Астрофизика-2019: есть что вспомнить

Подводить итоги года — ответственное дело. Любой список, составленный одним человеком, неизбежно будет субъективным из-за личных приоритетов и ограниченности кругозора. Поэтому в первую очередь мы поговорим о том, над чем астрономы работали в 2019-м, какие области исследований сейчас актуальны и будут активно развиваться в ближайшие годы. Таким образом, это не столько «лучшие из лучших», сколько иллюстрация текущих усилий ученых, исследующих Вселенную.

В своих ежегодных итогах я основываюсь в первую очередь на моих ежемесячных списках интересных публикаций в архиве astro-ph е-принтов arXiv.org¹. Поэтому ниже ссылки будут даваться не на журнальные, а на arXiv’ные версии статей по их идентификаторам. Бонус в том, что все материалы в arXiv.org открыты, так что желающие могут обратиться непосредственно к первоисточникам.

Количество статей в arXiv.org растет: всего там уже более 1,6 млн работ. За редчайшим исключением, все сколь-нибудь важные публикации по астрономии попадают в arXiv.org (хотя иногда с небольшой задержкой). За год в разделе astro-ph появилось около 15 тыс. публикаций. Поговорим о некоторых из них.

Начнем с важной тенденции. Мне кажется, что на протяжении многих лет радиоастрономы были в тени своих коллег по цеху. На первом плане оказывались данные рентгеновских, оптических, гамма-, инфракрасных наблюдений плюс гравитационно-волновые исследования, детекторы нейтрино и космических лучей. Разве что ультрафиолетовый диапазон традиционно уступал радио- в популярности. Однако в 2019-м перед нами предстала иная картина.

«Астрономической картинкой года», безусловно, стало изображение, полученное командой Телескопа горизонта событий (Event Horizon Telescope — EHT). Результаты представлены в серии статей, включая основную — 1906.11238². Теперь мы гораздо лучше представляем себе, как устроено течение вещества в окрестности сверхмассивной черной дыры. Был проделан огромный объем работы по компьютерному моделированию таких потоков. К сожалению, получать с помощью наземных наблюдений аналогичные изображения для других черных дыр вряд ли получится. Так что наберемся терпения и будем ждать, когда появятся космические радиоинтерферометры (речь тут не о проектах типа «Радиоастрона», а о системе антенн, целиком размещенной в космосе).

Пока же можно радоваться другим радиоастрономическим достижениям. Последние несколько лет со страниц и научных журналов, и СМИ не сходят быстрые радиовсплески (Fast Radio Bursts — FRB). За год этому феномену было посвящено несколько сотен научных публикаций. 2019-й не был исключением, скорее даже наоборот.

Год начался с того, что новая канадская установка CHIME представила свои первые результаты по FRB (1901.04524). Это не просто 13 новых всплесков, это первые надежные данные по наблюдениям этого класса радиотранзиентов на низких частотах (~400 МГц). Такие наблюдения важны, так как потенциально несут информацию и о природе механизма излучения, и о среде вокруг источника. Еще важнее, по мнению многих, искать источники повторяющихся всплесков (до 2019 года был известен всего один такой). И здесь снова отличились в CHIME, в начале сообщив о втором повторном источнике (1901.04525), а затем — увеличив выборку в несколько раз (1908.03507), представив разом восемь примеров.

Второе важное направление изучения FRB — это попытки идентифицировать галактики, в которых они происходят. Опять же до 2019-го был известен всего один случай, и это был единственный на тот момент повторный источник FRB121102. Интересно, что все три новых случая идентификации, представленные в 2019 году, не ­связаны с ­повторами всплесков. ­Лидер здесь — ­австралийская установка ASKAP. Эта команда отрапортовала о двух идентификациях. Причем теоретиков ждал сюрприз: если первая выявленная галактика — материнская для FRB121102 — относилась к объектам с высоким темпом звездообразования (что явно указывало на связь повторного источника с молодыми компактными объектами — скорее всего, нейтронными звездами), то второй случай совсем иной. Это массивная линзовидная галактика (1906.11476). Также в массивной галактике с низкой скоростью формирования звезд находится источник FRB190523, обнаруженный системой антенн DSA-10 (Deep Synoptic Array). На основе этих наблюдений появились идеи, что в отличие от FRB121102 неповторяющиеся всплески могут быть связаны не с молодыми магнитарами, а с другими объектами (1907.01542). Но до ясности здесь еще далеко.

Помочь в определении природы источников FRB могут одновременные наблюдения в разных спектральных диапазонах. Для этого надо очень быстро выявлять радиовсплески и сообщать координаты наблюдателям, работающим в других диапазонах спектра. Здесь выделим успехи еще одной австралийской установки — UTMOST. В статье 1905.02293 представлено сразу пять радиовспышек, зарегистрированных в реальном времени, а не выделенных в ходе последующего анализа архивных данных. Это позволило быстро организовать наблюдения в разных диапазонах, но, увы, снова ничего обнаружено не было. Однако и это всё равно важно, так как дает новые ограничения на теоретические модели.

Теоретики продолжают разрабатывать самые разные сценарии механизма излучения FRB. Однако наиболее популярные модели так или иначе связаны с молодыми нейтронными звездами с сильными магнитными полями — магнитарами. Известно, что такие объекты демонстрируют мощные вспышки в рентгеновском и гамма-диапазонах, и могут также показывать и радиовспышки. В развитии теории быстрых радиовсплесков на основе вспышек магнитаров в ушедшем году был достигнут значительный прогресс. Так в модели, разработанной Андреем Белобородовым (1908.07743), удается объяснить практически все основные свойства всплесков, а кроме того сделаны интересные предсказания на будущее, которые можно будет проверить. Поэтому я традиционно надеюсь, что в ближайшее время мы сможем окончательно разобраться в том, что же такое быстрые радиовсплески и как они работают.

Помочь может вступивший в строй 500-метровый китайский радиотелескоп FAST. В сентябре 2019 года он уже представил свои первые результаты по FRB — было показано, что инструмент успешно видит повторы FRB121102. Благодаря большому размеру, этот прибор может видеть более слабые всплески, а повторы обычно как раз очень слабые (неудивительно, что несколько лет назад именно огромная чаша в Аресибо дала возможность зарегистрировать всплески FRB121102). Так что наблюдения на FAST смогут дать точные положения (а значит, и найти галактики) для множества повторных источников. Главное, чтобы под это выделили наблюдательное время.

В 2019-м был представлен первый новый радиопульсар, открытый на FAST (1903.06318). Так что и тут мы ждем продолжения. Например, важно искать всё более и более массивные нейтронные звезды, так как это дает важную и для фундаментальной физики (квантовой хромодинамики) информацию о поведении вещества при высокой плотности. В 2019 году был поставлен новый рекорд. Пульсар MSP J0740+6620 имеет массу 2,14 массы Солнца (1904.06759), прежний рекорд составлял 2,01. Такой результат позволяет одни модели отбросить (если они не позволяют получить столь высокие массы), а другие — уточнить. Поиск новых пульсаров, как правило, связан с поиском более слабых объектов. Так что появление новой гигантской радиочаши должно способствовать таким исследованиям.

В наступившем году мы ждем новых результатов по наблюдательным ограничениям на уравнение состояния нейтронных звезд. С гарантией будут представлены обработанные данные с рентгеновской установки NICER на борту МКС. Это специализированный инструмент, предназначенный для наблюдения двойных и одиночных нейтронных звезд с целью получения данных об их радиусах и массах. Первые статьи уже появились в декабре 2019 года (1912.05704–1912.05708), но основной поток будет в 2020-м. Кроме того, продолжаются наблюдения в третьем научном цикле на установках LIGO и VIRGO. Пока было зарегистрировано всего одно событие (GW170817), которое удалось увидеть и с помощью гравитационных волн, и в электромагнитном диапазоне. (Кстати, в 2019 году в спектре килоновой, связанной с этим транзиентом, был обнаружен стронций — 1910.10510. Это первое практически прямое доказательство синтеза тяжелых элементов в результате слияния нейтронных звезд.) Даже один-единственный случай позволил дать интересные ограничения на параметры поведения вещества при высокой плотности, но вдруг до апреля (когда гравитационно-волновые антенны снова встанут на апгрейд) еще раз повезет и что-то вспыхнет?

Упомянув о вспышках, трудно удержаться от рассказа о еще одном интересном результате. Впервые удалось зарегистрировать очень жесткое излучение от космических гамма-всплесков. Речь идет об энергиях порядка 1 ТэВ. Подобные фотоны регистрируют наземные установки, такие как MAGIC и HESS. Первая из них увидела всплеск GRB190114c (см. обзор в 1911.09862), а вторая — GRB180720B (1911.08961).

Об одном рекорде — самой массивной из известных нейтронных звезд — мы уже упомянули. Но в 2019-м была представлена и самая массивная сверхмассивная черная дыра: 40 млрд масс Солнца! Она находится относительно недалеко от нас — в 250 Мпк, в центральной галактике скопления Абель 85 (1907.10608). Поскольку черная дыра довольно старая, больших проблем с объяснением ее массы не возникает.

Другой «рекорд года», как мне кажется, более интересен. Сергей Копосов и его коллеги открыли самую быстро перемещающуюся звезду (1907.11725). Это самая обычная звезда главной последовательности. Ее масса около 2,3 солнечной. Сейчас она находится примерно в 9 кпс от нас. Но скорость! 1700 км/с!!! Благодаря данным спутника Gaia, кинематические параметры установлены достаточно точно. И это позволяет утверждать, что 4–5 млн лет назад она была выброшена из области центра Галактики. Это первая гиперскоростная звезда, для которой подобное можно утверждать однозначно и категорично. Значит, скорость свою она получила в результате взаимодействия с центральной сверхмассивной черной дырой. Когда-то двойная звезда подлетела к Sgr A* слишком близко, в итоге одна из звезд пары осталась на орбите у черной дыры, а вторая с огромной скоростью, позволяющей покинуть нашу Галактику, умчалась прочь. Наверное, в ближайшем будущем данные Gaia позволят изучить популяцию сверхскоростных звезд очень хорошо. Ждем новые релизы данных этого спутника.

2019-й многим запомнится как год, когда была обнаружена первая меж­звездная комета. Хотя в существовании таких комет причин сомневаться не было, а первый межзвездный астероид — Оумаумуа — был открыт в 2017-м, тем не менее: первая останется первой. Комета, открытая Геннадием Борисовым, сейчас уже удаляется от Солнца. Она стала первым межзвездным объектом, для которого благодаря спектральным исследованиям выбрасываемого кометой вещества мы смогли узнать даже некоторые детали химсостава. Наверняка в ближайшие лет 20–30 зонды смогут изучить вещество таких объектов непосредственно или даже доставят его на Землю для подробного лабораторного анализа.

Пока же другие миры мы изучаем удаленно. В первую очередь это, конечно, экзопланеты. Их исследование остается одной из самых активных областей астрономии, где происходит множество интересных открытий. И закрытий. Так, в статье 1901.00506 авторы проанализировали достоверность кеплеровских идентификаций ряда долгопериодических планет и пришли к выводу, что в ряде интересных случаев (например, речь идет о «двойниках» Земли — планетах Кеплер-186f и Кеплер-452b) нужны дополнительные наблюдения, а пока точности не хватает, чтобы говорить о надежном открытии. Это грустно.

Но давайте о радостном, например, о планетах с экстремальными параметрами. Среди таких рекордсменов можно назвать планету с самым коротким для горячих юпитеров орбитальным периодом (1909.12424). Похожий на Юпитер гигант NGTS-10b делает полный оборот вокруг своей звезды за 18,4 часа. Через какое-то время планета сольется со звездой из-за воздействия приливов. Когда именно, мы не знаем, поскольку теория приливов пока не слишком точна, значит, обнаружение еще одной планеты, для которой можно будет за несколько лет заметить изменение орбитальных параметров, довольно важно. Кстати, не знаем мы и как часто планеты сливаются со звездами. Опубликованные в 2019-м расчеты (1909.01719) говорят, что слияния, сопровождаемые заметными всплесками оптического излучения, происходят раз в несколько сотен лет в галактике типа нашей, так что не исключено, что строящийся Большой обзорный телескоп (Large Synoptic Survey Telescope — LSST) сможет обнаружить такие транзиенты. Пока же последствия поглощения планет выявляют по ускоренному вращению звезд, не­обычному составу их атмосфер и, возможно, выбросам вещества (1909.05259).

Кроме рекордсменов, открывались планеты с любопытными, хотя и не рекордными параметрами. Например, это планета HIP41378f с очень низкой плотностью — 0,1 г/см³ (1911.07355). Причем, это не объяснить прогревом планеты звездой: температура внешних слоев всего 300 К. Возможно, мы видим не диск планеты, а кольцо. Тем интереснее! Ведь планета относится к сверхземлям (или мини-нептунам). Кольца у них пока не открывали.

Для науки всегда полезны открытия, которые ставят теоретиков в тупик. Вот у красного карлика GJ 3512 открыли планету с массой Сатурна, большим эксцентриситетом (0,45) и орбитальным периодом 204 дня (1909.12174). И это странно. Потому что у карликовых звезд раньше не обнаруживали такие планеты (в некотором смысле исключение составляют три очень массивных объекта с массой более 10 юпитерианских, выявленных методом микролинзирования, но это отдельная история). В стандартном сценарии формирования, когда планета постепенно растет за счет слипания частиц, поглощения других тел и, наконец, аккреции газа, массивные планеты не возникают у самых легких звезд. Так откуда? У теоретиков, что не удивительно, есть и другой сценарий — неустойчивость во внешних частях протопланетного диска. Тогда сразу можно делать массивные тела (скорее проблема в том, как их уберечь от последующего разрушения). Но и тут есть количественные вопросы: для развития неустойчивости нужны массивные диски, а они у легких звезд возникают редко (представьте: диск массивнее самой звезды!). В общем, есть над чем поразмышлять.

Пока теоретики думают, наблюдатели наблюдают. Иногда прямо диву даешься, какие только методики они ни придумали! Например, удается изучать одиночные (т. е. не обращающиеся вокруг звезд) планеты аж в других галактиках. Помогает гравитационное микролинзирование. Причем не простое, а линзирование рентгеновской спектральной линии. Далекий квазар линзируется на галактике. В спектре квазара есть спектральная линия, чья форма имеет весьма причудливый вид из-за того, что излучает вещество во внутренних частях аккреционного диска вокруг сверхмассивной черной дыры. Линзирование на объектах галактики-линзы меняет форму линии. Именно по этим изменениям и можно понять, объекты какой массы участвуют в процессе. Так вот, анализ показывает, что в паре случаев не обойтись без объектов планетных масс (1909.11610). По-моему, просто фантастика!

Наконец, в самом конце года был объявлен еще один любопытный результат, связанный уже с планетами вокруг белых карликов. Сама идея присутствия планет (и более мелких тел) вблизи таких объектов может показаться странной, ведь красные гиганты (предшествующие белым карликам стадии звезд) прекрасно «очищают» пространство вокруг (вплоть до нескольких астрономических единиц) от всех объектов. Тем не менее уже давно в атмосферах белых карликов начали открывать тяжелые элементы, которые могли попасть туда лишь в результате недавнего падения вещества разрушенных астероидов или планет, а в одном случае обнаружен даже шлейф вещества, вращающийся вокруг карлика после разрушения небольшого спутника. Новое открытие (1912.01611) ведет нас еще дальше.

В спектре белого карлика WD J0914+1914 обнаружены детали, свидетельствующие о том, что вокруг звездного остатка существует газовый диск, в котором помимо вездесущего водорода есть кислород и сера. Рассмотрение различных вариантов происхождения этого газа привело к выводу, что на расстоянии нескольких миллионов километров от поверхности карлика вращается планета с толстой атмосферой. И вот она-то потихоньку «испаряется» под воздействием излучения белого карлика. Наверняка вскоре удастся получить и более прямые доказательства существования планеты. Вряд ли тут есть место спорам и сомнениям.

А споры и сомнения — это самое интересное! Без них не будет науки. В 2019 году самая активная полемика велась вокруг расхождений в значениях современной постоянной Хаббла, получаемых разными методами. Интрига в первую очередь в том, что данные по наблюдениям реликтового фона и данные по сверхновым значимо расходятся друг с другом. По-крайней мере, так полагают многие авторитетные астрофизики. Подробности можно почерпнуть в статье 1907.10625. В чем тут причина, неясно. Может быть, просто кто-то что-то делает не так. А может быть, придется уточнять космологическую модель, ведь данные по реликту относятся к молодой Вселенной, а по сверхновым — практически к современной нам. Это интригует. Масла в огонь подлили авторы статьи 1911.02087. Анализируя наблюдения, проведенные на спутнике «Планк», они предлагают в свете новых данных по реликтовому фону детально рассмотреть возможность того, что кривизна нашей Вселенной не равна нулю. Это приведет к существенному пересмотру основных космологических параметров, если, конечно, не найдется других объяснений аномалиям, обнаруженным «Планком».

Другой спор начал разгораться в конце года после публикации работы 1911.11989. В ней авторы представили черную дыру большой массы (примерно 70 солнечных) в обычной двойной системе в нашей Галактике. Для такой двойной это много, и описать в рамках стандартных предположений появление подобной пары очень и очень непросто. Конечно, сразу же появилось несколько теоретических сценариев, всё объясняющих. Но важнее то, что было и много публикаций, прямо-таки оспаривающих выводы авторов: да, дыра есть, но она вовсе не такая массивная. Наверное, новый 2020 год внесет ясность.

Что еще нам ждать, кроме уточнения массы черной дыры, данных по уравнению состояния нейтронных звезд и новых открытий, связанных с быстрыми радиовсплесками?

В 2020-м выйдет очередной релиз спутника Gaia, точнее, его первая часть. Сам аппарат уже завершил основную программу, но наблюдения продолжаются, поскольку аппарат находится в прекрасном состоянии (вероятно, они продлятся минимум до 2023 года, дальнейшая судьба спутника пока неясна). Данные с Gaia важны в первую очередь для изучения звездного населения Галактики. Но постепенно они могут дать много нового и для внегалактической астрономии, и для Солнечной системы, и для экзопланет. Что касается последних, то теперь для их наблюдений на орбите есть еще один аппарат — европейский спутник Cheops, выведенный на орбиту в декабре. Он предназначен не для открытия новых, а для более детального изучения известных планет, уже обнаруженных с помощью наблюдений периодических вариаций лучевой скорости звезд.

Этот метод открытия планет достаточно трудоемкий и не всегда дает положительный результат. Поэтому важно знать, куда смотреть. В самом конце года в Nature Astronomy вышло три статьи, где была представлена новая методика выделения звезд для поиска планет и продемонстрирована ее эффективность (пока статьи доступны только в журнале онлайн, в arXiv.org должны появиться уже в 2020-м³). Идея в том, что звезды начинают испарять внешние слои планет, если те подобрались слишком близко. Этот газ влияет на спектры звезд, что можно заметить в наблюдениях. Авторы организовали специальную программу по поиску звезд с аномалиями в спектрах, а затем для нескольких систем провели наблюдения лучевых скоростей звезд. В результате было обнаружено три очень интересные планетные системы. Подробнее об этом открытии можно прочесть в отдельной научно-популярной статье⁴.

Наконец, нельзя не упомянуть еще одно важное для нас событие — запуск российского спутника «Спектр-РГ». Это рентгеновская обсерватория с двумя телескопами (немецкий eROSITA и российско-американский ART-XС), которая до конца 2023 года будет проводить обзоры неба. За четыре года их будет сделано восемь штук. Если что-то интересное вспыхнет (и попадет в поле зрения), то уже в ­2020-м можно надеяться на интересные результаты. Вообще, самые интересные результаты — непредсказуемые!

Сергей Попов,
вед. науч. сотр. ГАИШ МГУ, профессор РАН

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

² arxiv.org/abs/1906.11238

³ doi.org/10.1038/s41550-019-0972-z

⁴ meduza.io/feature/2019/12/28/uchenye-nashli-neskolko-ekzoplanet-vyzhzhennyh-zvezdami-do-sostoyaniya-ogarkov