Астрономия

Нейтронные звезды, черные дыры, проверка ОТО и быстрые радиовсплески

Астрофизические итоги 2018 года

Максим Дюкин

Нейтронные звезды, черные дыры, проверка общей теории относительности и новые быстрые радиовсплески – обо всем этом рассказывает доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ГАИШ МГУ Сергей Попов в традиционном астрообзоре.

Хотя 2018 год не может похвастаться яркими одиночными открытиями вроде первой регистрации гравитационных волн или открытия быстрых радиовсплесков, в течение него было получено очень много результатов, заслуживающих внимания.

Новые инструменты

Чаще всего для получения новых результатов нужно вводить в строй инструменты нового поколения, а также разрабатывать эффективные методы обработки данных. В 2018 году космический телескоп Кеплер, которому мы обязаны сотнями обнаруженных экзопланет, прекратил наблюдения. Но примерно за полгода до этого NASA вывело на орбиту новый аппарат — TESS. Этот спутник оснащен четырьмя небольшими телескопами, и его программа наблюдений принципиально отличается от кеплеровской. Если Кеплер в течение 4 с лишним лет, пока не сломались гироскопы, наблюдал около 200 000 звезд на одной и той же площадке неба, то TESS будет проводить обзор всего космического пространства. Эта программа рассчитана на два года, но есть все основания полагать, что аппарат может проработать гораздо дольше. Основная задача миссии — открыть много железно-каменных планет в зонах обитаемости красных карликов.

Научные наблюдения на TESS начались летом, и вскоре стали появляться первые результаты. Разумеется, за столь короткий срок транзитным методом можно обнаружить лишь планеты с очень коротким периодом обращения. Первой находкой TESS стала вторая планета в системе звезды π Столовой горы. Это сверхземля (масса планеты равна 4-6 земных) с орбитальным периодом чуть меньше недели. Затем было объявлено и о других открытиях, сделанных на новом спутнике.

Продолжает свою работу астрометрический спутник Gaia. Полная программа наблюдений рассчитана минимум на пять лет, но по ходу работы были запланированы промежуточные релизы данных. Второй из них был представлен в 2018-м. Это крайне важно практически для всей астрономии. Ведь в каталоге представлены данные не только по 1.7 миллиарда (!) звезд, но и по 14 000 объектам Солнечной системы, а также по внегалактическим небесным телам. Тот факт, что данные находятся в свободном доступе, делает второй релиз Gaia, возможно, самым значимым событием года для профессиональных астрономов. Не удивительно, что появились десятки работ с новыми результатами, полностью основанными на этой публикации.

Наконец, в конце года были представлены новые результаты обработки данных сеансов наблюдений (2015-2017 гг.) на установках LIGO и VIRGO. Тщательный анализ позволил выявить еще четыре надежных слияния двойных черных дыр. Так что теперь количество зафиксированных гравитационно-волновых всплесков возросло до 11. Один из них связан со столкновением нейтронных звезд, а все остальные — с слиянием черных дыр.

Теперь мы можем перейти к отдельным интересным результатам. Если все перечисленное выше вошло бы в главные итоги года с точки зрения практически любого астрофизика, то сейчас мы вступаем в более субъективную часть нашего обзора.

Нейтронные звезды, черные дыры и проверка ОТО

Раз уж первую часть мы закончили гравитационным всплесками, то продолжим примерно на той же волне. Напомним, что исследования гравитационно-волновых всплесков крайне важны с точки зрения тестирования теорий гравитации. Но возможные эффекты и предсказания довольно многочисленны, поэтому здесь у астрономов есть разные подходы.

Прекрасными «приборами» для проверки общей теории относительности (ОТО) являются радиопульсары. В июле международная группа астрофизиков представила результаты наблюдений тройного радиопульсара: в этой системе нейтронная звезда образует пару с одним белым карликом, тогда как второй вращается вокруг этих двух небесных тел. Радиопульсар в паре с белым карликом вместе «падают» в поле третьего белого карлика. Это позволяет проверить, зависит ли действие гравитации от свойств тела. Ответ: не зависит. Разумеется, не зависит на каком-то уровне точности. Но важно, что теперь точность существенно выше, чем получалось раньше, когда «падение» двойных пульсаров рассматривалось в более слабом галактическом гравитационном потенциале.

Однако, проверки многих эффектов ОТО возможны и в системах двойных пульсаров. В 2018 г. была открыта новая интересная система PSR J1946+2052. Эта пара нейтронных звезд имеет рекордно короткий орбитальный период — менее двух часов! Соответственно, эффекты ОТО там более заметны, что позволяет быстрее достигать высокого уровня точности.

Завершая разговор о нейтронных звездах, упомянем пульсар-рекордсмен. PSR J0250+5854, обнаруженный в прошедшем году, имеет рекордно большой период вращения — 23.5 секунды. Его обнаружили с помощью системы радиодетекторов LOFAR. Открытие таких рекордсменов ставит интересные загадки перед астрофизиками, пытающимися построить модели излучения радиопульсаров, а также перед теми, кто исследует эволюцию нейтронных звезд. Уже вышло несколько теоретических работ, в которых пытаются восстановить жизненный путь пульсара и объяснить его наблюдаемые свойства. С нейтронными звездами мы разобрались, но наблюдения поведения объектов в сильном гравитационном поле на этом не заканчиваются. Одной из лучших «гравитационных лабораторий» считается сверхмассивная черная дыра в центре нашей Галактики – источник Sgr A*. В 2018 появилось два любопытных результата, связанных с наблюдениями окрестностей этого объекта.

Во-первых, используя данные 26 лет наблюдений звезды S2 – самой близкой к Sgr A* - удалось показать, что параметры ее движения не описываются в рамках ньютоновской физики – для этого нужна общая теория относительности. Во-вторых, анализ вспышек Sgr A* позволил выявить движение излучающего газа в непосредственной близости от черной дыры – на расстоянии т.н. последней устойчивой орбиты. Теперь мы ждем результатов от Телескопа Горизонта Событий, который может показать, что происходит на расстояниях еще ближе к черной дыре, но об этом чуть позже.

Со сверхмассивными черными дырами связана одна громкая история 2018 года. В июле на пресс-конференции было заявлено, что впервые идентифицирован источник нейтрино сверхвысоких энергий. Сами нейтрино наблюдали на установке IceCube в Антарктике. Одно из событий (произошедшее 22 сентября 2017 г.) совпало с периодом высокой активности блазара TXS 0506-056 (блазар – это активное галактическое ядро, чей струйный выброс – джет - направлен прямо на нас). Активность блазара заметили и исследовали с помощью гамма-телескопов Fermi и Magic. Затем астрофизики проанализировали, не приходили ли и в прошлом нейтрино из этого источника. В итоге ученые опубликовали статью, в которой заявили, что TXS 0506-056 является источником нейтрино. У части специалистов этот результат вызвал некоторый скепсис, поскольку достоверность исследования, к сожалению, недостаточно высока, а кроме того, одни только блазары не могут объяснить весь поток нейтрино сверхвысоких энергий. Так что точку тут ставить рано. Будем следить за развитием сюжета.

Механизм возникновения высокоэнергетичных нейтрино из блазара

IceCube

Старые и новые загадки

Если источники нейтрино сверхвысоких энергий так пока и не нашлись, то кое-что из «потерянного» астрономы все-таки отыскали. Речь о так называемых «потерянных барионах». Мы знаем, что обычное (барионное) вещество – протоны и нейтроны – составляет лишь 4-5% от массы всей вселенной. При этом значительную часть барионов мы не видим. Точнее, не видели до 2018 года. Основная часть водорода и гелия (а именно на них приходится 99% барионного вещества) не входит не только в состав звезд, но даже в состав галактик и их скоплений. Они составляют межгалактический газ – горячую субстанцию, заполняющую пространство между скоплениями небесных тел. До недавнего времени ученым не удавалось обнаружить присутствие горячего компонента этого газа – так называемой горячей-теплой среды (WHIM). Помогли наблюдения на рентгеновском телескопе XMM-Newton. Наблюдая спектр далекого квазара, астрономы обнаружили линии поглощения, которые они смогли приписать именно горячей-теплой среде с температурой около миллиона градусов. Теперь «баланс сходится». Все барионы нашлись.

Какие-то загадки находят свое решение, а какие-то – нет. До сих пор остается тайной происхождение быстрых радиовсплесков. Несмотря на то, что в 2018 количество подобных событий увеличилось примерно в два раза благодаря работе системы радиотелескопов ASKAP, прорыва не случилось. Также не удается понять природу единственного известного источника повторяющихся быстрых радиовсплесков. В прошлом году астрономы смогли получить интересные данные о свойствах межзвездной среды вокруг этого объекта, но ясности это не внесло. Звезды и вспышки

Перейдем к исследованиям звезд. И начнем с исследования интересной двойной звездной системы. Ее особенность кроется в крайне малом количестве элементов тяжелее гелия. Почему это так важно? Дело в том, что одна из звезд этой тесной (очень тесной!) пары имеет низкую массу. Это означает, что в рамках одного из сценариев формирования звезд маломассивные объекты могут образовываться и выживать вокруг звезд самого первого поколения после Большого взрыва, состоявших только из водорода и гелия. А это повышает наши шансы обнаружить какую-нибудь звезду населения III во вселенной где-нибудь в нашей окрестности, поскольку самые легкие из них должны были дожить до наших дней.

Изучение свойств звезд может многое рассказать о свойствах галактик. Так, например, анализ сдвига молодых звезд относительно спирального рукава позволил проверить волновую теорию происхождения этих образований. Считается, что спиральные рукава – это волновые структуры, образующиеся в диске галактики. Спиральный узор вращается как целое, а скорость движения звезды зависит от ее расстояния до центра галактики. Однако провести независимую проверку этого утверждения очень трудно. Авторы работы смогли не только определить скорости молодых звезд на разных расстояниях от центра, но и измерили, насколько эти звезды успели сместиться относительно рукавов галактики UGC 3825. Таким образом была измерена угловая скорость вращения спиралей. В результате ученые показали, что спиральный узор движется как одно целое. А это прекрасно укладывается в рамки волновых теорий.

Наконец кое-что новое удалось узнать о самой близкой звезде – Проксиме Центавра. Во-первых, астрофизики с высокой точность измерили ее массу. Это удалось сделать с помощью гравитационного микролинзирования. Ученые наблюдали два события, в которых Проксима выступала в роли линзы. В итоге – новое значение массы, составляющее 0.15 солнечной. Уточнение этой величины важно и с точки зрения исследования планет вокруг Проксимы, и с точки зрения уточнения динамики всей тройной звездной системы альфа Центавра.

Во-вторых, ученые обнаружили супервспышки на Проксиме. Вообще, красные карлики, коим является самая близкая к нам звезда, обычно очень активны. Однако на Проксиме Центавра ученые никак не могли заметить очень мощных вспышек. В 2018 году они обнаружили несколько супервспышек, одна из которых была настолько сильная, что ее можно было увидеть невооруженным глазом! Это, к слову, плохая новость с точки зрения надежд на обитаемость планет вокруг Проксимы. Пережить такие вспышки, находясь на поверхности планеты, крайне сложно.

Раз уж мы упомянули микролинзирование, то трудно пройти мимо еще одного результата. Впервые удалось выявить два изображения источника при микролинзировании. До этого всегда наблюдалось лишь изменение общей яркости светила из-за пролета объекта, выполняющего роль гравитационной линзы. В самом деле, увидеть отдельные изображения (так, как это удается сделать в случае линзирования на галактиках, вспомните знаменитые «кресты Эйнштейна») трудно, поскольку изображения слишком близки друг к другу. Сам Эйнштейн считал, что это останется за пределами возможностей телескопов. И вот, та-дада-дам: «Эйнштейн был не прав» (с). Сделать это стало возможно с помощью прибора GRAVITY на телескопах VLT, работающих в интерферометрической моде. Кстати, многие описанные выше результаты были получены на том же инструменте. Так что ему можно смело присвоить почетное звание «прибор года».

Новые далекие миры

Завершим наш список экзопланетами. Во-первых, наконец-то надежно была зафиксирована планета у звезды Барнарда. Напомним, что этот красный карлик - самая близкая к нам звезда, за исключением системы альфа Центавра, а кроме того, она быстрее всех движется по небу. Планета оказалась легкой сверхземлей и находится вблизи так называемой снеговой линии, т.е. вблизи границы, за которой могут существовать ледяные пылинки (а значит, процесс формирования планет идет быстрее).

В центре снимка красным цветом светится звезда Барнарда

ESO

Во-вторых, растет уверенность в том, что открыта первая экзолуна – спутник экзопланеты. Речь идет об объекте Kepler-1625b. Ранее по данным трех кеплеровских транзитов у нее заподозрили крупную луну. Теперь, после наблюдений прохождения этой луны перед светилом на космическом телескопе имени Хаббла, уверенность ученых возросла. Правда, авторы предупреждают нас, что об открытии говорить еще рано. Если же все подтвердится, то это будет очень необычная луна. Размер и масса спутника близки к параметрам Нептуна. Правда, и сама планета в несколько раз массивнее Юпитера, но все-таки такой гигантский спутник не мог образоваться вместе с небесным телом, вокруг которого вращается. Скорее всего планета захватила луну, возможно в период бурной молодости системы Kepler-1625, когда планеты активно мигрировали и взаимодействовали друг с другом.

В ожидании больших открытий

Во-первых, в этом году пройдет новый длинный сеанс научных наблюдений на установках LIGO и VIRGO. Приборы модернизировали больше года: многие элементы замененили на более продвинутые. В результате чувствительность детекторов должна существенно возрасти, а это позволит обнаруживать более далекие астрономические события. Значит, наблюдениями будет охвачен больший объем вселенной. Ученые рассчитывают зафиксировать, как минимум, несколько десятков гравитационно-волновых всплесков за 9 месяцев наблюдений. Рост статистики интересен и сам по себе, но главное, что возрастает вероятность обнаружить какую-нибудь экзотику. В частности, ждем первой регистрации слияния черной дыры с нейтронной звездой. Также в 2019 г. должны начаться тестовые технические прогоны на новом гравитационно-волновом подземном охлаждаемом детекторе KAGRA в Японии. Наблюдения начнутся через пару лет. А там, глядишь, соберут еще одну установку LIGO в Индии.

Во-вторых, в 2019-м ждем запусков двух новых аппаратов. В апреле должен полететь российский Спектр-Рентген-Гамма с телескопами ART-XC и eROSITA на борту. Если все пройдет по плану, то это будет лучшая рентгеновская обсерватория в своем классе, которая в течение 4 лет будет проводить глубокий обзор всего неба в рентгеновском диапазоне и даст много важной информации для всей астрономии: от космологии до исследования Солнечной системы. А осенью на орбиту должен выйти европейский спутник CHEOPS, предназначенный для поиска транзитов планет, обнаруженных ранее по измерениям вариации скоростей звезд. Это должно существенно углубить наши знания об экзопланетах.

В-третьих, ждем новых результатов по быстрым радиовсплескам. Новая канадская установка CHIME в 2018 уже представила предварительные данные по своим первым наблюдениям. А в начале 2019 в Nature появилось несколько статей, в которых были представлены данные уже по 13 всплескам, зарегистрированных CHIME, включая один новый источник повторяющихся вспышек. Причем впервые удалось зарегистрировать сигналы и на низких частотах - вплоть до 400 МГц. И все это лишь за пару месяцев наблюдений в тестовом режиме! Однако мы ждем от CHIME гораздо больше. Если все пойдет по плану, то счет всплескам быстро пойдет не на десятки, а на многие сотни, что важно для детального исследования их распределения по небу и поиска корреляций с галактиками. Кроме того, заработает система Apertif на телескопах WSRT в Нидерландах. Так что, если ранее всплески в основном открывали на южном небе, то теперь пришла пора северного полушария.

Наконец, большие надежды мы возлагаем на данные Телескопа горизонта событий (Event Horizon Telescope) по наблюдениям Sgr A*. Наблюдения прошли еще в 2017-м. С тех пор идет обработка данных. Может быть удастся впервые увидеть «тень черной дыры». А это дорогого стоит.