Нейтронні зірки, чорні діри і перевірка ЗТВ: Підсумки 2018 року в астрономії

Нейтронні зірки, чорні діри, перевірка загальної теорії відносності і нові швидкі радиовсплески – про це і не тільки в астрофізичних підсумки 2018 року

Нейтронні зірки, чорні діри і перевірка ЗТВ: Підсумки 2018 року в астрономії
Так виглядала б галактика Андромеди (М31) на нічному небі Землі, якщо була б яскравішою (зіставлення кутових розмірів М31 і Місяця) Фото з відкритих джерел

Сергій Попов

Провідний науковий співробітник ДАІШ МДУ

Нейтронні зірки, чорні діри, перевірка загальної теорії відносності і нові швидкі радиовсплески – про це і не тільки в астрофізичних підсумки 2018 року

Оригінал на сайті "Індикатор"

Хоча 2018 рік не може похвалитися яскравими поодинокими відкриттями на зразок першої реєстрації гравітаційних хвиль або відкриття швидких радіосплесків, протягом нього було отримано дуже багато результатів, що заслуговують уваги.

Нові інструменти

Новини за темою

Найчастіше для отримання нових результатів потрібно вводити в дію інструменти нового покоління, а також розробляти ефективні методи обробки даних. У 2018 році космічний телескоп Кеплер, якому ми зобов'язані сотнями виявлених екзопланет, припинив спостереження. Але приблизно за півроку до цього NASA вивело на орбіту новий апарат — TESS. Цей супутник оснащений чотирма невеликими телескопами, і його програма спостережень принципово відрізняється від кеплеровської. Якщо Кеплер протягом 4 з гаком років, поки не зламалися гіроскопи, спостерігав близько 200 000 зірок на одній і тій же ділянці неба, то TESS буде проводити огляд всього космічного простору. Ця програма розрахована на два роки, але є всі підстави вважати, що апарат може працювати набагато довше. Основне завдання місії — відкрити багато залізно-кам'яних планет в зонах населеності червоних карликів.

Наукові спостереження на TESS почалися влітку, і незабаром стали з'являтися перші результати. Зрозуміло, що за такий короткий термін транзитним методом можна виявити лише планети з дуже коротким періодом обігу. Першою знахідкою TESS стала друга планета в системі зірки π Столової гори. Це зверхземля (маса планети дорівнює 4-6 земних) з орбітальним періодом трохи менше тижня. Потім було оголошено і про інші відкриття, зроблені на новому супутнику.

Телескоп TESS Фото з відкритих джерел

Продовжує свою роботу астрометричний супутник Gaia. Повна програма спостережень розрахована мінімум на п'ять років, але по ходу роботи були заплановані проміжні релізи даних. Другий з них був представлений в 2018-му. Це вкрай важливо практично для всієї астрономії. Адже у каталозі представлені дані не тільки по 1,7 мільярда (!) зірок, але і по 14 000 об'єктах Сонячної системи, а також по позагалактичних небесних тілах. Той факт, що дані знаходяться у вільному доступі, робить другий реліз Gaia, можливо, найбільш значущою подією року для професійних астрономів. Не дивно, що з'явилися десятки робіт з новими результатами, цілком заснованими на цій публікації.

Нарешті, наприкінці року були представлені нові результати обробки даних сеансів спостережень (2015-2017 рр.) на установках LIGO і VIRGO. Ретельний аналіз дозволив виявити ще чотири надійних злиття подвійних чорних дір. Так що тепер кількість зафіксованих гравітаційно-хвильових сплесків зросла до 11. Один з них пов'язаний із зіткненням нейтронних зірок, а всі інші — із злиттям чорних дірок.

Інтерферометр LIGO, штат Вашингтон, США Фото з відкритих джерел

Тепер ми можемо перейти до окремих цікавих результатів. Якщо все перераховане вище увійшло б у головні підсумки року з погляду практично будь-якого астрофізика, то зараз ми вступаємо в більш суб'єктивну частина нашого огляду.

Нейтронні зірки, чорні діри і перевірка ОТО

Раз вже першу частину ми закінчили гравітаційним сплесками, то продовжимо приблизно на тій же хвилі. Нагадаємо, що дослідження гравітаційно-хвильових сплесків вкрай важливі з точки зору тестування теорій гравітації. Але можливі ефекти і передбачення досить численні, тому тут у астрономів є різні підходи.

Новини за темою

Прекрасними "приладами" для перевірки загальної теорії відносності (ЗТВ) є радіопульсари. У липні міжнародна група астрофізиків представила результати спостережень потрійного радиопульсара: в цій системі нейтронна зірка утворює пару з одним білим карликом, тоді як другий обертається навколо цих двох небесних тіл. Радіопульсар в парі з білим карликом разом "падають" у полі третього білого карлика. Це дозволяє перевірити, чи залежить дія гравітації від властивостей тіла. Відповідь: не залежить. Зрозуміло, не залежить на якомусь рівні точності. Але важливо, що тепер точність істотно вища, ніж виходило раніше, коли "падіння" подвійних пульсарів розглядалося в більш слабкому галактичному гравітаційному потенціалі.

Однак, перевірки багатьох ефектів ЗТВ можливі і в системах подвійних пульсарів. У 2018 р. була відкрита нова цікава система PSR J1946+2052. Ця пара нейтронних зірок має рекордно короткий орбітальний період — менше двох годин! Відповідно, ефекти ЗТВ там більш помітні, що дозволяє швидше сягати високого рівня точності.

Завершуючи розмову про нейтронні зірки, згадаємо пульсар-рекордсмен. PSR J0250+5854, виявлений в минулому році, має рекордно великий період обертання — 23,5 секунди. Його виявили за допомогою системи радіодетекторів LOFAR. Відкриття таких рекордсменів ставить цікаві загадки перед астрофізиками, які намагаються побудувати моделі випромінювання радіопульсарів, а також перед тими, хто досліджує еволюцію нейтронних зірок. Уже вийшло кілька теоретичних робіт, в яких намагаються відновити життєвий шлях пульсара і пояснити його властивості. З нейтронними зірками ми розібралися, але спостереження поведінки об'єктів у сильному гравітаційному полі на цьому не закінчуються. Однією з кращих "гравітаційних лабораторій" вважається надмасивна чорна діра в центрі нашої Галактики – джерело Sgr A*. У 2018 з'явилося два цікавих результати, пов'язаних з спостереженнями околиць цього об'єкта.

Модель пульсара PSR J0250+5854 Фото з відкритих джерел

По-перше, використовуючи дані 26 років спостережень зірки S2 – найближчої до Sgr A* - вдалося показати, що параметри її руху не описуються в рамках ньютонівської фізики – для цього потрібна теорія відносності. По-друге, аналіз спалахів Sgr A* дозволив виявити рух газу в безпосередній близькості від чорної діри – на відстані т. н. останньої сталої орбіти. Тепер ми чекаємо результатів від Телескопа Горизонту Подій, який може показати, що відбувається на відстанях ще ближче до чорної діри, але про це трохи пізніше.

З чорними дірами пов'язана одна гучна історія 2018 року. У липні на прес-конференції було заявлено, що вперше ідентифіковано джерело нейтрино надвисоких енергій. Самі нейтрино спостерігали на установці IceCube в Антарктиці. Одна з подій (сталася 22 вересня 2017 р.) збіглася з періодом високої активності блазара TXS 0506-056 (блазар – це активне галактичне ядро, чий струменевий викид – джет - спрямований прямо на нас). Активність блазара помітили і досліджували за допомогою гамма-телескопів Fermi і Magic. Потім астрофізики проаналізували, чи не приходили і в минулому нейтрино з цього джерела. У результаті вчені опублікували статтю, в якій заявили, що TXS 0506-056 є джерелом нейтрино. У частини фахівців цей результат викликав деякий скепсис, оскільки достовірність дослідження, на жаль, недостатньо висока, а крім того, одні тільки блазари не можуть пояснити весь потік нейтрино надвисоких енергій. Так що крапку тут ставити рано. Будемо стежити за розвитком сюжету.

Старі і нові загадки

Якщо джерела нейтрино надвисоких енергій так поки і не знайшлися, то дещо з "втраченого" астрономи все-таки відшукали. Мова про так звані "втрачені баріони". Ми знаємо, що звичайни (баріонна) речовина – протони і нейтрони – становить лише 4-5% від маси всього всесвіту. При цьому значну частину баріонів ми не бачимо. Точніше, не бачили до 2018 року. Основна частина водню і гелію (а саме на них припадає 99% баріонної речовини) не входить не тільки до складу зірок, але навіть до складу галактик і їх скупчень. Вони складають міжгалактичний газ – гарячу субстанцію, що заповнює простір між скупченнями небесних тіл. До недавнього часу вченим не вдавалося виявити присутність гарячого компонента цього газу – так званого гарячого-теплого середовища (WHIM). Допомогли спостереження на рентгенівському телескопі XMM-Newton. Спостерігаючи спектр далекого квазара, астрономи виявили лінії поглинання, які вони змогли приписати саме гарячому-теплому середовищу з температурою близько мільйона градусів. Тепер "баланс сходиться". Всі баріони знайшлися.

Якісь загадки знаходять своє рішення, а якісь – ні. Досі залишається таємницею походження швидких радіосплесків. Незважаючи на те, що в 2018 кількість подібних подій збільшилася приблизно в два рази завдяки роботі системи радіотелескопів ASKAP, прориву не сталося. Також не вдається зрозуміти природу єдиного відомого джерела повторюваних швидких радіосплесків. У минулому році астрономи змогли отримати цікаві дані про властивості міжзоряного середовища навколо цього об'єкта, але це не внесло ясності. 

Перейдемо до досліджень зірок. І почнемо з дослідження цікавої подвійної зоряної системи. Її особливість полягає у вкрай малій кількості елементів важче гелію. Чому це так важливо? Справа в тому, що одна з зірок цієї тісної (дуже тісної!) пари має низьку масу. Це означає, що в рамках одного з сценаріїв формування зірок маломасивні об'єкти можуть утворюватися і виживати навколо зірок першого покоління після Великого вибуху, що складалися тільки з водню і гелію. А це підвищує наші шанси виявити яку-небудь зірку населення III у всесвіті де-небудь в нашій околиці, оскільки найлегші з них повинні були дожити до наших днів.

Вивчення властивостей зірок може багато чого розповісти про властивості галактик. Так, наприклад, аналіз зсуву молодих зірок щодо спірального рукава дозволив перевірити хвильову теорію походження цих утворень. Вважається, що спіральні рукави – це хвильові структури, які утворюються в диску галактики. Спіральний візерунок обертається як єдине ціле, а швидкість руху зірки залежить від її відстані до центру галактики. Однак провести незалежну перевірку цього твердження дуже важко. Автори роботи змогли не тільки визначити швидкості молодих зірок на різних відстанях від центру, але і виміряли, наскільки ці зірки встигли зміститися щодо рукавів галактики UGC 3825. Таким чином була виміряна кутова швидкість обертання спіралей. У результаті вчені показали, що спіральний візерунок рухається як одне ціле. А це чудово вкладається в рамки хвильових теорій.

Планета в системі Проксіми у поданні художника Фото з відкритих джерел

Нарешті дещо нове вдалося дізнатися про найближчу зірку – Проксіму Центавра. По-перше, астрофізики з високою точність виміряли її масу. Це вдалося зробити за допомогою гравітаційного мікролінзування. Учені спостерігали дві події, в яких Проксіма виступала у ролі лінзи. У підсумку – нове значення маси, що становить 0,15 сонячної. Уточнення цієї величини важливо і з точки зору дослідження планет навколо Проксіми, і з точки зору уточнення динаміки всієї потрійної зоряної системи альфа Центавра.

По-друге, науковці виявили суперспалахи на Проксімі. Взагалі, червоні карлики, яким є найближча до нас зірка, зазвичай дуже активні. Однак на Проксімі Центавра вчені ніяк не могли помітити дуже потужних спалахів. У 2018 році вони виявили кілька суперспалахів, один з яких був настільки сильний, що його можна було побачити неозброєним оком! Це, до речі, погана новина з точки зору надій на життя на планетах навколо Проксіми. Пережити такі спалахи, перебуваючи на поверхні планети, вкрай складно.

Раз вже ми згадали мікролінзування, то важко пройти повз ще одного результату. Вперше вдалося виявити два зображення джерела при мікролінзуванні. До цього завжди спостерігалася лише зміна загальної яскравості світила через прольот об'єкта, що виконує роль гравітаційної лінзи. Насправді, побачити окремі зображення (так, як це вдається зробити у разі лінзування на галактиках, згадайте знамениті "хрести Ейнштейна") важко, оскільки зображення занадто близькі один до одного. Сам Ейнштейн вважав, що це залишиться за межами можливостей телескопів. І ось, та-дада-дам: "Ейнштейн був не правий" (з). Зробити це стало можливо за допомогою приладу GRAVITY на телескопах VLT, що працюють в інтерферометричній моді. До речі, багато описаних вище результатів були отримані на тому ж засобі. Так що йому можна сміливо присвоїти почесне звання "прилад року".

Хрест Ейнштейна — гравітаційно лінзоване зображення квазара, який розташовується по осі зору за галактикою ZW 2237+030. Це зображення утворює хрест з галактикою-лінзою в центрі, тому його назвали Хрест Ейнштейна. Цей квазар розташовується приблизно за 8 мільярдів світлових років від Землі, а галактика-лінза — за 400 мільйонів світлових років, тобто в 20 разів ближче. Фото з відкритих джерел

Нові далекі світи

Завершимо наш список екзопланетами. По-перше, нарешті надійно була зафіксована планета біля зірки Барнарда. Нагадаємо, що цей червоний карлик - найближча до нас зірка, за винятком системи альфа Центавра, а крім того, вона швидше всіх рухається по небу. Планета виявилася легкою зверхземлею і знаходиться поблизу так званої снігової лінії, тобто поблизу межі, за якою можуть існувати крижані порошинки (а значить, процес формування планет відбувається швидше).

Планета біля Зірки Бернарда у поданні художника Фото з відкритих джерел

По-друге, зростає впевненість у тому, що відкритий перший екзомісяць – супутник екзопланети. Мова йде про об'єкт Kepler-1625b. Раніше за даними трьох кеплерівських транзитів біля неї запідозрили великий місяць. Тепер, після спостережень проходження цього місяця перед світилом на космічному телескопі "Хаббл", впевненість вчених зросла. Правда, автори попереджають нас, що про відкриття говорити ще рано. Якщо все підтвердиться, то це буде дуже незвичайний місяць. Розмір і маса супутника близькі до параметрів Нептуна. Щоправда, і сама планета в кілька разів масивніша Юпітера, але все-таки такий гігантський супутник не міг утворитися разом з небесним тілом, навколо якого обертається. Швидше за все планета захопила місяць, можливо в період бурхливої молодості системи Kepler-1625, коли планети активно мігрували і взаємодіяли один з одним.

Система Kepler-1625b у поданні художника Фото з відкритих джерел

В очікуванні великих відкриттів

По-перше, в цьому році пройде новий довгий сеанс наукових спостережень на установках LIGO і VIRGO. Прилади модернізували більше року: багато елементів замінили на більш просунуті. В результаті чутливість детекторів повинна істотно зрости, а це дозволить виявляти більш далекі астрономічні події. Значить, спостереженнями буде охоплений більший обсяг всесвіту. Вчені розраховують зафіксувати, як мінімум, кілька десятків гравітаційно-хвильових сплесків за 9 місяців спостережень. Зростання статистики цікаве і саме по собі, але головне, що зростає ймовірність виявити якусь екзотику. Зокрема, чекаємо першої реєстрації злиття чорної діри з нейтронною зіркою. Також в 2019 р. повинні початися тестові технічні прогони на новому гравітаційно-хвильовому підземному охолоджуваному детекторі KAGRA в Японії. Спостереження розпочнуться через кілька років. А там, дивись, зберуть ще одну установку LIGO в Індії.

Гравітаційно-хвильовий підземний охолоджуваний детектор KAGRA Фото з відкритих джерел

По-друге, в 2019-му чекаємо запусків двох нових апаратів. У квітні повинен полетіти російський Спектр Рентген-Гамма з телескопами ART-XC і eROSITA на борту. Якщо все пройде за планом, то це буде найкраща рентгенівська обсерваторія в своєму класі, яка протягом 4 років буде проводити глибокий огляд всього неба в рентгенівському діапазоні і дасть багато важливої інформації для всієї астрономії: від космології до дослідження Сонячної системи. А восени на орбіту повинен вийти європейський супутник CHEOPS, призначений для пошуку транзитів планет, виявлених раніше за вимірюваннями варіації швидкостей зірок. Це повинно істотно поглибити наші знання про екзопланети.

По-третє, чекаємо нових результатів по швидких радіосплесках. Нова канадська установка CHIME в 2018 вже представила попередні дані за своїми першими спостереженнями. А на початку 2019 в Nature з'явилося кілька статей, в яких були представлені дані щодо 13 сплесків, зареєстрованих CHIME, включаючи одне нове джерело повторюваних спалахів. Причому вперше вдалося зареєструвати сигнали і на низьких частотах - аж до 400 МГц. І все це лише за пару місяців спостережень в тестовому режимі! Проте ми чекаємо від CHIME набагато більше. Якщо все піде за планом, то рахунок сплесків швидко піде не на десятки, а на сотні, що важливо для детального дослідження їх розподілу по небу і пошуку кореляцій з галактиками. Крім того, запрацює система Apertif на телескопах WSRT в Нідерландах. Так що, якщо раніше сплески в основному відкривали на південному небі, то тепер прийшла пора північної півкулі.

Нарешті, великі надії ми покладаємо на дані Телескопа горизонту подій (Event Horizon Telescope) за спостереженнями Sgr A*. Спостереження пройшли ще в 2017-му. З тих пір йде обробка даних. Може вдасться вперше побачити "тінь чорної діри". А це дорогого коштує.

Сергій Попов

відео по темі

Новини за темою

Новини за темою

Новини партнерів

Загрузка...

Віджет партнерів

d="M296.296,512H200.36V256h-64v-88.225l64-0.029l-0.104-51.976C200.256,43.794,219.773,0,304.556,0h70.588v88.242h-44.115 c-33.016,0-34.604,12.328-34.604,35.342l-0.131,44.162h79.346l-9.354,88.225L296.36,256L296.296,512z"/>