Астродвадцатка 2012

Каждый год астрономические исследования приносят нам новые открытия. В основном они связаны с наблюдениями, но свой вклад вносят и теоретики, в том числе занимающиеся компьютерным моделированием. В 2012 году наиболее запоминающиеся результаты наблюдателей были связаны с исследованием экзопланет и внегалактических объектов. Благодаря исследованию планет методом микролинзирования и новым данным с телескопа «Кеплер», мы теперь гораздо лучше представляем себе, насколько распространены экзопланеты — они есть у подавляющего большинства одиночных звезд. Однако открыто несколько интересных экзопланет и в двойных, и даже в системах большей кратности. В дальнем космосе также сделано немало открытий. Зарегистрированы необычно массивные (для своих галактик) черные дыры, обнаружен мощный квазар, останавливающий звездообразование в своей галактике, а также удалось увидеть гигантское волокно из темного вещества между двумя скоплениями галактик. Теоретики, в свою очередь, порадовали нас расчетами того, как планеты падают на звезды, и первым удачным взрывом сверхновой в компьютере.

В июле 2002 года я начал составлять обзоры е-принтов ^[1], появляющихся в Архиве (arXiv.org), а в декабре появилась рубрика «Лучшие из лучших», на основе которой потом возникали ежегодные обзоры самых интересных статей по астрофизике из Архива. Посмотрим, что важного появилось там в 2012 году.

Начнем с исследования экзопланет. Во-первых, благодаря работе телескопа «Кеплер» снова сильно выросло число кандидатов в экзопланеты. В феврале команда «Кеплера» рапортовала о более чем 2300 кандидатах (arXiv:1202.5852, напомню, что первые четыре цифры обозначают год и месяц, а последующие четыре — порядковый номер препринта в данном месяце), а в декабре появилась работа (1212.2915), в которой говорится уже о более чем 18000 кандидатах. Во второй статье использовались данные по фотометрии почти 200 000 звезд за три года работы спутника, что позволяло искать планеты с орбитальными периодами до полутора лет. Кроме того, были улучшены алгоритмы поиска планет.

Однако алгоритмы алгоритмами, а мощь человеческого мозга никто не отменял. В проекте Planet Hunters используется именно она. Добровольцы-непрофессионалы (да-да, вы тоже можете принять участие!) ищут прохождения планет по дискам звезд в данных того же самого спутника «Кеплер». Речь идет о событиях, которые были пропущены стандартными алгоритмами. В 2012 году поиск дал очень интересный результат: впервые обнаружена планета в системе четырех звезд (1210.3612). Планета вращается вокруг двойной системы, которая образует четверную вместе с другой двойной. Двойная имеет период около 20 дней, а планета делает вокруг нее оборот за 138 дней. Вторая двойная находится от планетонесущей пары звезд довольно далеко — более чем в 1000 а.е. Все четыре звезды — карлики: кто чуть легче Солнца, а кто — чуть тяжелее.

Интересных планет и систем было обнаружено немало: обо всех не расскажешь. Выберем лишь одну. Это система Кеплер-36 (1206.4718).

Там обнаружено две планеты с очень близкими орбитами: периоды обращения вокруг звезды составляют 16 и 14 дней. Но сами планеты очень разные. Плотность первой — менее одного грамма в кубическом сантиметре, а второй — почти восемь!

Более плотная, с массой около 8 земных, находится ближе к звезде. Менее плотная — примерно в два раза легче. По всей видимости, сейчас планеты находятся не на тех орбитах, на которых они образовались: имела место так называемая миграция. Открытие таких странных систем проливает свет на процесс образования планет, про который мы еще недостаточно много знаем.

Но этим важные результаты по экзопланетам не исчерпываются. Впервые удалось увидеть тепловое излучение суперземли (так называют планеты, которые в несколько раз тяжелее нашей и, по всей видимости, также являются каменными). Результат получен по данным наблюдений на спутнике «Спитцер» (1205.1766). Планета входит в систему близкой звезды 55 Рака, которую даже видно невооруженным глазом. Это всё важно для изучения свойств данного типа планет, которые в Солнечной системе отсутствуют.

Тот же «Спитцер» позволил впервые построить то, что громко названо «карта экзопланеты». На самом деле, речь идет о регистрации неоднородности распределения температуры по видимому диску одного из так называемых «горячих юпитеров» (1202.1883). Карта показывает наличие горячего пятна, которое удается интерпретировать в рамках стандартных моделей циркуляции в гигантских планетах, которые наконец-то можно сравнивать с данными наблюдений вне Солнечной системы. В некотором смысле этот результат демонстрирует пределы возможностей современной аппаратуры.

Говоря о статистике экзопланет, нельзя не вспомнить о важном результате, полученном благодаря наблюдениям методом микролинзирования (1202.0903). Подход чувствителен к планетам с орбитами 0,5–10 а.е. (астрономическая единица — это расстояние от Земли до Солнца, примерно 150 млн км). Оказалось, что планеты типа Нептуна, а также суперземли чрезвычайно распространены, они есть практические у каждой звезды в Галактике. И это без учета тесных орбит!

Если планета вращается вокруг звезды на очень тесной орбите, то рано или поздно она может оказаться поглощенной звездой. Этот процесс впервые привлек пристальное внимание ученых (1204.0796). Пока есть только теоретические оценки. Вспышки будут длиться от недели до месяцев и будут похожи на вспышки новых. Но различить их можно, и это весьма интересно и перспективно в связи со скорым вводом в строй новых телескопов для мониторинга всего неба. Темп таких слияний немал: раз за несколько лет на галактику типа нашей. Так что, наблюдая сотни галактик, можно даже за год набрать неплохую статистику. От планет перейдем к звездам. В созвездии Льва обнаружена звезда с очень низким содержанием тяжелых элементов (1203.2612). По отношению количества железа к водороду это второй результат, а вот по отношению углерода к водороду — первый. Соответственно, и по полной металличности звезда получается в итоге рекордсменом. Работа важна в связи с дискуссиями о том, насколько маломассивные звезды могли образовываться из первичного газа, еще не обогащенного тяжелыми элементами, образовавшимися после взрывов первых массивных звезд. Если измеренное значение металличности оказалось бы всего в два раза ниже, то у теорий, предсказывающих, что первичные звезды не могли быть маломассивными, возникли бы серьезные проблемы. Так что ждем дальнейших открытий.

Поиски самогó первичного газа также принесли новые данные. На красном смещении z=7 обнаружено облако газа с очень низким содержанием элементов тяжелее гелия (1212.0548). Это удалось сделать, обнаружив линии поглощения в спектре далекого (z=7,1) квазара. Такие красные смещения соответствуют возрасту Вселенной менее 780 млн лет (каждый может убедиться в этом, воспользовавшись одним из сетевых космологических калькуляторов ^[2]). Точное значение металличности газа установить пока трудно, так как не ясно: то ли это довольно плотное облако-протогалактика, то ли это диффузный межгалактический газ, заполняющий большой объем. Но в любом случае содержание тяжелых элементов как минимум в тысячу раз меньше солнечного.

Использование спектров далеких объектов для излучения всего, что проявляется в них «по дороге» к нам — мощный инструмент астрофизика. Очень красивый результат был получен командой спутника «Ферми» (1211.1671). Всю Вселенную заполняет электромагнитное излучение. Самая известная часть — реликтовый фон. Но речь не о нем. Есть еще так называемое «внегалактическое фоновое излучение». В основном это свет первых звезд и квазаров. Ультрафиолетовых фотонов было так много, что Вселенная была заново реионизована на z=10–15. Как же увидеть этот свет? Есть интересный эффект. Жесткий (гамма) квант может провзаимодействовать с другим квантом (уже обладающим не столь высокой энергией, а, скажем, соответствующей ультрафиолетовому диапазону, но энергия не может быть и слишком маленькой — реликтовые фотоны не подойдут), при этом возникнет электрон-позитронная пара. Участвовавшие во взаимодействии кванты исчезают. Соответственно, в спектре далекого гамма-источника мы будем видеть депрессию. Для индивидуального объекта заметить это крайне тяжело. Авторы же использовали данные наблюдений на спутнике «Ферми» для полутора сотен блазаров (мощных активных ядер галактик, в которые мы смотрим прямо вдоль струи, бьющей из окрестностей сверхмассивной черной дыры), чтобы выделить суммарный эффект. Сложность тут связана с тем, что надо знать, как выглядят спектры блазаров без поглощения, что весьма не тривиально. Но в итоге авторам всё же удалось увидеть искомую депрессию, отвечающую взаимодействию гамма-квантов с фоновым ультрафиолетовым излучением. Результатом является измерение плотности фонового излучения, эффективно изучать которое другими методами ранее не удавалось. А это дает нам информацию о пока не наблюдаемых первых звездах и квазарах.

А что у нас вообще с самыми далекими источниками? На этом фронте тоже есть рекорд, может быть. Оговорка связана с тем, что красное смещение галактики, претендующей на звание самой далекой среди известных, определено лишь косвенными методами. Получается значение около 10 (1204.2305). Это соответствует 500 млн лет после начала расширения. Увидеть столь далекий объект удалось благодаря сильному гравитационному линзированию. В роли линзы выступило крупное скопление галактик.

Объекты на больших красных смещениях могли быть весьма буйными. Время было такое… Например, предсказывалось, что тогда должны были существовать столь мощные квазары, что поток вещества от них выметал заметную долю газа из галактики, что приводило к остановке формирования в ней нового поколения звезд. Теперь мы знаем, что такие ужасы действительно происходили. На z=6,4 обнаружен квазар с мощным оттоком вещества (1204.2904). Сверхмассивная черная дыра «гонит мощную волну»: около 4000 масс Солнца в год. Это рекорд. Звездообразование в галактике, содержащей такой квазар, должно будет остановиться ввиду отсутствия газа.

Выделим еще пару чернодырных результатов. Оба связаны с обнаружением слишком тяжелых сверхмассивных черных дыр. Дело в том, что у каждой галактики есть своя норма. Существует корреляция между свойствами звездного населения и массой центральной черной дыры. Скажем, нашей Галактике не полагается черная дыра с массой миллиард солнечных, но и отсутствие черной дыры в центре нашей звездной системы было бы удивительным. В 2012 году было найдено два интересных исключения из этой корреляции.

В галактиках выделяют разные структурные элементы. Один из них — балдж. Это центральное сферическое образование, обычно состоящее из старых звезд. Чем больше масса балджа — тем больше масса центральной черной дыры. Если балджа нет — то не должно быть и дыры. Оказалось — не всегда. С помощью рентгеновских наблюдений на спутнике XMM-Newton авторы обнаружили сверхмассивную черную дыру в галактике без балджа (1209.1354). В ней виден рентгеновский источник в центре, который лучше всего описывается черной дырой с массой более 20 000 солнечных. Нижний предел на массу не ахти какой, но тем не менее. Это все-таки сверхмассивная черная дыра!

В галактике NGC1277 живет другой рекордсмен. Там «положено» быть черной дыре с массой менее 100 млн солнечных, а наблюдения показали (1211.6429), что она там тяжелее 10 млрд! Это рекорд по отношению массы черной дыры к массе звезд в галактике.

От галактик перейдем к их скоплениям. Давным-давно было предсказано, что в скоплениях галактик должны быть так называемые потоки с охлаждением (cooling fow): межгалактический газ остывает и течет в центр. Но наблюдать это трудно. В прошедшем году впервые было заявлено об обнаружении очень яркого в рентгеновском диапазоне скопления галактик с мощнейшим потоком с охлаждением (1208.2962). Скопление находится на красном смещении 0,6, и было открыто на South Pole Telescope по наблюдениям эффекта Сюняева—Зельдовича. Не удивительно, что центральная галактика скопления, получая такую газовую подпитку, показывает гигантский темп звездообразования: 600–900 масс Солнца в год. Это важно, так как в стандартной картине считается, что единственным важным способом увеличения массы центральной галактики являются слияния.

Теперь о, может быть, самом важном астрофизическом результате года. Лабораторные поиски темного вещества, равно как и поиски соответствующего аннигиляционного сигнала, пока дают только верхние пределы. Так что аргументы в пользу наличия этой сущности продолжают быть связанными в основном с гравитационным действием темной материи. Известно, что наблюдения распределения галактик в больших масштабах показывают наличие ячеисто-волокнистой структуры. Теория образования крупномасштабной структуры говорит нам, что в основном этот «скелет Вселенной» состоит из темного вещества. Причем должны существовать ситуации, когда часть волокон практически не содержит ярких галактик и горячего межгалактического газа. И вот, впервые такое волокно из темного вещества удалось обнаружить (1207.0809).

Авторы работы исследовали распределение гравитирующего вещества в скоплениях и между ними Abell 222/223 на z=0,21. Для этого использовался метод слабого линзирования. Изучаются изображения далеких галактик, линзируемых сверхскоплением (включая волокно), и по этим данным восстанавливается распределение массы, чем бы она ни создавалась. Дальше надо ограничить вклад обычного вещества. Исследование рентгеновского излучения от волокна позволило поставить предел на массу горячего газа (т.е. обычного вещества) в нем. Галактик там практически нет, да и не могут они внести большой вклад в массу. Так что получается, что почти вся масса волокна связана исключительно с темным веществом. Со времен детального изучения сталкивающихся скоплений галактик (Bullet cluster) это самый сильный астрофизический аргумент в пользу существования темного вещества.

Вернемся из далекой дали в окрестности нашей Галактики. Впервые достаточно точно определена трехмерная скорость Туманности Андромеды (1205.6863). Это удалось сделать благодаря тому, что наблюдения на «Хаббле» позволили измерить собственное движение ближайшей крупной галактики. Новые данные дают возможность уже довольно точно предсказывать, как и когда произойдет слияние нашей Галактики с М31. Близкий проход Млечного Пути и Туманности Андромеды произойдет примерно через 4 млрд лет, а еще через пару миллиардов слияние завершится. Присоединится к общей куче и галактика в Треугольнике — М33. А что же будет с Родиной и с нами? Тот белый карлик, в который к тому моменту превратится Солнце, скорее всего, окажется дальше от центра новой системы, чем сейчас от центра Галактики.

Еще один шаг к дому. И вот мы в Большом Магеллановом Облаке, в котором в 1987 году наблюдалась вспышка сверхновой. За последние несколько веков она самая близкая. Это позволяет изучать (или надеяться изучить) многие важные особенности таких взрывов. В частности, сколько и каких элементов там было синтезировано. После распада радиоактивного кобальта свечение остатка сверхновой в видимом, УФ и ИК-диапазонах обеспечивает титан-44. Используя данные многолетних наблюдений на спутнике INTEGRAL, авторы сумели измерить рентгеновское излучение в линиях (вблизи 70 кэВ) от распада ти-тана-44 (1211.2656). Это позволяет сделать оценку массы титана-44, выброшенного после вспышки сверхновой. Его там было 0,0002-0,0004 массы Солнца. До этого подобные измерения удалось сделать лишь для остатка Кассиопея А в нашей Галактике. Результат считается одним из важнейших, полученных за 10 лет спутником INTEGRAL. Тем приятнее, что авторы из России.

В изучении собственно взрывов сверхновых в 2012 году был достигнут важнейший прорыв: впервые сверхновая взорвалась в компьютере без посторонней помощи! Авторы нового многомерного релятивистского кода с нейтринной гидродинамикой представили результаты своих расчетов, в которых взрыв был получен без дополнительных ухищрений (1202.0815). Использовался двумерный код, учитывающий реалистичную нейтринную физику и, что является ключевым, эффекты ОТО. Именно благодаря последним авторам удалось взорвать стандартную звезду.

«Обогнув космическую даль, ободрав о вакуум дюраль», возвращаемся в Солнечную систему. Редко когда в мои обзоры попадают новости о ней. Любопытно, что результат связан с работой не новых, а очень старых аппаратов — Вояджеров. Некоторое время назад все новостные ленты очередной раз облетело утверждение: «аппарат «Вояджер» вылетел за пределы Солнечной системы». Конечно, это не так. Аппарат находится на расстоянии более 120 а.е., но при этом облако Оорта примерно в 100 000 а.е. прекрасно является частью Солнечной системы. Но это не отменяет того факта, что «Вояджер 1» действительно 25 августа увидел нечто интересное (1212.0883). Наблюдался резкий скачок в свойствах космических лучей, регистрируемых аппаратом. Фактически, он вылетел из области, где за космические лучи отвечает Солнце, в область, где всё это уже в основном определяется свойствами нашего галактического окружения. На рисунках в статье видно, насколько резким было падение числа зарегистрированных частиц аномальных космических лучей и рост числа зарегистрированных частиц галактических космических лучей. Данные с «Вояджеров» показывают, что структура границы гелиосферы сложнее, чем думали раньше. Поэтому эти данные и в самом деле очень важны, и в Солнечной системе еще есть много неясного.

Наконец, в заключение поговорим о всеобъемлющем. Аппарат WMAP давно закончил свою программу наблюдений (спутник был запущен летом 2001 года), но дело его живет. Под Новый год команда представила окончательный анализ всех 9 лет его работы (1212.5225). Поскольку речь идет о многократном обзоре всего неба на нескольких частотах, то информации масса. Напомню, что самой цитируемой статьей в астрофизике сейчас является карты пыли по данным предшественника WMAP — спутника COBE. Данные WMAP еще лучше. А кроме этого, есть еще каталог точечных источников и кое-что еще. Но главное, ради чего запускался спутник, — это космология. Космологические параметры представлены в отдельной статье (1212.5226). Они даны как исключительно по данным WMAP, так и по результатам совместной обработки его данных и результатов других наблюдений. В рамках стандартной шестипараметрической лямбда-CDM модели ситуация такова. Возраст Вселенной — 13,77 млрд лет. Постоянная Хаббла равна 69,3 км/с/Мпк. Вклад барионов в полную плотность — 4,6%. Вклад темной энергии — 71%. Число сортов нейтрино равно стандартной тройке — новые не нужны. Самое важное, наверное, состоит в том, что впервые на уровне 5 сигма измерено, что спектр первичных возмущений отличен от так называемого спектра Харрисона—Зельдовича с показателем единица (плоский спектр). Именно из этих флуктуаций плотности потом выросла грандиозная крупномасштабная структура распределения галактик. Обычно стандартным считалось, что возмущения не зависят от масштаба. Итоговые данные WMAP показывают, что это не совсем так. Ну а в этом году свои космологические результаты представит уже команда спутника «Планк». Начнется новый период развития точной космологии. Будем ждать!

Сергей Попов

1. http://xray.sai.msu.ru/~polar/sci_rev/current.html

2. https://www.astro.ucla.edu/~wright/CosmoCalc.html