Мечты о первичных черных дырах, внеземной жизни и картировании экзопланет

Как астрономы ищут сигналы от черных дыр и инопланетян, какие телескопы помогают совершать самые современные открытия науки и для чего нужно излучение Хокинга? Об этом в февральском обзоре самых интересных научных публикаций по астрономии рассказывает доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ГАИШ МГУ Сергей Попов.

Февраль оказался не слишком богат на заметные открытия, тем не менее среди 1000 статей в астрофизической части arXiv.org, как обычно, нашлось, что выбрать. И начнем мы с попыток обнаружить кое-что очень важное и интересное, что по-прежнему ускользает от нас.

«Ищут, но так и не могут найти…»

В астрономии бывает так: есть очень хорошие гипотезы, в них практически все верят (споры могут идти и идут, но о деталях), но обнаружить эффект в наблюдениях не удается. Причина может быть в том, что это очень трудно, или потому, что очень маловероятно. К такому типу гипотез относятся первичные черные дыры. Практически все хорошие модели описания ранней Вселенной говорят о формировании таких тел. Но до сих пор неизвестно, сколько их. А от их числа (или, если угодно, плотности в окрестности Солнца) зависит вероятность того, что их так или иначе обнаружат.

Основные надежды на обнаружение первичных черных дыр (после того как стало ясно, что по наблюдениям гравитационного микролинзирования не очень получается) связывают с излучением Хокинга. Тут важно еще и то, что обнаружение самого излучения и изучение его характеристик было бы крайне важным и интересным открытием, которое, к слову, помогло бы продвинуться и в создании теорий квантовой гравитации. Например, финальные стадии испарения в теории струн и моделях петлевой квантовой гравитации идут по-разному.

Уже несколько десятилетий астрономы активно ищут какие-нибудь сигналы, которые имеют отношение к последним стадиям жизни легких черных дыр. В первую очередь речь идет о вспышках, связанных с финальным этапом испарения черной дыры, а также о гамма-фоне или избытке античастиц, которые также возникают в результате хокинговского процесса. В статье коллектива физиков, работающих на телескопе Fermi-LAT, использован другой подход.

Эту космическую обсерваторию сейчас можно назвать флагманом среди гамма-детекторов в космосе. Лучше всего аппарат «замечает» излучение черных дыр за несколько месяцев до их полного испарения. В этом случае источники должны быть довольно близкими — 0,03 парсека (около светового месяца). Значит, в данных Fermi у них, во-первых, будет заметное смещение. А во-вторых, поскольку масса черной дыры на этой стадии заметно уменьшается, у источников будут известным образом эволюционировать спектр и светимость.

Авторы не нашли в данных Fermi таких источников. Это позволяет поставить новый предел на плотность первичных черных дыр в наших окрестностях. Он не сильно лучше пределов, полученных другими методами, но тем не менее результат любопытный. Хотя и отрицательный.

Что еще ищут, но не находят? Конечно же инопланетян! Вот очередной поиск человечков с очередным отрицательным результатом. Об этом рапортуется в статье от 4 февраля. На большом радиотелескопе в Грин Бэнк изучали 14 кеплеровских планетных систем на предмет искусственных сигналов (с учетом доплеровского сдвига из-за орбитального движения). Ничего не видно. Очередное жертвенное приношение наблюдательного времени обществу, как оно есть.

В погоне за быстрыми радиовсплесками

Другая важная задача (уже поскромнее, а потому и пореалистичнее) — поиск транзиентов (нерегулярно-переменный объект в астрономии, — прим. Indicator.Ru), связанных с по-прежнему загадочными быстрыми радиовсплесками (Fast Radio Bursts, FRB). Астрономия уже несколько десятилетий как стала всеволновой. Теперь задача выходит на новый уровень: одновременно во всех диапазонах следить за всем небом. Однако пока ученые не близки к ее решению. Тем не менее такие задачи, как одновременное обнаружение вспышек FRB в разных диапазонах, помогают развивать подобные программы (пусть и не в масштабе всего неба).

В своей работе Игорь Андреони и Джефф Кук описали новую (уже работающую) наблюдательную программу по попыткам зарегистрировать источники FRB вне радиодиапазона. Программа называется «Глубже, шире, быстрее» (Deeper, Wider, Faster). Ключевой радиоинструмент — 64-метровый радиотелескоп в Парксе (Австралия). В рамках проекта координируется работа примерно 30 телескопов, которые наблюдают небо в большом промежутке диапазонов — от радио- до гамма-. Это очень удобно, ведь даже если одну и ту же площадку неба не удается наблюдать одновременно, то, по крайней мере, можно быстро навести приборы в нужную точку, едва получив сигнал о радиовсплеске. Один минус: пока со всплесками авторам не повезло, но система работает. Так что остается ждать. Впрочем, такая система может открыть что-то интересное и помимо быстрых радиовсплесков.

Свою лепту вносят и радиоинтерферометры. Авторы статьи от 9 февраля представляют поиски транзиентов на VLA (Very Large Array, сверхбольшая антенная решетка — 27 радиотелескопов, работающих как одна сложная антенна в штате Нью-Мексико, США, — прим. Indicator.Ru). Снова, основная цель — быстрые радиовсплески, но в радиодиапазоне иногда наблюдают и другие загадочные вспыхивающие источники, так что надеемся и на другие важные результаты. Наконец, еще одна программа попыток обнаружения FRB на радиоинтерферометрах описана в статье от 9 февраля. При такой активности можно надеяться, что в течение нескольких лет задача все-таки будет решена.

От открытий 2017-го к результатам 2018-го

А что интересного радиоастрономы все-таки открыли? Например, нового рекордсмена среди двойных радиопульсаров. В прошлом году (об этом Сергей писал в ноябрьском обзоре — прим. Indicator.Ru) была обнаружена система из двух нейтронных звезд с орбитальным периодом всего 4,4 часа. Это открытие даже попало в лучшие астрофизические результаты прошлого года.

Такие пары компактных объектов крайне важны для того, чтобы предсказывать теории гравитации. Ведь в случае пульсара в тесной системе с массивным компаньоном мы получаем очень точные часы в сильном гравитационном поле. Чем теснее система (соответственно, чем меньше орбитальный период), тем лучше «гравитационная лаборатория». И вот, рекорд продержался всего три месяца. Новый рекорд — 1,88 часа! Авторы опубликованной 5 февраля работы оценивают и оставшееся время жизни системы PSR J1946+2052. Через всего лишь 46 миллионов лет две нейтронных звезды сольются.

Также в лучшие результаты прошлого года я включил открытие анизотропии в направлениях прихода космических лучей сверхвысоких энергий. Это было обнаружено по данным обсерватории имени Оже в Аргентине. А в Северном полушарии лучшая обсерватория этого типа — Telescope Array в США. В феврале они представили новый важный результат.

Telescope Array — это установка для изучения космических лучей высоких и сверхвысоких энергий. Она состоит из двух частей. Во-первых, это несколько оптических детекторов, которые регистрируют излучение, порождаемое высокоэнергичными частицами (протонами, ядрами) при их влете в атмосферу. Во-вторых, это так называемые поверхностные детекторы. Это стоящие на Земле установки регистрируют вторичные частицы. Астрономы наблюдают за обеими частями установки для того, чтобы калибровать свои наблюдения. Детектор работает уже примерно десять лет. Чтобы получить представленные результаты, астрономы использовали данные поверхностного детектора за первые семь лет.

Ранее физики заявляли о том, что они наблюдали анизотропию в лучах самых высоких энергий (E≥10^19,75 eV). Теперь они обнаружили дефицит событий на более низких энергиях (10^19,2eV>E≥10^19,75 eV). То есть в зависимости от направления на небе меняется спектр космических лучей сверхвысоких энергий (распределение частиц по энергиям). Достоверность пока небольшая (около 4 сигма). Так что надо наблюдать еще. К счастью, детекторы обновляются, так что есть надежда через несколько лет продвинуться в этом направлении.

В поисках новой Земли

Бьют рекорды и в изучении экзопланет методом гравитационного микролинзирования. Авторы статьи от 19 февраля показывают, что яркое событие микролинзирования TCP J05074264+2447555 содержит деталь, говорящую о присутствии планеты с массой 3-15 масс Земли. Скорее всего, она относится к сверхземлям или мини-нептунам. Если это так, то это самая близкая линза среди известных событий микролинзирования: до нее всего лишь 380 парсек. Звезда, вокруг которой вращается планета, — красный карлик в четыре раза легче Солнца.

Закончим февральский обзор также с надеждой. Пару лет назад началось активное обсуждение проекта по детальному картированию экзопланет с помощью гравитационного линзирования. При этом в роли линзы должно выступать Солнце. Авторы работы, загруженной 23 февраля, детально описывают этот удивительный план. Правда, спутник надо будет доставить на расстояние под 600 а.е. от Солнца. Далее аппарат будет строить изображение попиксельно, перемещаясь в фокальной плоскости гравитационной линзы (что, мягко говоря, непросто). И такую штуку можно сделать только для одной планеты, так что цель надо тщательно выбирать, второго шанса не будет. В общем, звучит фантастически. Но научно-фантастически. Весна — самое время помечтать.

Автор — Сергей Попов

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