Сжавшийся белый карлик, проблема метрового барьера и слияние черных дыр

Как долететь до «сигары», попавшей в Солнечную систему из другой галактики, кто преодолел «метровый барьер» и что в этом астрообзоре появилось впервые за 15 лет, рассказывает доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ГАИШ МГУ Сергей Попов.

Сигара не той системы

Темой месяца в Архиве можно считать Оумуамуа. Именно такое простое и легко запоминающееся имя получило первое идентифицированное тело, попавшее в Солнечную систему из межзвездного пространства и своей формой напоминающее сигару. Иначе его называют A/2017 U1 и C/2017 U1 (PANSTARRS). Как явствует из последнего, объект открыли с помощью телескопов проекта Pan-STARRS. Это произошло во второй половине октября. По орбитальным характеристикам Оумуамуа понятно, что не может принадлежать Солнечной системе.

В Архиве появилось много теоретических и наблюдательных работ, посвященных этому гостю. В статье от 4 ноября с помощью наблюдений изменения блеска объекта авторы определяют его форму и вращение. Узнать удалось немного. Период вращения составляет около пяти часов, но большой уверенности нет. Размер тела – около 100-200 метров (но тут тоже есть большая неопределенность, связанная с тем, что мы не знаем, насколько эффективно поверхность отражает солнечный свет). Другие наблюдения приведены в статьях от 15 ноября и 16 ноября.

А в работах от 3 ноября и от 9 ноября авторы задаются вопросом о происхождении Оумуамуа. По всей видимости подобные объекты выбрасываются при формировании планетных систем. Когда создавалась Солнечная, в виде подобных объектов было выкинуто около 20 масс Земли. Видимо, это типичная величина. Хотя пока мы знаем лишь один такой объект, выводы делать довольно сложно. Когда заработает новый гигантский обзорный инструмент с уникальной цифровой камерой – LSST, — такие объекты, может быть, будут обнаруживать часто.

Отдельно стоит выделить статью, загруженную 8 ноября. В ней описывается проект спутника для полета к Оумуамуа. Правда, делать это надо быстро, ведь Оумуамуа движется с высокой скоростью, и теперь будет навсегда улетать от нас. Поэтому, видимо, придется ждать следующего случая. Но нужно готовиться.

Космическая навигация

Раз уж мы начали говорить о межпланетных аппаратах, то упомянем о еще одной работе, имеющей к ним отношение. Ученые давно предложили идею, согласно которой космические аппараты могут ориентироваться по рентгеновским сигналам миллисекундных пульсаров. Эти источники характеризуются высокой стабильностью импульсов, значит, можно рассчитать время прихода импульса для, например, барицентра Солнечной системы. Если приемник смещен относительно барицентра и/или движется относительно него, то это внесет поправки во времена прихода импульсов.

трудно (каждый несет уникальную метку — свой период пульсаций), а также то, что рентгеновские телескопы стали достаточно компактными, дешевыми и экономными по потребляемой энергии, навигация по рентгеновским пульсарам становится перспективным направлением. Это позволяет определять положение аппарата и его скорость без обмена информацией с Землей (что актуально, например, если спутник находится далеко: и сигнал идет долго, и на работу передатчика надо тратить драгоценные запасы энергии). По нескольким пульсарам спутник может с высокой точностью определить свое положение и трехмерный вектор скорости. Надо только иметь на борту точные часы и рентгеновский детектор, позволяющий с высокой точностью фиксировать время прихода рентгеновских квантов. Технологию активно разрабатывали и разрабатывают (в том числе и в России). Первый китайский аппарат подобного рода уже в полете.

В статье от 22 ноября рассказывается о проекте SEXTANT — части прибора NICER на борту МКС. Статья была написана, когда прибор только планировали установить на станции, а сейчас он уже там и успешно работает (о первых результатах NICER см. работу ученых из NASA и Военно-морской научно-исследовательской лаборатории США).

По традиции, от планет переходим к экзопланетам. В самом первом ноябрьском выпуске Архива мое внимание привлекло название статьи «Получение изображений поверхности Проксимы b и других экзопланет: топография, биомаркеры и искусственные мегаструктуры», опубликованной 2 ноября. Фантастически звучит? А авторы считают, что вполне реалистично. По их мнению, анализ отраженного планетой света может позволить изучать поверхность планет. На основе детального анализа они показывают, что уже следующее поколение телескопов с аппаратурой типа SPHERE (работающей сейчас на VLT) смогут взяться за такую задачу для десятка планет. А когда в будущем появятся телескопы, эквивалентные 60-70 метровым диаметрам, то речь может пойти уже о сотнях планет.

Но пока придется довольствоваться другими наблюдениями, хотя нас все равно ждет заметный прогресс. В следующем году начнутся активные наблюдения на приборе ESPRESSO на VLT. Он приходит на смену HARPS (установлен на 3,6-метровом телескопе), который внес огромный вклад в поиски экзопланет методом лучевых скоростей. Задача нового инструмента — получать стабильные результаты для скоростей в сантиметры в секунду. Т.е., он должен позволить обнаруживать двойников Земли: планеты с массой порядка земной в зонах обитаемости у звезд, подобных Солнцу ((Земля заставляет Солнце двигаться со скоростью около 9 см/с). Кроме экзопланетных задач, у прибора есть и другие научные цели, связанные с изучением звезд и даже космологические исследования. В статье от 14 ноября описаны и научные задачи, и конструкция прибора (включая разные режимы работы).

Преодолевая метровый барьер

В последнее время наблюдения на новых приборах (в первую очередь на системе телескопов ALMA, а также на приборе SPHERE) показывают массу интересных деталей об образовании планет. Тем не менее, у теоретиков остается немало вопросов и проблем. Одна из них связана с преодолением т.н. «метрового барьера».

Когда твердые частицы достигают размеров порядка сантиметров-метра, то газ начинает их сильно тормозить, и частицы должны быстро выпадать на центральную звезду. Только достигнув размера в несколько метров тела перестают чувствовать газ в столь сильной степени. Проблема в том, чтобы придумать механизм, позволяющий частицам небольшого размера, во-первых, быстро расти, во-вторых, не свалиться на звезду. Некоторые коллеги полагают, что в работе от 10 ноября «проблема метрового барьера» окончательно решена.

На самом деле, качественно идея была понятна уже лет 10-15 назад. Надо запустить какие-нибудь неустойчивости в диске, создадутся области повышенного давления. Частицы в них соберутся, будут быстрее расти (или даже могут прямо коллапсировать в планетезимали) и смогут избежать быстрого дрейфа к звезде. Даже неустойчивости были предложены - это т.н. пучковая неустойчивость (streaming instability). Вопрос был в деталях. Авторы рассмотрели эти детали и обнаружили целый ряд неустойчивостей, которые могут помочь быстрому формированию достаточно массивных тел в протопланетных дисках. А дальше мы уже знаем, как вырастить планеты.

Впервые за 15 лет обзоров я решил включить в список лучших статей месяца свою работу. В статье от 7 ноября мы предложили гипотезу, которая объясняет весь комплекс данных по загадочной рентгеновской двойной HD 49798/RX J0648.0—4418. В этой системе есть компактный объект с периодом вращения и очень стабильной отрицательной производной периода (период сокращается). Объяснить производную периода не получается, особенно в модели с белым карликом. а модель с нейтронной звездой не проходит, т.к. спектр говорит о большой площади излучающей поверхности.

Наша идея состоит в том, что белый карлик сжимается, и поэтому раскручивается. Моделирование эволюции этих компактных объектов давно предсказывало эту стадию, но ее не удавалось идентифицировать. И вот удалось. Так сложилось, что белый карлик мы застали вовремя — он еще довольно молодой, пара миллионов лет. Мы видим его из-за аккреции, но аккреция слабая, и сама на вращение влияет слабо. Это связано с тем, что у белого карлика уникальный сосед — горячий субкарлик. И аккреция идет из звездного ветра. Моделирование эволюции двойных показало, что подобные системы могут встречаться в необходимом количестве, чтобы мы могли застать одну ближе килопарсека от нас.

От белых карликов – к нейтронным звездам

Международный коллектив астрофизиков из десятка институтов обнаружил интересный пульсар в двойной системе и описал это в статье от 22 ноября. Эта система сольется всего лишь через 76 миллионов лет (и породит, таким образом, всплеск гравитационных волн и гамма-всплеск, а также килоновую). В ней наблюдаются самые сильные релятивистские эффекты. Это связано с тем, что система очень компактная, ее орбитальный период 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.

Исследования нейтронных звезд (в том числе в двойных системах) могут проливать свет на до сих пор непонятные детали механизма вспышек сверхновых и эволюции звезд незадолго до взрыва. А вопросов там хватает! Да еще наблюдения постоянно подкидывают новые загадки. В сентябре 2014 г. паломарский проект по поиску сверхновых обнаружил вспышку, которая впоследствии оказалась началом весьма и весьма любопытной серии, описанной в работе от 7 ноября.

Вспышка произошла в не такой уж далекой галактике на расстоянии всего лишь около полумиллиарда световых лет от нас. Событие классифицировали как сверхновую типа IIP. Ну и все хорошо. Казалось бы. Но не тут-то было! Вспышки продолжились. Конечно, всплески были не такими мощными, как сама сверхновая, тем не менее, это не очень типично. Кроме того, сверхновая демонстрировала очень нетипичную спектральную эволюцию на протяжении примерно двух лет наблюдений. По всей видимости, на протяжении десятков лет до взрыва сверхновой звезда-прародитель испытывала глобальные потрясения, сопровождавшиеся выбросом большим масс (десятки солнечных). В принципе, такое поведение не новость. Но детали наблюдений (водород в спектре) не укладываются в существующую модель. Так что новые данные надо объяснять новой моделью поведения предсверхновой в течение последних лет перед вспышкой. Рисунок №1 в статье прекрасно иллюстрирует основную необычность сверхновой.

Но вернемся к двойным нейтронным звездам. Все мы помним, что в этом году впервые удалось увидеть гравитационные волны от слияния такой пары. И для многих это было возможностью лучше разобраться в устройстве недр таких компактных объектов. Наконец-то начали появляться статьи с первыми серьезными результатами таких попыток.

В работах от 1 ноября — немецкой, Института теоретической физики и Института прикладных исследований во Франкфурте, и американской, Университета Урбана-Шампейн в Иллинойсе, представлены результаты попыток получить из наблюдений сливающихся нейтронных звезд важнейший параметр — максимальную массу (невращающейся) нейтронной звезды. Получившаяся величина в обоих случаях не превосходит 2,2 массы Солнца.

В деле наблюдения слияний двойных черных дыр произошел переход количества в качество. LIGO в июне зарегистрировали слияние от пары черных дыр с массами 12 и 7 солнечных масс (это описано в статье от 15 ноября). Расстояние до пары — 340 Мпк. Существенно, что у объектов нормальные чернодырные массы. И любопытно, что это первое заявление об очередном гравитационно-волновом сигнале без пресс-конференции.

О самих черных дырах можно почитать работу «Астрофизические черные дыры: компактный педагогический обзор». Название говорит само за себя: это действительно довольно компактный обзор, вполне всем доступный (и с картинками). В нем кратко рассмотрены аккреционные диски вокруг черных дыр и их спектры, а также то, как изучают области диска с наиболее сильной гравитацией (вблизи черной дыры).

Надеюсь, что этого чтения вам хватит до появления декабрьского обзора. А там и итоги года будут на подходе. Кому же и этого мало – могут начать читать новую книгу автора обзоров с простым названием «Вселенная».

Автор — Сергей Попов

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