Темная материя, быстрые радиовсплески и межзвездный астероид

Астрофизические итоги 2017 года специально для Indicator.Ru подводит доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ГАИШ МГУ Сергей Попов.

В 2017 году нас снова радовали гравитационно-волновые детекторы. И дело даже не в Нобелевской премии. Во-первых, впервые LIGO и VIRGO смогли зарегистрировать сигнал вместе (участники коллаборации описали это в статье от 27 сентября). Но это снова было слияние черных дыр, так что само по себе не так уж ново и суперинтересно. Хотя, безусловно, крайне важно с технической стороны. А во-вторых, впервые удалось пронаблюдать слияние с участием по крайней мере одной нейтронной звезды (подробнее читайте в статье от 16 октября). И вот тут данные VIRGO пригодились для быстрой идентификации области вспышки. Кроме гравитационно-волновых детекторов это событие смогли увидеть и приборы, регистрирующие электромагнитные волны. Сперва в гамма-диапазоне, а потом, когда благодаря этому были получены точные координаты, подтянулись и оптические наблюдатели. В результате мы получили один из самых красивых результатов года.

Слияние произошло на относительно небольшом расстоянии (примерно 40 Мпк). Соответственно, при наличии оптической идентификации астрономы смогли получить массу интересной информации. Во-первых, напрямую доказано, что короткие гамма-всплески порождаются слияниями компактных объектов с участием нейтронных звезд (строго говоря, мы не знаем наверняка, сливались ли в данном конкретном случае две нейтронные звезды или нейтронная звезда с черной дырой, а также не знаем, что получилось в итоге). Наблюдателям вообще повезло. Гамма-лучи излучаются в довольно узком конусе. Вероятность того, что конус будет направлен на нас, невелика. Да он и не был направлен на Землю! Просто из-за близости вспышки повезло увидеть гамма-всплеск слегка «сбоку». Будь событие раза в три дальше – уже ничего не получилось бы разглядеть.

Во-вторых, получили массу важной информации по нуклеосинтезу при слияниях благодаря наблюдениям так называемой килоновой – послесвечения, связанного с синтезом и выбросом радиоактивных элементов. В-третьих, теоретики пытаются использовать полученную информацию для того, чтобы исследовать уравнение состояния нейтронных звезд. Проще говоря, для изучения свойств вещества в недрах этих компактных объектов. А есть еще «в-четвертых», «в-пятых»…

Вторым важным — и совершенно неожиданным! — событием стало открытие первого межзвездного астероида. Этому было посвящено множество публикаций как наблюдателей, так и теоретиков.

Объект, получивший имя Оумуамуа, несется по Солнечной системе с огромной скоростью. Это, собственно, и говорит о том, что по всей видимости он прилетел издалека. Необычного гостя смогли детально пронаблюдать с помощью крупных телескопов. Но уже разрабатываются планы, согласно которым к следующим подобным объектам будут отправлены космические аппараты.

Современные сценарии предсказывают, что массовое выбрасывание таких тел происходит на стадии формирования планетной системы (наша Солнечная также не должна быть исключением). Затем «космические бродяги» скитаются по Галактике, и могут залетать в другие системы. Наверное, это происходит не редко. Но у нас пока нет достаточных возможностей для того, чтобы регулярно обнаруживать межзвездных гостей, особенно когда они еще достаточно далеко, чтобы можно было успеть подготовиться. Скорее всего, после ввода в строй крупнейшего обзорного телескопа LSST ситуация изменится.

Суета вокруг комет

Необычным свойством моего обзора за 2017 год стало обилие результатов по Солнечной системе. Возможно, это связано с тем, что исследователи, работающие в этой области, стали активнее использовать arXiv.Org для публикации своих результатов. Выделим здесь еще пятерку результатов.

Возможно, в 2017-м была поставлена точка в обсуждении так называемого Wow-сигнала. С момента регистрации — 1977 года — его начали подозревать в искусственном (внеземном) происхождении. Теперь благодаря статье, вышедшей в июне, мы знаем: это были кометы. Водородные облака комет 266P Christensen и P2008 Y2 (Gibbs) в момент наблюдения сигнала находились примерно там, куда смотрел телескоп. Сам сигнал пришел на волне излучения водорода, так что все сходится.

Существует такой необычный тип объектов, как кометы Главного пояса астероидов, который располагается между орбитами Марса и Юпитера. Он заполнен не только железно-каменными телами, то есть там присутствуют и объекты с большим содержанием льдов. В статье речь идет об астероиде 288P (300163), который оказался не просто очередной кометой Главного пояса, а двойной кометой. Полагают, что 288P, наряду еще с десятком известных объектов, возник около 7-8 миллионов лет назад после разрушения (в результате столкновения) относительно крупного тела с размером порядка 10 километров.

Заканчивая разговор о кометах, вспомним статью, появившуюся в самом начале года. В этой работе были представлены снимки, полученные камерой ROLIS на борту зонда Philae после окончательного «упокоения» на поверхности кометы Чурюмова-Герасименко. Разрешение некоторых деталей на снимках лучше 1 мм на пиксель. Выглядит, конечно, впечатляюще, если знать, что и в каких условиях снималось. «Пейзаж» был подсвечен светодиодами четырех типов. Это позволило получить снимки на «темной стороне», в том числе в инфракрасном диапазоне.

От комет перейдем к другим малым телам Солнечной системы. Тут тоже было любопытное открытие, описанное в статье от 15 сентября. В рамках проекта Pan-STARRS Outer Solar System Survey обнаружен объект, чей размер оценивается в 500-1000 км. Таким образом это может стать очередной карликовой планетой в Солнечной системе. Кроме Цереры, находящейся в Главном поясе астероидов, все остальные относятся к транснептуновым объектам. И оценки показывают, что там их должны быть многие десятки. Пока у этого объекта красивое название 2010 JO₁₇₉. Со временем назовут в честь какого-нибудь малоизвестного местечкового божества, скорее всего. Про объект известно уже довольно много. Он вполне округлый, красноватый, медленно вращается (период более 30 часов). Большая полуось орбиты составляет примерно 78 а.е.

Наконец, продолжается изучение фонтанов на спутнике Юпитера Европе (описано это в апрельской статье). Новые наблюдения телескопа Hubble выявили, что вода подледного океана продолжает выбрасываться на поверхность спутника. Причем, место выхода воды в пределах ошибок тоже самое, что и раньше. Более того, в той же области спутник Galileo наблюдал температурную аномалию. Значит, вероятно, активность продолжается в том же месте в течение 20 лет. Таким образом, продолжают накапливаться аргументы в пользу криовулканической активности этого спутника Юпитера. А значит, он становится все более притягательной целью для космических миссий, включая аппараты с посадочным модулем.

Такие похожие на нас

После объектов Солнечной системы логично двинуться к экзопланетам и их родственникам. Самым забавным в этой области астрофизики мне показался такой результат. Детальные наблюдения гавайской обсерватории Кека и их анализ показали, что близкий объект, считавшийся бурым карликом спектрального класса L, на самом деле тесная пара двух планет с массой порядка юпитерианской. Расстояние между планетами 3-4 а.е. Массы тел составляют три-пять масс Юпитера. Орбитальный период составляет несколько десятков лет. Возраст системы невелик, и согласно оценкам, составляет несколько миллионов лет (поэтому, собственно, мы и видим планеты – они еще продолжают поджиматься, что приводит к выделению энергии и их разогреву). Вероятно, пара планет так и образовалась в одиночестве, т.е. без звезды. Авторы открытия полагают, что таких случаев может быть много.

Планеты могут не только образовывать пары друг с другом или быть спутниками звезд, но и вращаться вокруг бурых карликов. По наблюдениям микролинзирования на наземных установках и на космическом телескопе Spitzer авторы мартовской статьи рапортуют об обнаружении планеты примерно земной массы (чуть-чуть потяжелее) на орбите вокруг бурого карлика (его масса составляет 0,06-0,08 в солнечных единицах). Размер орбиты планеты чуть-чуть больше земного. Это самая легкая планета среди всех, обнаруженных методом микролинзирования.

Кроме экзопланет вокруг других звезд, кроме планет вокруг бурых карликов или других планет, вращающихся друг вокруг друга, есть и просто одинокие планеты. И они тоже подкидывают открытия. Впервые с помощью ALMA удалось увидеть в миллиметровом диапазоне аккреционный диск вокруг одиночного объекта планетной массы (описано это в майском препринте). OTS44 — это молодая свободная планета с массой около 12 юпитерианских. Масса диска составляет десятые доли массы Земли. Наверное, со временем там образуются спутники планеты.

Самым нашумевшим экзопланетным открытием года, видимо, стало обнаружение новых планет в системе TRAPPIST-1 (подробнее об этом в статье от 4 марта). О нем было много написано и рассказано, поэтому не будем здесь повторяться. Подчеркнем лишь, что важность результата во многом связана с тем, что сразу несколько планет в этой системе смогут стать хорошими целями для JWST и крупных наземных телескопов ближайшего будущего с точки зрения изучения атмосфер. Дело в том, что планеты этой системы транзитные. А это облегчает получение спектральных данных, которые, кто знает, смогут рассказать нам и о наличии биомаркеров.

Через тернии — к звездам. Нейтронным звездам

Два привлекающих внимание результата связаны с радиопульсарами. Обнаружен интересный пульсар в двойной системе (его описали в недавней, ноябрьской, статье). Второй объект — также нейтронная звезда. Эта пара сольется всего лишь через 76 миллионов лет (совсем немного, если сравнивать с возрастом Галактики). В ней наблюдаются самые сильные релятивистские эффекты. Это связано с тем, что система очень компактная — орбитальный период всего лишь 4,4 часа. Массы нейтронных звезд вполне заурядные (1,34 и 1,39 масс Солнца), так что тут новостей нет. Зато система позволяет быстрее и лучше проверять предсказания теорий гравитации. Так что это, в первую очередь, новая гравитационная лаборатория.

Следующий результат очень красив. Впервые астрономы смогли определить направление вращения радиопульсара (12 декабря выложили статью об этом). Если угодно, впервые доказано, что пульсары в самом деле вращаются. Это удалось сделать для миллисекундного (раскрученного) пульсара в системе PSR J0737-3039A, известной как «двойной пульсар» (ранее обе нейтронные звезды наблюдались как радиопульсары, сейчас из-за прецессии более молодой объект не виден как пульсар, т.к. его луч перестал попадать на Землю).

Направление вращения в ту же сторону, что и орбитальное. Идея метода была описана в 2014 году. Суть в том, что наблюдается не только основной сигнал пульсара А (раскрученного), но и сигнал, связанный с воздействием излучения более мощного пульсара А на магнитосферу молодого пульсара В. И, в зависимости от того, направлены ли вектора вращения (собственного и орбитального) в одну сторону или нет, модулированный период будет различным. Ситуация аналогична различию между солнечными и звездными сутками на Земле: 24 часа и 23 часа 56 минут (если бы Земля вращалась вокруг своей оси не в ту же сторону, в которую она вращается вокруг Солнца, то разница была бы обратной: звездные сутки были бы длиннее солнечных). Таким образом, то, что пульсар А возмущает магнитосферу пульсара В, позволяет измерить период вращения пульсара А с точки зрения наблюдателя на пульсаре В (аналог солнечных суток). Сейчас накопленных данных хватает для того, чтобы утверждать, что вектора собственного и орбитального вращения пульсара А сонаправлены.

Наконец, почти наверняка с нейтронными звездами связаны загадочные быстрые радиовсплески. В 2017 г. впервые были опубликованы результаты по единственному повторному источнику таких вспышек, позволившие отождествить, в какой галактике он находится, и измерить таким образом расстояние до него. Это удалось сделать для источника FRB 121102 (шесть цифр обозначают год, месяц и день наблюдения первого всплеска).

Ключевые наблюдения проводились на VLA, 300-метровом телескопе в Аресибо и европейской сети телескопов VLBI (EVN). Источник находится в карликовой галактике с высоким темпом звездообразования на z=0,2 (около 0,82 млрд пк). Ее удалось хорошо изучить с помощью восьмиметровго телескопа Gemini North. Напомним, что источник повторный. Сейчас от него зарегистрированы уже сотни всплесков. То, что источник находится в такой галактике, дает аргументы в пользу механизмов с участием молодых нейтронных звезд (например, магнитаров или радиопульсаров с большими потерями вращательной энергии).

Загадку быстрых радиовсплесков так и не удается решить. И она такая не одна. Например, мы не знаем, откуда берутся космические лучи сверхвысоких энергий. В 2017 г. были получены новые важные данные. Астрономы из коллаборации Обсерватории космических лучей имени Пьера Оже в сентябре 2017 года впервые заявили о значимой (более 5-сигма) анизотропии в направлениях прихода этих частиц. В ходе работы они Использовали данные по 30 000 событиям. К сожалению, полученный результат пока не сильно приближает нас к разгадке происхождения космических лучей сверхвысоких энергий.

В далеких-далеких галактиках

Наконец, выходим на внегалактические просторы. Ведь и космические лучи сверхвысоких энергий явно имеют внегалактическую природу. Причем, давайте в начале погрузимся в «космологическую матрицу». В ушедшем году были представлены новые важные результаты численного моделирования формирования и эволюции галактик. В arXiv.Org появилась пачка статей с результатами проекта IllustrisTNG. Как можно догадаться, это развитие проекта Illustris по моделированию образования крупномасштабной структуры и галактик. Теперь все еще подробнее и красивее: обязательно почитайте статью о первых итогах проекта.

Желающие могут зайти на сайт Illusrtis и убедиться в этом. Если же вы хотите прикоснуться к живым данным расчетов, то вас может заинтересовать конкурент Illustris – проект EAGLE. Это один из лучших современных проектов, в которых в мелких подробностях моделируется формирование галактик от больших красных смещений до наших дней. Прелесть современного подхода к работе с данными расчетов состоит в том, что проекты выкладывают результаты в открытый доступ, чтобы их могли использовать все желающие в своих исследованиях. Руководством по использованию открытых данных EAGLE можно найти в июньской статье. Сами данные доступны здесь.

Конечно, никакие численные расчеты не дадут окончательного представления о процессах во Вселенной. Надо наблюдать. На протяжении 2017 года выкладывались данные первого года работы Обзора темной энергии (Dark energy survey). Это крупный наблюдательный проект, который реализуется на четырехметровом телескопе в Чили. Наблюдается большое количество галактик (в итоге наблюдениями будет покрыто 5000 квадратных градусов), и по анализу свойств их распределения астрономы делают выводы, касающиеся ключевых космологических параметров.

Первая пачка работ появилась в августе. Среди прочих главное место занимают космологические результаты. Рассмотрены основные космологические модели, и для каждой — огромное количество вариантов параметров. Получены значения этих параметров (скажем, в лямбда-CDM суммарная плотность вещества — 26.4%). Авторы утверждают, что достигли такого уровня точности, что их данные соперничают с результатами Plahck’а. Соответственно, совместная обработка позволит, видимо, еще лучше уточнить космологические параметры.

Второй заход с выкладыванием в arXiv.Org статей по результатам первого года работы DES произошел в декабре. В работе от 17 декабря речь идет об анализе данных по распределению более чем миллиона галактик на площади более 1300 квадратных градусов (тысяча галактик на квадратный градус, представьте, это примерно пара сотен галактик на площади, равной лунному диску!). Выбраны галактики на красных смещениях от 0,6 до 1. Основные результаты согласуются со стандартной космологической моделью (лямбдаCDM и плоская геометрия).

Наконец, мы добрались до больших открытий. Хотя бы в смысле масштабов. По данным Слоановского цифрового обзора неба (SDSS) авторы июльской статьи обнаружили гигантскую структуру на z~0,3. Масштаб образования около 200 мегапарсек. Это очень массивное сверхскопление галактик. Оно получило имя Сарасвати.

По данным авторов в него входит 43 массивных скопления галактик. Полная масса около 2x10¹⁶ масс Солнца. Это помещает сверхскопление в ряд наиболее массивных среди известных. При этом оно успело сформироваться более трех миллиардов лет назад. Заметим, что это все-таки не рекорд. Структура, известная под именем Великая стена BOSS, больше и дальше (ее красное смещение составляет z~0,5, т.е. вы видим ее такой, какой она была 5 млрд лет назад). В будущем Сарасвати, похоже, все-таки «растащит» ускоренное расширение Вселенной. Центральная часть сверхскопления, конечно, может остаться гравитационно связанной, а вот «пригороды» разбегутся.

Автор — Сергей Попов

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