Ее, конечно же, бросились изучать во всех диапазонах спектра.

В частности, Евгению Чуразову и его коллегам удалось с помощью спутника «ИНТЕГРАЛ» зарегистрировать изучение в линии кобальта от этой сверхновой. Все это приближает нас к пониманию того, как же они взрываются.

Другим долгожданным результатом, связанным со сверхновыми, стала регистрация линзированной вспышки. 50 лет назад, в 1964 году, норвежский астрофизик Сюр Рефсдал показал, как по наблюдениям линзированных сверхновых можно определять космологические параметры. Жаль, что он чуть-чуть не дожил до открытия. Обнаруженная в этом году первая линзированная сверхновая названа в его честь.

Линзой служит одна из галактик скопления MACS J1149.6+2223 на красном смещении z=0,544. Сама сверхновая находится на z=1,5, то есть свет от нее шел почти 10 млрд лет. Линзирование позволяет хорошо измерять расстояния. Поэтому в ближайшие годы, когда число таких открытий станет достаточно большим, это будет одним из самых точных методов изучения эволюции темной энергии.

О черных дырах

Из света в тьму перелетаем. Поговорим о черных дырах. Теперь оценки масс многих сверхмассивных черных дыр будут лучше. Самые массовые способы оценки не очень точны, и их калибруют по галактикам, для которых все измерено достаточно точно. Одна из таких галактик – NGC 4151. Но и тут была проблема: расстояние до нее было известно недостаточно хорошо, а это отражается на калибровке массового метода измерения массы.

Теперь, благодаря Себастьяну Хёнигу и его соавторам, расстояние до NGC 4151 известно с погрешностью менее 15%. В итоге многие черные дыры вдруг потяжелели почти в полтора раза, так как для их измерения использовали метод, калиброванный по NGC 4151.

Откуда же берутся сверхмассивные черные дыры? Считается, что дыра растет вместе с галактикой. Но должен быть какой-то зародыш.

Самая консервативная гипотеза гласит, что такими зародышами могут быть черные дыры с массой 100–200 солнечных, возникающие в результате коллапса самых первых звезд. Такой сценарий точно работает, но он не может с легкостью объяснить появление очень массивных черных дыр уже на красных смещениях 6–7, то есть спустя менее чем миллиард лет после начала расширения. Поэтому ученые активно работают над альтернативными моделями. Задача — понять, как можно сформировать зародыши с массами порядка нескольких тысяч масс Солнца. Звезды тут не помогут.

Лучо Майер (Lucio Mayer) и его коллеги провели детальное численное моделирование, показывающее, что при слиянии крупных галактик на z=8–10 в центре могут возникать сверхмассивные черные дыры. Газ течет в центр сливающейся системы, образуя диск.

Затем из этого диска возникает нечто вроде сверхмассивной протозвезды, которая затем и коллапсирует в сверхмассивную черную дыру. Так в массивной галактике появляется массивная черная дыра.

Сверхмассивные черные дыры встречаются в самых разных галактиках. Одну из них открыли в ультракомпактной карликовой галактике M60-UCD1. Теперь это самая легкая галактика с надежно установленной центральной дырой. Масса черной дыры составляет аж 15% массы галактики — 21 млн масс Солнца.

Ультракомпактные галактики обладают очень небольшими размерами (несколько десятков парсек максимум), но массы могут составлять 100–200 млн масс Солнца. Таким образом, это одни из самых плотных звездных образований. Какие-то из них могут быть очень крупными шаровыми скоплениями, а какие-то — «ободранными» галактиками. Вот M60-UCD1 как раз является кандидатом в «потерпевшие», раз уж у нее такая тяжелая дыра в центре.

Другие карликовые галактики тоже не отстают. В еще одной работе авторы использовали SDSS, чтобы поискать активные ядра у карликовых галактик. У 28 объектов они были обнаружены.

Но это довольно легкие черные дыры: все массы менее миллиона солнечных. А распределение тянется до тысяч масс Солнца. При этом сами галактики весят всего лишь несколько миллиардов масс Солнца.

Однако это отнюдь не компактные галактики – их размеры исчисляются килопарсеками. Но все равно это карлики, поэтому и черные дыры у них соответствующие – легкие; их еще называют черными дырами промежуточных масс. И это интересно, так как в некоторых сценариях зародыши будущих очень массивных черных дыр имеют массу как раз порядка тысяч солнечных.

Черные дыры промежуточных масс были придуманы для объяснения так называемых ультрамощных рентгеновских источников (ULX). Это тесные двойные системы, наблюдаемые в других галактиках. Число их весьма велико. Вещество течет с обычной звезды на компактный объект.

Их светимость (если считать, что во все стороны источник светит примерно одинаково) превышает предел для черной дыры с массой порядка 10 солнечных.

Отсюда и возникли две конкурирующие идеи: или источник светит как прожектор, а потому кажется мощным, когда луч направлен на нас; или просто дыра там массивная, а потому и светимость выше предельной для типичной дыры звездной массы.

В 2014 году по ультрамощным источникам были получены новые интересные результаты. Коробка конфет с надписью ULX оказалась содержащей... ассорти. Во-первых, появились новые аргументы в пользу того, что источник HLX-1 в галактике ESO 243-49 имеет черную дыру с массой несколько тысяч (или даже десятков тысяч!) солнечных. Данные по нему разные группы собирают уже много лет, и пока у всех масса получается большой. Новые данные лишь упрочили эту точку зрения.

Во-вторых, источник P13 в галактике NGC 7793, наоборот, содержит легкую черную дыру с массой 7–15 солнечных.

Галактика в деталях

Теперь перенесемся в известную галактику М82 в созвездии Большой Медведицы.

Это вообще самое интересное место 2014 года: ведь, вспомним, именно там вспыхнула сверхновая 2014J.

Начнем с источника M82 Х-1. Для него была получена новая оценка массы. Масса по меньшей мере превосходит 300 солнечных, а может быть, достигает и 500–600. Но самое главное чудо связано с другим источником в этой галактике — с Х-2.

М82 Х-2 был тщательно изучен Маттео Бьякетти, который использовал данные с телескопа NuSTAR.

Ко всеобщему удивлению, этот ультрамощный источник оказался вовсе не черной дырой. Это нейтронная звезда!

Маттео обнаружил пульсации рентгеновского излучения с периодом чуть больше секунды. Это период вращения нейтронной звезды, которая своим магнитным полем направляет движение падающего на нее вещества. В результате возникают два горячих пятна на ее поверхности.

Теперь теоретики должны ломать голову, откуда в двойных системах черные дыры с массами в сотни и тысячи солнечных и как на нейтронные звезды должно течь вещество, чтобы они казались нам источниками со столь большой светимостью. Вот такие ультрамощные сюрпризы.

Напоследок по-темному

Хотя словосочетание «нейтронная звезда» уже произнесено, поговорим еще чуть-чуть о черных дырах. Долго ждали, когда же эти объекты найдут в паре с Ве-звездой. Нейтронные звезды часто обнаруживают в двойных с такими объектами – это самые часто встречающиеся системы. Но не черные дыры.

Только в январе 2014 года появился е-принт, в котором рассказывают о первой такой паре – системе MWC 656. А в апреле появился е-принт (1404.0901), авторы которого смогли увидеть и рентгеновское излучение от этой системы. Это было непросто, т.к. излучение слабое. Это типично для черных дыр. Ведь если у нейтронной звезды есть поверхность и вещество, разогнавшись до большой скорости, в конце концов ударится в нее, то в случае дыры газ может просто уйти под горизонт, практически не излучая.

Переходим, наконец, к нейтронным звездам. Интересную заявку сделали авторы еще одной статьи. Они исследовали химический состав красного гиганта HV2112.

Оказалось, что у этой звезды есть сильнейшие аномалии, не наблюдавшиеся ранее ни у одной другой звезды. Одновременный избыток рубидия, лития и молибдена у этой звезды авторы объясняют тем, что наконец-то мы столкнулись с объектом Торна — Житков.

Объекты этого типа были предсказаны еще в 1970-е годы. Это естественный продукт эволюции некоторых двойных систем, в которых нейтронная звезда погружается в оболочку красного гиганта или сверхгиганта и медленно сваливается в центр. Основная масса таких гибридов в конце концов даст черную дыру, так как нейтронная звезда постепенно «съест» красного гиганта изнутри. Несколько раз появлялись заявления разных групп, что ими обнаружен хороший кандидат в объекты Торна — Житков, но все они потом оказывались просто звездами с аномалиями состава. Новый кандидат – самый лучший. Посмотрим…

Звезда на пульсе

Впервые открыт радиопульсар в настоящей тройной системе. Она образована собственно нейтронной звездой и двумя белыми карликами, один из которых образует тесную пару с пульсаром, а второй вращается вокруг них. Такая необычная система интересная и с точки зрения изучения звездной эволюции, и с точки зрения проверок теорий гравитации.

Для проверок теорий гравитации открыли еще одну интересную систему с радиопульсаром. На этот раз белый карлик один, но зато он пульсирует. В первую очередь, правда, система интересна с точки зрения изучения белых карликов. Объект обнаружен довольно редкий: это очень маломассивный пульсирующий белый карлик. Благодаря данным по пульсару точно известно расстояние до системы. Так что изучать карлик легко. А это всего лишь шестой источник в своем классе! Но и для теорий гравитации это может пригодиться: все-таки двое часов в системе с сильной гравитацией.

Прежде чем перейти к экзопланетам, скажем, что и на Солнце есть… место для открытий.

На нашем светиле обнаружена система гигантских конвективных ячеек. Теоретики давно обсуждали такую возможность, и были всякие косвенные свидетельства. Так что теперь надежно установлено, что в дополнение к гранулам и супергранулам есть еще более крупные (200 000 км) и долгоживущие (около месяца) образования, связанные с динамикой конвективной зоны Солнца. Распознать их непросто. Но отслеживание поведения супергранул все-таки помогло их выявить.

Экзопланеты и жизнь

Наконец-то мы добрались до экзопланет. Пока основным поставщиком новых планет является «Кеплер». Проблема в том, что часто в данных этого спутника речь идет лишь о кандидатах, которые надо подтверждать. Делать это можно разными способами. Лучше всего получить с помощью наземных телескопов доплеровские данные по периодическому движению звезды вокруг центра масс системы. Разумеется, это не всегда возможно. Тогда используют статистические методы. Генерируют искусственные ложные сигналы и сравнивают их с данными.

Если оказывается, что воспроизвести наблюдаемые кривые блеска за счет ложных сигналов трудно – значит, мы имеем дело с хорошим кандидатом. Это все довольно трудоемкое занятие.

В феврале 2014-го была опубликована статья, в которой авторы проанализировали большой архив кеплеровских кандидатов. В основном они работали со звездами, для которых было заподозрено наличие более чем одной планеты. В итоге было выделено 306 систем с 768 планетами, являющихся хорошими кандидатами. Таким образом, число известных экзопланет разом возросло на несколько десятков процентов.

Однако важно не только открывать новые планеты, но и изучать уже известные. Здесь также были достигнуты успехи. С помощью наземных инфракрасных наблюдений удалось обнаружить вращение планеты-гиганта у звезды бета Живописца.

Результат получен по наблюдениям уширения спектральной линии монооксида углерода — CO. Вращение оказалось удивительно быстрым: скорость на экваторе больше, чем у любой планеты Солнечной системы. Полный оборот планета должна совершать за 7–9 часов. Значение зависит от радиуса планеты и величины скорости вращения, а и то, и другое измерено с некоторой конечной точностью. Измерение скорости вращения экзопланет весьма важно для построения модели их формирования и эволюции. По всей видимости, данная планета еще сожмется по мере охлаждения, ведь это довольно молодой объект — 10–20 млн лет, так что скорость еще возрастет, а период вращения уменьшится.

Gliese 1214b — планета, выдающаяся во многих отношениях. Это сверхземля, на которой, как предполагают, есть вода. Предпринимались попытки определить, что же там происходит в атмосфере, но до настоящего времени ясности не было. Теперь есть.

На Gliese 1214b облачно. Данные новых наблюдений на «Хаббле», по-видимому, однозначно свидетельствуют, что спектр можно объяснить только в предположении, что нижние слои атмосферы закрыты облаками. Состав остается неизвестным, так как облака создают «серую завесу», препятствующую выяснению содержания различных молекул в нижних слоях.

Имеется еще одна статья из Nature, в которой рассказывается про облака нептуноподобной экзопланеты, на этот раз GJ 436b.

Авторы представили новые данные по атмосфере планеты WASP-43b. Это горячий юпитер. Авторы использовали довольно много наблюдательного времени на «Хаббле», чтобы получить данные по структуре атмосферы. В итоге можно восстановить изменение температуры с давлением (глубиной) на разных долготах (планета все время повернута к звезде одной стороной).

Кроме того, имеется статья, в которой авторы исследуют содержание воды в этой планете. Результат оказался совпадающим с ожиданиями для случая формирования планет из туманности солнечного состава.

Двойные системы

Закончим обзор планетами в двойных системах. Методом микролинзирования удалось открыть землеподобную планету на расстоянии одной а.е. от звезды, входящей в двойную систему с большой полуосью всего 15 а.е. Правда, планета вращается вокруг карликовой звезды, поэтому температура там должна быть низкой. Но все равно довольно удивительный случай: ведь «делать» планету, когда невдалеке болтается вторая звезда, очень непросто!

Как и ожидалось, с планетами в двойных системах связано много загадок, в том числе и с их образованием.

Впервые показано, что плоскости планетных орбит в двойных системах могут становиться не соосными плоскости двойной (и друг другу) еще на очень ранней стадии. Авторы демонстрируют, что в молодой (пара миллионов лет) двойной системе HK Тельца протопланетные диски на большом протяжении (а по сути, целиком) наклонены друг другу и плоскости орбиты двойной.

То есть что-то еще на стадии формирования звездной пары приводит к тому, что протопланетное вещество выстраивается не вдоль орбитальной плоскости. Получить такие данные удалось благодаря наблюдениям на системе телескопов ALMA (Atacama Large Millimeter Array).

Новые результаты помогают пролить свет на модели звездообразования. Будем ждать этих новых результатов.

Эпилог

Кстати, сам arXiv в 2014 году превратился в «миллионера»: в предпоследнем выпуске, в самом конце декабря, в архиве появилась миллионная статья. Рост продолжается, поэтому с начала 2015 года изменена нумерация: теперь для индексирования статей внутри месяца отведено уже пять значащих цифр. Следующую ревизию нумерации надо будет проводить, когда подберутся к миллиону статей в год. Но это еще нескоро будет.

В ожидании итогов 2015 года желающие могут почитать стостраничный отчет об астрофизических планах NASA на ближайшие 30 лет.

21 января Сергей Попов подведет астрофизические итоги года на специальной лекции.