Астрономия

«В группе нет ни одного человека, кто занимался бы единственным проектом»

Черные дыры, звездные библиотеки и галактическая кухня астрофизиков

Игорь Чилингарян/ВКонтакте

Группа Игоря Чилингаряна — ведущего научного сотрудника Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга МГУ и сотрудника Смитсонианской астрофизической обсерватории — поистине уникальна: несмотря на бюрократические сложности, она работает одновременно в США и России. Из 14 человек 9 — студенты и аспиранты, которые с самых первых дней занимаются серьезной наукой. Участники коллектива рассказали Indicator.Ru о необходимости подобного опыта, «странных галактиках» и о том, как резать «космический пирог».

— Как зародилась ваша группа?

Игорь Чилингарян: Формально группа в некоем виде образовалась в 2009 году, а начиная с 2012 года появились первые гранты. У нас не было никогда конкретного направления работы, мы всегда пытались охватить широкую тематику, связанную с внегалактической астрономией, и посмотреть, что получается, что не получается. Сейчас в группе 14 человек, 9 из них студенты и аспиранты. У нас есть два гранта РНФ, покрывающих разные темы, — один молодежный по Президентской программе под руководством Ивана Золотухина, а второй обычный для индивидуальных научных групп под моим руководством. В группе практически нет ни одного человека, который занимается единственным проектом. Это позволяет продвигаться быстрее и в научных результатах, и в работе, и активно публиковаться.

В целом люди собраны из двух отделов ГАИШ МГУ, а часть из нас работает параллельно за границей, без этого не было бы доступа к наблюдениям на крупных телескопах. Еще там больше социальных взаимодействий, тебя лучше знают, и, соответственно, проще попасть с устным докладом на конференцию и так далее.

Arrows-left
Arrows-right
Reload
1 / 6

2 обсерватории (Las Campanas и La Silla), 5 ярчайших галактик и 5 ярчайших шаровых скоплений неба

Фото: Игорь Чилингарян/ВКонтактe

— А чем занимается каждый из сотрудников?

Иван Золотухин, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник отдела внегалактической астрономии ГАИШ МГУ: Давайте я кратко расскажу про черные дыры промежуточных масс. Это очень перспективное и интересное направление. Я был в постдокторантуре в Институте планетологии и астрофизики в Тулузе; там научная группа, помимо своих рентгеновских наблюдений, знаменита тем, что они обнаружили один из лучших и первых кандидатов в черные дыры промежуточной массы. Вот, собственно, я и увлекся этой темой, и наши наработки в группе в МГУ открыли интересное окно для исследований, которое очень успешно развивается.

Почему это важно? Черные дыры промежуточной массы позволят понять то, как формировалась вселенная, как образовались сверхмассивные черные дыры. Потому что по-прежнему, несмотря на многие годы исследований, до конца ясности в вопросе сверхмассивных черных дыр и их образования не имеется. И одна из основных гипотез заключается в том, что образование сверхмассивных черных дыр было связано со слиянием черных дыр меньшей массы. То, что черные дыры сливаются, было убедительно показано в последние годы в связи с наблюдательным открытием гравитационных волн от этих событий. Несмотря на десятилетия поисков, черные дыры промежуточной массы в большом количестве никто не обнаруживал. Группа в Тулузе нашла одну, но это было случайно. Мы открыли несколько достоверных объектов, используя крупнейшие наземные и космические телескопы. В наблюдательном плане это один из самых больших проектов в российской астрономии по количеству разных инструментов. Участвовали несколько наземных обсерваторий, с диаметрами телескопа до десяти метров, в том числе российский 2,5-метровый ГАИШ КГО, также крупнейшие рентгеновские обсерватории: европейская XMM-Newton и американская Chandra. Собственно, этот многоволновой анализ данных большого объема в разных частях спектра позволяет выбрать слабые сигналы черных дыр промежуточной массы. И это дает понимание, что таких объектов очень много, и в дальнейшем позволит пролить свет не только на образование сверхмассивных черных дыр, но и на иерархическое происхождение галактик.

И. Ч.: Мы начали с того, что отобрали кандидатов из баз данных, а потом детально их исследовали. Только так получилось найти реальный объект.

Иван Катков, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник отдела внегалактической астрономии ГАИШ МГУ: В нашей основной работе, опубликованной в 2018 году в The Astrophysical Journal, мы выделили 305 кандидатов, из них десять были надежно подтверждены дополнительными рентгеновскими наблюдениями. Вообще, наличие рентгеновского излучения говорит о существовании аккреционного диска, который возникает при падении вещества на черную дыру. Начиная с 2017–2018 годов мы постоянно подаем заявки на рентгеновские наблюдения на XMM и Chandra. Поскольку это актуальное направление, значимость его понимают многие коллеги за рубежом, и заявки с какого-то момента стали получать время. Это происходит нечасто из-за большой конкуренции.

Собственно, одно из направлений здесь — расширить выборку подтвержденных кандидатов. Для этого мы и проводим дополнительные наблюдения на телескопах: КГО, 6-метровом телескопе MMT в Аризоне, 10-метровом SALT в Южной Африке. Также мы собираемся детально исследовать свойства хозяйских галактик, в центре которых сидят черные дыры промежуточных масс. Это одно из приоритетных направлений на будущие несколько лет, потому что позволит построить более полную картину того, каким образом сохранилась популяция черных дыр промежуточных масс в настоящую эпоху. Если в центрах этих галактик есть такие объекты, значит, эти галактики не испытывали больших слияний с другими галактиками.

Кирилл Гришин, студент физического факультета МГУ: Уже упоминалось, что у нас ведется работа по исследованию хозяйских галактик и по детальной спектроскопии объектов. И для этого нужны спектральные данные лучшего качества и лучшего разрешения, поэтому с 2017 года мы регулярно проводим наблюдения на нескольких телескопах, в частности на 6,5-метровом Магеллановом телескопе обсерватории Лас-Кампанас в Чили. Для этих наблюдений мы используем эшелле-спектрограф среднего разрешения, с его помощью мы дополнили информацию SDSS более качественными данными.

И. Ч.: Изначально кандидаты были отобраны из данных Слоановского обзора неба (SDSS – прим. Indicator.Ru), в котором всего был получен почти миллион спектров. Качество у них не очень, поскольку наблюдали все галактики подряд до какой-то определенной яркости. Соответственно, если мы хотим получить качественные измерения из этих далеких галактик, их надо переделать. Именно поэтому мы их перенаблюдаем на более крупном телескопе с более качественной аппаратурой, потому что обзор SDSS делался на 2,5-метровом телескопе обсерватории Апачи-Пойнт в США. Чем больше диаметр главного зеркала, тем больше собирающая площадь и лучше данные. Поэтому мы уже третий год методично наблюдаем объекты из списка и проводим сравнение оценок масс из наших спектров с теми, которые были получены в обзорах SDSS. У нас качество определения масс черных дыр, а они как раз по спектрам определяются, гораздо выше.

Теперь стоит рассказать и о других проектах. У нас были весьма яркие результаты по открытию центральных массивных черных дыр и ультракомпактных карликовых галактик. И целый спектр результатов по физике больших галактик, в том числе гигантских низкой поверхностной яркости, и структуре галактических дисков.

Антон Афанасьев, сотрудник отдела физики эмиссионных звезд и галактик ГАИШ МГУ: У нас довольно большая часть группы занимается тем, что подходит под определение «странные галактики». В особенности мы любим карликовые галактики, потому что по ним существует большое количество расхождений, они менее изучены, космология не вполне стыкуется с наблюдательными данными. Все это вызывает к ним определенный интерес. Один из проектов данной тематики — ультракомпактные карликовые галактики. Они совсем маленькие, по размерам практически шаровые скопления, и фактически это одни из самых плотных звездных формирований во Вселенной. В одной из таких галактик, довольно близко к нам, а именно в скоплении Печи, мы обнаружили сверхмассивную черную дыру. Она сопоставима с той, что в центре Млечного Пути, но наша Галактика в 300 раз больше по размерам. Достаточно интересный результат, потому что это четвертая, насколько я помню, черная дыра в таком типе объектов. И она подтверждает одну из гипотез формирования этого класса галактик: скорее всего, им не повезло пролететь вокруг чего-то совсем большого и они потеряли практически все свои звезды. Осталось лишь очень плотное компактное ядро.

Вообще, мы сильно недооцениваем количество таких черных дыр. Есть компактные эллиптические галактики, но практически нет никаких данных о том, есть ли у них черные дыры в центрах и сколько. Это можно легко проверить при помощи методов динамического моделирования кинематики. То есть мы снимаем спектры галактик, из них можно получить информацию не только о химическом составе звезд и их возрасте, но также и о том, какая скорость у звезд, насколько хаотично они двигаются в той или иной точке. Моделируя эти данные, можно предсказать, какое распределение массы необходимо для того, чтобы звезды двигались так, как мы видим. Это позволяет предположить наличие либо отсутствие черной дыры в центре. Можно исследовать распределение темной материи в галактике, собственно, это второй аспект, которым мы планируем заниматься.

В 2015-м появился внезапно такой класс галактик, как ультрадиффузные галактики. На самом деле они были обнаружены раньше, просто из-за низкой яркости их было абсолютно нереально исследовать с помощью доступных инструментов, поэтому про них на 30 лет практически забыли. С момента всплеска интереса к ним уже появилось большое количество исследований, потому что совсем они не вписывались в текущую парадигму.

И. Ч.: Ультрадиффузные и ультракомпактные галактики имеют примерно одинаковую массу в звездах — от 10 до 100 миллионов масс Солнца. Наша Галактика имеет больше 100 миллиардов масс Солнца. Ультрадиффузные сопоставимы по размерам с Млечным Путем, но звезды в них сильно разрежены, а сами они очень тусклые. Ультракомпактные наоборот. Это как бы два крайних случая в распределении свойств галактик.

А. А.: И оба этих случая мы стремимся активно исследовать. Благодаря Игорю у нас есть доступ к MMT, на нем располагается один из лучших спектрографов вообще в мире для исследования галактик с низкой поверхностной яркостью. Мы решили воспользоваться возможностью и прояснить, каким образом эти объекты могут образовываться и в каком количестве. В 2019 году вышла статья с выборкой таких галактик, которые нам удалось снять и исследовать различными методами. Популяция диффузных галактик оказалась очень разнообразной. В ней мы нашли аналоги более массивных и хорошо исследованных карликовых эллиптических галактик, что указало на эволюционное родство этих классов звездных систем.

Анна Сабурова, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник отдела внегалактической астрономии ГАИШ МГУ: Я занимаюсь исследованием гигантских галактик низкой яркости. Они уникальны благодаря своим колоссальным размерам дисков — в десять раз больше, чем у Млечного Пути. В рамках текущей концепции формирования галактик очень сложно образовать столь массивные системы, при этом не разрушая их диски. У них же диски очень хорошо сохраняются. Пытаясь ответить на вопрос, как получились такие галактики, мы используем данные наблюдений и, кроме того, архивные данные из интернета. Объекты оказались довольно разнородными, и нельзя предположить какой-то один сценарий формирования таких систем — возможны как минимум три. Первый включает слияние двух или трех массивных галактик. По второму сценарию гигантский диск образуется путем аккреции (падения — прим. Indicator.Ru) газа на образованную раньше галактику. И в третьем сценарии мы связываем необычные свойства гигантских дисков с необычными свойствами гало темной материи, в которых эти диски образовались.

Также мы работаем над расширением выборки гигантских галактик низкой яркости, что очень важно для понимания того, что в них происходит, чем они отличаются от обычных галактик. И в настоящее время это становится более реализуемо благодаря тому, что появляются новые данные, по которым можно проводить поиск таких систем.

И. Ч.: Совсем недавно мы неожиданно получили связь между тремя нашими тематиками. При детальном рассмотрении оказалось, что довольно большая часть объектов класса гигантских галактик низкой яркости имеет активные ядра, а массы черных дыр, которые получаются по анализу излучений активных галактических ядер, попадают чуть ли не в режим черных дыр промежуточных масс, чуть-чуть выше. А затем выяснилось, что некоторые из этих гигантских галактик низкой поверхностной яркости имеют спутники, и эти спутники — как раз компактные эллиптические галактики. Что делать с этим большим сюрпризом — скоро поймем.

Анастасия Каспарова, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник отдела внегалактической астрономии ГАИШ МГУ: Самым распространенным типом галактик, кроме карликовых, являются дисковые, как, например, наш Млечный Путь. Раньше считалось, что есть некий тонкий диск, который постоянно рождает звезды, но затем выяснилось, что есть какой-то еще компонент, который называется толстым диском. В нем содержатся более старые звезды, и он простирается шире, дальше от плоскости галактики. Вот этот компонент представляет большой интерес, потому что такое вертикальное разделение звезд в диске несет в себе информацию об эволюции системы.

Сейчас есть много данных по Млечному Пути, на основании которых созданы сценарии образования дисковых структур. Но в то же время мало что известно о звездном населении других галактик. Наша группа с 2015 года занимается наблюдениями на двух крупнейших телескопах — БТА и SALT. Изучено больше 20 объектов, плюс пересняты чужие, около 15–20 систем. Глядя на дисковые галактики сбоку, мы получаем спектральные данные разных слоев этого «космического пирога» и, соответственно, разных звездных населений. Этот проект сейчас в самом разгаре, но уже есть важные результаты. Так, мы опровергли теорию о том, что толстые диски составляют лишь незначительную часть объекта. Кроме того, на БТА был снят объект с очень большой массой. Он вращается в два раза быстрее, чем наша Галактика, и диск его в пять раз тяжелее нашего. Такие объекты-рекордсмены никто ранее не исследовал. На нем, собственно, мы и сумели разработать методику корректного разделения компонент диска и показали, что толстый диск может быть крайне массивным.

Мы надеемся, что, обработав всю эту информацию, выберем корректный сценарий образования из множества предложенных численных моделей. Есть тенденция: люди предлагают модели, а проверять не очень хотят, потому что интерпретировать наблюдательные данные сложно. Это довольно грустно.

Святослав Борисов, аспирант физического факультета МГУ, специалист отдела физики эмиссионных звезд и галактик ГАИШ МГУ: Проблема построения качественных моделей, связанных со звездным населением, существует уже несколько десятилетий. Если совсем просто, то звездное население — это тип звездного состава галактики, хотя в принципе речь может идти о какой-то подсистеме галактики, о звездном скоплении. При помощи моделей определяются характеристики: возраст, химический состав, кинематические параметры. Вообще, самый надежный способ изучения звездных населений — прямые наблюдения отдельных звезд в галактиках, но увидеть мы их можем только в самых близких. Чаще всего имеется своего рода салат из характеристик, а компоненты и их соотношения нужно определить вслепую, ориентируясь исключительно на вкус. Из суммы приходится вычленять сигналы отдельных звезд.

Звездные библиотеки — просто набор спектров звезд различных спектральных классов. На разных этапах эволюции они имеют отличные свойства. При создании звездных библиотек в первую очередь нас интересуют характеристики атмосферы: температура, ускорение свободного падения, содержание железа и альфа-элементов [химические элементы, состоящие из ядер гелия (O, Mg, Si, S, Ca и Ti) и образующиеся в процессах распада неустойчивых тяжелых элементов и захватах образовавшихся при этом ядер гелия более легкими α-элементами — прим. Indicator.Ru]. Проект по созданию инфракрасной библиотеки начался в 2013 году, и сейчас в нашей библиотеке уже более 1300 звезд, что очень хорошо по современным меркам. Важно, чтобы все классы были изучены в равной степени — только так система позволит корректно интерпретировать результаты наблюдений. Интересно, что у нас самая большая выборка гигантов асимптотической ветви. Эта стадия эволюции звезд считается самой непонятной.

Arrows-left
Arrows-right
Reload
1 / 4

6,5-метровый телескоп ММТ на рассвете

Фото: Игорь Чилингарян/ВКонтактe

Также у нас в этом проекте есть цель перекалибровать две другие библиотеки, UVES-POP и INDO-US. Они больше в оптическом диапазоне и станут дополнением к нашей в инфракрасном.

Евгений Рубцов, аспирант физического факультета МГУ, сотрудник отдела физики эмиссионных звезд и галактик ГАИШ МГУ: У нас много наблюдательных данных, но основной проблемой здесь является то, что в наблюдаемых спектрах ты не знаешь параметры атмосфер, то есть их нужно определять, чтобы в дальнейшем использовать при построении модели звездных населений. Мы разработали собственные оригинальные методы, основанные на гибридном методе попиксельной аппроксимации спектров, которые применяем к анализу спектров как звезд, так и галактик, во всех наших проектах.

И. Ч.: Мы сравниваем наблюдаемые спектры звезд с моделями. Хитрый математический подход позволяет определить параметры атмосферы у наблюдаемых звезд, то есть что это за звезда: гигант или карлик, холодная или горячая, бедная металлами или богатая, есть ли там избыток альфа-элементов. В общем, те параметры, которые нам впоследствии понадобятся для создания моделей звездных населений. У нас ушли большие ресурсы на создание этих методов, потому что задача весьма трудоемкая. Проект вообще наш самый масштабный. Поскольку все самые современные телескопы работают в инфракрасном диапазоне, а соответствующих моделей нет, результаты станут основой для собственной науки наших коллег.

— Вы говорили, что у вас несколько студентов. Чем они занимаются и когда включаются в деятельность?

И. Ч.: Их работа начинается с первого курса. Наш коллектив отличается тем, что мы не даем учебных задач, люди сразу занимаются наукой, а потом публикуются. У старших студентов есть хорошие статьи с приличным индексом цитирования. Для России это нетипично, и часто получается как в анекдоте: научитесь плавать — тогда и воду нальем. В итоге люди на выпуске остаются без статей, потому что делали то, что давно сделано, и не раз.

У нас, например, Вика Топтун сейчас на третьем курсе занимается обработкой рентгеновских данных.

Виктория Топтун, студент физического факультета МГУ: Я пришла в эту научную группу на первом курсе, то есть два года назад, и довольно быстро включилась в работу. Сейчас занимаюсь проектом по черным дырам промежуточных масс — привожу сырые данные с рентгеновских телескопов XMM и Сhandra к понятному нам виду. Из получившихся спектров рентгеновских объектов мы извлекаем нужные нам характеристики. Например, можем получить рентгеновскую светимость из спектра и потом это перевести в полную по всему диапазону. Поскольку все у нас подключены не к одному проекту, я также помогаю в разработке каталогов спектров галактик, а именно второй версии RCSED.

И. Ч.: Другой наш студент, Володя, сейчас в основном занимается анализом оптических данных, которые идут по программе наблюдений черных дыр промежуточных масс. Расскажи сам еще про расширение каталога.

Владимир Гораджанов, студент физического факультета МГУ: Я тоже пришел в эту научную группу приблизительно два года назад. Поначалу занимался и сейчас занимаюсь обработкой спектров с SDSS. Если первая версия нашего каталога RCSED, выпущенная в 2017 году, содержала седьмую версию SDSS, то сейчас доступна уже шестнадцатая, и там спектров галактик примерно в шесть раз больше. В сумме мы хотим получить каталог со спектрами приблизительно шести миллионов галактик, то есть расширить нынешний в четыре раза. Моя основная работа заключалась в тестировании новых методов обработки данных этих спектров и расширении каталога.

И. Ч.: Мы с Евгением Рубцовым делаем новый метод, а Володя пытается его сломать.

В. Г.: И успешно получается! И помимо всего прочего уже была обработана какая-то небольшая тестовая часть этого проекта SDSS eBOSS — пятнадцатая версия. Там уже найдены кандидаты в черные дыры промежуточных масс.

И. Ч.: Это будет самая большая выборка галактик, которые проанализированы одним и тем же методом. До нас такого никто не делал.

— А что насчет публикаций?

И. Ч.: За последние семь лет у нас несколько десятков публикаций в престижных международных журналах. Одна в Science, одна в Nature и куча в обычных журналах, все из первого квартиля. Статья по черным дырам промежуточных масс вышла в 2018 году, она уже процитирована 44 раза. Она входит в 2% самых цитируемых публикаций по астрофизике того года. Другая, про открытие черной дыры в ультракомпактной галактике, входит в топ 5%. Черные дыры очень популярны у теоретиков, а потому такие статьи цитируют часто в качестве примеров для подтверждения и опровержения разных теорий. Про ультрадиффузные галактики сказать сложно, на статью от октября 2019 года пока только десять ссылок. Тема сложная, а потому в цитировании возникает задержка. Группа большая, и мы пытаемся работать с широким фронтом. Проблем с написанием статей нет, но важно, чтобы публикации были полезны не только нам, но и всему астрономическому сообществу.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

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