Мартовский астрообзор: ранняя Вселенная, вращение черных дыр и радиопульсары

Как вращаются черные дыры, какой была ранняя Вселенная и как расплавить астероид — обо всем этом доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ГАИШ МГУ Сергей Попов рассказывает в традиционном астрообзоре.

Самое главное

Пожалуй, самое интересное, что происходило в астрофизической части сайта препринтов ArXiv в марте — это публикация огромного количества «белых заметок» (white papers), посвященных состоянию дел, перспективам и первоочередным задачам в разных областях астрофизики. Все эти заметки должны послужить базой, на которой будет создаваться так называемые decadal survey по астрофизике. Такой отчет создается каждые десять лет и является основой для формирования общей политики в американской астрофизике.

На предварительном этапе разные исследовательские группы присылают свои небольшие (страниц на 10) доклады. При этом, как правило, все они выкладываются в открытый доступ. На март пришелся пик таких публикаций в Архиве. С начала года их появилось уже более 250. Сообщество таким образом проделывает колоссальную и очень важную работу по осмыслению того, куда и как двигаться, какие задачи наиболее актуальны и что надо предпринять для их решения. Затем большая группа экспертов анализирует всю собранную информацию и публикует итоговый отчет, в котором подробно обсуждаются важнейшие задачи, а также то, какие ресурсы (телескопы, спутники, суперкомпьютеры и так далее) нужны для их осуществления. Публикация итогового документа под названием Astro2020 намечена на 2020 год. Он должен задать программу развития до 2030 года.

Среди множества появившихся в Архиве заметок в рамках Astro2020 выделим обзор B.S. Sathyaprakash. В нем кратко суммировано, что ожидается в исследованиях ранней вселенной от наземных гравитационно-волновых антенн следующего поколения (Einstein telescope, Cosmic Explorer). Ожидается многое. Все хорошо отражено на рисунке, где показан ожидаемый сигнал в разных моделях и чувствительность разных инструментов.

Инструменты третьего поколения обозначены 3G. Видно, что они смогут проверять некоторые интересные космологические модели, а это важным образом дополнит результаты космического проекта LISA.

Волны и дыры

Продолжая разговор о гравитационных волнах и будущих проектах, упомянем работу Эрика Горгульона (Eric Gourgoulhon) с соавторами. В данной статье рассмотрен случай нашей галактики. Речь идет не о слияниях, а о гравитационно-волновом сигнале от тел различной массы и природы (бурые и белые карлики, нормальные звезды и нейтронные, черные дыры звездных масс и первичные), которые находятся на орбитах вокруг Sgr A*. Важным моментом является детальный расчет ожидаемого сигнала в керровской метрике. Вывод оптимистичный: LISA сможет регистрировать такие сигналы. Замечу, что это одна из многих свежих публикаций, посвященных анализу гравитационно-волновых сигналов от тел, вращающихся вокруг сверхмассивных черных дыр. В них рассматриваются и слияния с большим отношением масс (в первую очередь черных дыр звездных масс со сверхмассивными), и динамическая эволюция звездного населения вокруг сверхмассивных черных дыр, и слияния двойных систем, орбиты которых уменьшаются из-за приливного действия.

Тела могут обращаться вокруг черных дыр, однако и сами черные дыры вращаются. Для многих этот факт выглядит непонятным, но так оно и есть. Более того, с помощью астрономических наблюдений мы можем определять темп вращения этих объектов. Об этом речь идет в обзоре Кристофера Рейнольдса, опубликованном в журнале Nature Astronomy. Основной упор в статье сделан на наблюдения, но и физика дела кратко рассказана. Причем на достаточно популярном уровне, поэтому обзор рекомендуется к прочтению всем. Автор рассказывает о наблюдениях аккрецирующих черных дыр, об анализе гравитационно-волновых данных, а также отдельно рассматривается сверхмассивная черная дыра в центре нашей Галактики.

Черные дыры всех интригуют. Хочется узнать о них побольше. Для этого было бы здорово обнаружить систему «радиопульсар + черная дыра». Но оценки показывают, что они встречаются редко: одна на несколько тысяч обычных пульсаров. Значит, надо открывать больше радиопульсаров! В ближайшие годы главной машиной для этого станет 500-метровый китайский радиотелескоп FAST. Инструмент уже построен. Этому посвящен специальный номер журнала Science China Physics, Mechanics & Astronomy. Более того, он начинает работать. Более того — уже есть первые открытия! В статье представлены данные по первому открытому на FAST радиопульсару. О текущем состоянии FAST можно почитать в другой статье. Показательно, что уже проведены успешные наблюдения вращающихся радиотранзиентов. Значит, и результаты по быстрым радиовсплескам не за горами.

Быстрые всплески

Загадка быстрых радиовсплесков пока не поддается ученым. Но регулярно появляются важные работы, которые, как мне кажется, постепенно приближают нас к разгадке. В самом начале марта в Архиве появилась короткая, простая, но важная статья. Авторы используют небольшую (~20), но достаточно однородную выборку быстрых радиовсплесков, зарегистрированных на установке ASKAP. Это позволяет сделать интересные выводы на основе статистики вспышек. Темп всплесков сильно превосходит темп слияний компактных объектов и примерно в 10 раз уступает темпу вспышек сверхновых. Полученное число хорошо совпадает с оценкой темпа гипервспышек магнитаров, а также с оценкой темпа рождения магнетаров (что отмечалось уже в 2007 году, но теперь это более надежный вывод). Все данные по использованной популяции можно объяснить в рамках гипотезы о том, что все события имеют одну природу.

Не исключено, что для полного понимания природы радиовсплесков понадобятся новые инструменты. Вообще, технический прогресс очень важен в решении ряда астрофизических задач. Поэтому новые результаты, полученные с помощью самых современных методов, привлекают внимание, даже если сами по себе результаты не являются большой научной сенсацией.

Планеты: новые и забытые старые

С помощью системы GRAVITY на VLT удалось детально исследовать одну из планет системы HR8799. Это первый случай, когда экзопланета успешно напрямую наблюдалась и исследовалась методами наземной оптической интерферометрии. Удалось уточнить параметры орбиты и получить хороший спектр. Последнее помогло с большей точностью определить физические свойства планеты и более определенно провести ее классификацию. Авторы обсуждают, что еще можно сделать с GRAVITY в этой области. Как минимум, можно наблюдать все планеты, для которых есть прямые изображения. Также авторы отмечают, что полученные результаты говорят о том, что вполне реалистично с помощью наземных оптических интерферометров разрешать поверхность планет-гигантов. Это потребует базы порядка 10 километров. Пока таких систем нет, но авторы предлагают задуматься о том, не будет ли подобный проект хорошим планом для ESO после создания E-ELT.

Иногда новые данные наблюдений помогают узнать что-то новое об объектах, которые давно привлекали интерес. Например, удалось дооткрыть «первую кеплеровскую планету». Именно об этом идет речь в статье «Курьезный случай KOI 4: подтверждение первой кеплеровской экзопланеты». Аббревиатура KOI означает Kepler Object of Interest, то есть на основании кеплеровских данных источника был заподозрен планетный транзит. Номер четыре говорит о том, что объект был четвертым из включенных в этот список. При этом первые три были уже известными экзопланетами. Таким образом, речь идет о первом планетном кандидате Кеплера. Однако до сих пор его не удавалось подтвердить. И вот… С помощью наблюдений лучевых скоростей и астросейсмологического анализа это удалось сделать. Несмотря на то что это горячий юпитер (масса 5-6 юпитерианских, орбитальный период — менее 4 дней), источник был непростой целью, так как звезда является субгигантом, причем достаточно массивным (около 1,5 масс Солнца). Тем не менее все получилось.

Плавленный астероид

Если у наблюдателей курьезы обычно происходят сами собой, то теоретики любят специально рассматривать всякие интересные ситуации, которые также можно назвать курьезными. Например, задумывались ли вы, как расплавить астероид, и происходит ли такое само собой? Авторы одной из статей моделируют и анализируют, как астероиды можно нагревать токами, возникающими при движении тела в магнитосфере звезды (это может быть и белый карлик, и нейтронная звезда). Показано, что при сильных, но реалистичных полях (разумеется, речь идет о больших магнитных моментах, а не просто о больших полях на поверхности объекта, поэтому нейтронные звезды тут не лучшие кандидаты) могут возникать важные эффекты.

Астероид может достаточно разогреться, чтобы его недра начали плавиться. Это может приводить к серьезным последствиям для орбитальной динамики. Кроме того, на астероидах могут возникать квазивулканические выбросы. Потенциально, ситуация должна быть достаточно редкой (надо сильно приблизиться к телу с очень большим магнитным моментом), но было бы интересно такое обнаружить.

Ускоряемся

Завершим мартовский обзор статьями про ускорители. Всех интересует, что будет после Большого адронного коллайдера. Один из ответов: Большой линейный электрон-позитронный коллайдер (ILC — International Linear Collider). С его помощью, в частности, можно будет поводить точные измерения параметров бозона Хиггса, что важно для поисков физики за пределами Стандартной модели. В Архиве появился очередной большой стостраничный обзор по ILC. Он, вероятнее всего, будет построен в Японии (к сожалению, уже после выхода е-принта появилась новость, что пока правительство Японии не одобрило строительство установки). Ожидаемая стоимость проекта — более 7 миллиардов долларов. Оценка стоимости работы составляет примерно 400 миллионов долларов в год. Программа работы рассчитана на 22 года. Пока ускоритель не получил окончательного одобрения. После того, как оно будет получено, установку можно будет построить и запустить менее чем за 10 лет.

А вот ускорительный комплекс FAIR в Германии существует не только на бумаге. Его строительство уже заканчивается. Совсем скоро можно будет перейти к экспериментам, сбору данных и решению научных задач. А задач довольно много. Они охватывают широкий диапазон вопросов в атомной и ядерной физике. Некоторые из них носят фундаментальный характер, чему и посвящен обзор. Сюда же попадают проблемы внутреннего строения нейтронных звезд (об этом — в главе 3) и детали синтеза элементов во вселенной (см. главу 5). Полноценная работа ускорительного комплекса начнется в 2025 году.

Автор: Сергей Попов

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.