Гравитационные волны, черные вдовы среди пульсаров и новые телескопы

Как управлять Вселенной, если вы бог, какой радиопульсар можно сравнить с рекордсменом Европы по бегу, что нового астрономы узнали о космических лучах сверхвысоких энергий и за что класс пульсаров прозвали «черными вдовами»? Об этих и других важных астрономических исследованиях, загруженных в arXiv.org в сентябре, специально для Indicator.Ru рассказывает доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ГАИШ МГУ Сергей Попов.

Гравитационные волны слияния в далеком космосе

Сентябрь 2017 года будет памятен тем, что астрономы впервые зарегистрировали гравитационно-волновой всплеск сразу тремя детекторами: двумя установками LIGO и итальянской установкой VIRGO. Статья об этом результате появилась в самом конце месяца.

Неудивительно, что источником снова стали довольно массивные черные дыры (25 и 30 масс Солнца), поскольку такие события сейчас легче всего обнаружить. Благодаря большой массе сливающихся объектов подобные всплески видны с больших расстояний. В данном случае слияние произошло примерно в 540 МПк от нас. Вроде бы, это уже пятое зарегистрированное слияние массивных черных дыр, так что эффекта новизны нет, но важно, что VIRGO теперь вместе с остальными. Это позволяет не только точнее определять направление на источник (десятки квадратных градусов вместо сотен), но и дает возможность изучать поляризацию гравитационного излучения. Это важно для проверки теорий гравитации. Пока все в прекрасном соответствии с ОТО. Ждем теперь анонса слияний с участием нейтронных звезд (а детекторы пока обновляются).

Наблюдения слияний черных дыр могут дать много новой важной информации об этих объектах. Этой теме посвящена статья «Тест на существование горизонтов посредством гравитационно-волнового эха». Авторы обсуждают, как будущие наблюдения гравитационных волн позволят проверять разные альтернативные модели устройства черных дыр, подбираясь все ближе и ближе к горизонту. Повышение чувствительности позволит видеть после основного всплеска более слабые сигналы, которые дают информацию об областях порядка размера горизонта (и глубже, если реализуются соответствующие альтернативы). В общем, авторы полагают, что уже гравитационно-волновые детекторы следующего поколения смогут проверить некоторые популярные на сегодняшний день альтернативы стандартным черным дырам.

Пока все, затаив дыхание, ждут рассказа коллаборации LIGO о слияниях нейтронных звезд (а заодно радуются присуждению Нобелевской премии трем участникам проекта), астрономы продолжают открывать интересные нейтронные звезды, являющиеся радиопульсарами. На этот раз обнаружен пульсар с очень быстрым вращением (об этом сообщает загруженная 5 сентября статья.

Абсолютный рекорд, правда, устоял: первую строчку рейтинга по-прежнему занимает радиопульсар с частотой вращения 716 Гц. Но он находится в шаровом скоплении. А вот в так называемом «поле Галактики» (т.е., по сути, в галактическом диске) поставлен новый рекорд (что-то вроде рекорда Европы по бегу на 100 метров) — 707 Гц. Новый рекордсмен – пульсар PSR J0952.0607. Он входит в двойную систему, как и полагается приличным миллисекундным пульсарам. Компаньон — очень маломассивный объект (в начале он перетекал на нейтронную звезду, потом она его облучала, что привело к потере массы), соответственно, пару можно отнести к классу т.н. черных вдов. Название классу дали по аналогии с пауками, у которых самка убивает самца, так же пульсар постепенно испаряет своего соседа. Результат получен благодаря наблюдениям на телескопах Ферми и LOFAR. Авторы обсуждают, что из-за особенностей радиоспектра таких источников LOFAR может в будущем успешно их находить.

Солнечная система и ей подобные

Из дальнего-дальнего космоса перенесемся в Солнечную систему. В рамках проекта Pan-STARRS Outer Solar System Survey обнаружен объект, чей размер оценивается в 500-1000 км. Таким образом, он может стать очередной карликовой планетой в Солнечной системе. Кроме Цереры (находящейся в Главном поясе астероидов), все остальные карликовые планеты являются транснептуновыми объектами. И оценки показывают, что их должны быть многие десятки. Пока объект имеет красивое название 2010 JO₁₇₉. Со временем, наверное, назовут в честь какого-нибудь малоизвестного местечкового божества. Про объект известно уже довольно много. Он вполне округлый, красноватый, медленно вращается (период более 30 часов). Большая полуось орбиты составляет примерно 78 а.е.

Из экзопланетных результатов выделим статью «Кронос и Криос: указание на аккрецию массивной каменной планетной системы в паре солнцеподобных звезд». Авторы исследовали пару звезд типа Солнца, возраст и кинематические параметры которых одинаковы. Это все указывает на то, что звезды образуют двойную систему. Но есть и отличие — состав внешних слоев. В спектре одной из звезд заметно больше тяжелых элементов. Авторы полагают, что объяснение может состоять в том, что эта звезда поглотила каменное вещество массой примерно в 15 масс Земли. А это тянет, соответственно, на поглощение целой системы каменных планет.

Новые инструменты для новых горизонтов

Конечно, в мире экзопланет уже сделано много интереснейших открытий. Но задумайтесь, что ждет нас в ближайшем будущем с новыми инструментами! Одному из аспектов будущих исследований экзопланет посвящен обзор «Космические технологии для получения прямых изображений и изучения землеподобных экзопланет». В статье речь идет именно о потенциально обитаемых землеподобных планетах вокруг звезд типа Солнца (FGK), то есть никаких красных карликов!

Планеты вроде Проксимы Центавра b и системы TRAPPIST-1 можно будет изучать и при помощи крупных наземных инструментов (особенно если планеты транзитные, как у TRAPPIST-1). А вот настоящие двойники Земли можно эффективно характеризовать только из космоса. Причем инструменты для этого нужны покруче JWST. Поэтому для этого нужны и новые технологии, которых пока нет.

Первым важным шагом станет WFIRST — следующий после JWST крупный космический телескоп. На этом инструменте будет коронограф, позволяющий изучать экзопланеты (ведь для того, чтобы рассмотреть слабую планету, нужно экранировать яркий свет звезды). Там будет опробовано несколько важных технологий. Но WFIRST относительно невелик (как Hubble), а для достижения цели необходимы гораздо более крупные инструменты.

Существует несколько проектов больших телескопов (HabEx, LUVOIR, OST), у которых затмевающие элементы будут летать на большом расстоянии от самого детектора, а не располагаться внутри телескопа. Астрономы рассматривают и более привычные, но очень продвинутые коронографы. Возможно, к следующему десятилетнему обзору, который будет определять развитие американской астрофизики на 20—30-е гг., попробуют хотя бы частично определиться с подобными проектами. Хотя мне кажется, что это будет сделано только еще через 20 лет, так как нужен будет опыт WFIRST и побольше времени, чтобы наработать технологии и определиться с параметрами и конкретными целями. Должны хорошенько поработать и PLATO, и SPICA, и JWST, и 30-40-метровые наземные телескопы. Пока предыдущие разработки (проекты TPF, Darwin) остались на бумаге: слишком сложно и дорого.

В случае внешнего экранирующего диска, убирающего свет звезды, телескоп может и не быть очень крупным (скажем, 1–3 метра), но сам экран должен быть большим (десятки метров). Он должен находиться на расстоянии в десятки тысяч (!) километров от телескопа. И при этом нужно выдерживать очень точную соосность и другие параметры. Возможно, при создании LISA будут наработаны какие-то из нужных технологий.

В качестве телескопов рассматриваются и 4-метровые монолитные зеркала, и 15-метровые составные-раскладные. Стоимость проекта (с учетом разработки и эксплуатации) явно должна составить миллиарды долларов. Возможно, понадобятся прототипы. Так, изучается возможность запуска экрана, который будет работать в паре с WFIRST (решение о таком проекте как раз может быть принято на основе следующего Decadal Survey 2020).

До середины века NASA считает вопрос «Одни ли мы во вселенной» одним из ключевых и надеется с ним разобраться в этот срок. В смысле надежного обнаружения жизни земного типа на двойнике Земли это выглядит реалистичным. В обзоре много всяких полезных картинок, таблиц и т. п. Рекомендуется всем, кто хочет быть в теме.

Важное продвижение произошло в изучении космических лучей сверхвысоких энергий. Авторы статьи от 21 сентября впервые заявили о значимой (более 5-сигма) анизотропии в направлениях космических лучей сверхвысоких энергий. Результат получен обсерваторией имени Пьера Оже. Использованы данные по 30 000 событиям. К сожалению, полученный результат не сильно приближает нас к разгадке происхождения космических лучей сверхвысоких энергий, поскольку в направлении на максимум числа событий не видно ничего особо примечательного.

Любителям экзотических теорий и моделей стоит обратить внимание на обзор «Статус изменяющихся констант: обзор физики, поисков и выводов». Идея изменяющихся (на космологическом масштабе времени) фундаментальных, в первую очередь безразмерных, констант по-прежнему жива. Люди ищут и строят всякие модели. Этому и посвящен обзор. Полезно в обзоре то, что разные сценарии изменения констант представлены вместе с соответствующими моделями с «новой физикой». Например, много места уделено моделям с эволюционирующей темной энергией, что имеет свои последствия. Кстати, об этом стоит почитать в статье «Трещина в космологической парадигме».

Новостей, в принципе, нет (потихоньку растет точность наблюдений и пределы на изменения констант становятся все более жесткими), зато есть планы, связанные со скорым вводом в строй новых астрономических инструментов (в первую очередь речь о крупных оптических телескопах и новых спектрографах). Это позволит увеличить точность. И, кто знает, может быть, удастся что-то обнаружить.

Прекрасным чтением для любителей космических исследований будет большой обзор «Инструменты и спутники, работающие в жестком рентгеновском и мягком гамма-диапазоне: обзор и перспективы». Этот обзор будет понятен, полезен и интересен широкому кругу читателей. В нем рассмотрена история, основные результаты и перспективы рентгеновской астрономии. Упор сделан на инструменты, которые работают в жестком рентгеновском и мягком гамма-диапазоне. Рассказ начинается с самого начала. Описаны не только спутниковые, но и баллонные эксперименты (инструменты, установленные на стратостатах). Для каждого проекта дано краткое описание. В некоторых случаях не только перечислены ключевые результаты, но и приведены соответствующие иллюстрации. В инженерно-технические детали авторы не вдаются (иначе места не хватит). Полезна сводная таблица всех проектов, упомянутых в обзоре.

Не только об астрономии

Наконец, в качестве «чтения выходного дня» можно порекомендовать две свежие публикации, появившиеся в разделе «Физика». Во-первых, это статья Герарда ’т Хоофта, нобелевского лауреата 1999 года, «Свобода воли и Теория всего». Я придерживаюсь точки зрения, что все могут рассуждать на общие темы, но не всех стоит читать. Таких людей, как 'т Хоофт, стоит. Статья посвящена «Теории всего» и тому, как она повлияет на понимание некоторых ключевых «философских» понятий. Ответ 'т Хоофта состоит в том, что, может статься, мы живем в детерминированном мире (где нет места ни свободе воли, ни божественному вмешательству), но на каждодневной жизни людей такое понимание никак не скажется. Заодно статья содержит полезную инструкцию на случай, если вы бог, и вам надо управлять Вселенной.

Во-вторых, отметим работу «Когнитивные сети: мозг, Интернет и цивилизации». Авторы обсуждают несколько интересных тем, среди которых «похож ли мозг на Интернет». Кстати, посоветую еще одну статью Михаила Кацнельсона, Юрия Вольфа и Евгения Кунина из сентябрьского Архива, не попавшую в раздел «Физика», которую также стоит прочесть. В ней речь идет о том, чем современные физические модели могут помочь (и могут ли вообще) биологам.

В заключение нашего дайджеста, отметим статью «Поиск разумной неземной жизни Breakthrough Listen: наблюдения 692 близких звезд на частоте 1,1-1,9 ГГц». Авторы проводили поиск внеземного разума, наблюдая большую выборку близких звезд. Работы велись на телескопе в Грин Бэнк. На каждую цель отводилось три пятиминутных сеанса. Самих себя мы бы видели с таких расстояний (до 50 пк). Но ничего не слышно.

Автор — Сергей Попов.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.