Как расширялась Вселенная в 2011 году

Прошедший год не принес, пожалуй, революционных неожиданных прорывов в астрофизике. Тем не менее спутники летали, телескопы наблюдали, теоретики размышляли, а потому было получено немало интересных результатов. Выделим традиционную двадцатку наиболее интересных,на наш взгляд, сюжетов. Из этого списка исключено изучение планет и малых тел Солнечной системы. Работы брались только из Архива препринтов arXiv.org. В некоторых сюжетах речь идет о результатах, опубликованных в нескольких статьях, иногда даже разными группами исследователей.

Прежде чем перейти к «двадцатке», необходимо выделить самое главное событие в отечественной астрофизике. Им является запуск спутника «Спектр-Р», который стал основой для космического радиоинтерферометра «Радиоастрон». Хочется верить, что, подводя научные итоги 2012 года, мы сможем назвать несколько важных результатов, полученных с его помощью.

Выделить один-два самых главных научных результата оказалось сложно. Поэтому сюжеты упорядочены в обратном хронологическом порядке (от декабря к январю). Но главной тематикой года стало изучение экзопланет. С них и начинается наш список.

1. Прямо перед рождественскими каникулами появилась статья (1112.4550) с одним из самых интересных открытий года. Исследование планетной системы Кеплер-20 показало, что две из пяти планет имеют размеры около 1 и 0,9 радиуса Земли. Это самые компактные из известных экзопланет. Правда, они находятся близко от своей звезды, поэтому о земноподобных условиях на их поверхности речь не идет.

2. Другой важный экзопланетный результат, опубликованный в декабре, связан с открытием небольшой планеты в зоне обитания у звезды типа Солнца (1112.1640). Объект получил наименование Кеплер-22Ь. Радиус планеты оценивается в 2,4 земного. Про массу пока мало что известно, поэтому говорить о том, что это каменная планета, — рано. Тем не менее, это первая надежная планета в зоне обитания у солнцеподобной звезды, и это явно не Юпитер.

В этот же сюжет включим открытие маломассивной планеты на границе зоны обитания (1108.3447). Этот результат получен с помощью наземных наблюдений с помощью инструмента HARPS. Методика отличается от наблюдений спутников Kepler и CoRoT. На HARPS измеряется как раз масса. И в данном случае нижний предел на массу составляет 3,6 земной. Таким образом, это может быть так называемая суперземля.

3. Обнаружение объектов с экстремальными параметрами часто интересно само по себе. Но иногда это важно еще и потому, что ставит новые вопросы перед теориями формирования и эволюции таких тел. К такому типу открытий относится обнаружение двух рекордно сверхмассивных черных дыр с массами около 10 млрд масс Солнца (1112.1078). Эти черные дыры заметно массивнее, чем предсказывает известная корреляция между параметрами галактики и массой центрального компактного объекта.

4. Изучая спектры далеких квазаров, авторы работы 1111.2334 обнаружили на красном смещении z>3 два межгалактических облака с очень низким содержанием элементов тяжелее водорода. Так называемая металличность оказалась как минимум в 10 тыс. раз меньше солнечной. Анализ линий дейтерия показал прекрасное согласие со стандартной моделью Большого взрыва. Открытие таких облаков с возрастом, соответствующим 2 млрд лет после начала расширения, говорит о том, что звезды, подобные самым первым (так называемое население III) могли образовываться не только в очень молодой вселенной, но и позже в подобных облаках, где часть вещества была плохо перемешана, звездообразование не шло, а потому сохранился первичный химический состав межзвездной среды.

5. В августе 2011 г. в близкой известной галактике М101 была открыта сверхновая. Причем оказалось, что она относится к типу Ia. Да еще вдобавок ее удалось увидеть на ранней стадии развития вспышки и отнаблюдать во всех диапазонах. Появилось несколько работ, посвященных наблюдениям и природе взорвавшегося объекта, например 1110.6201. По всей видимости, взорвался углеродно-кислородный белый карлик, компаньоном которого в двойной системе была звезда главной последовательности. Это позволит лучше разобраться в природе сверхновых Ia, важных и с точки зрения космологических исследований.

6. Обычно в списки наиболее интересных свежих астрофизических результатов попадают данные наблюдений. Изредка — крупные компьютерные симуляции. В этот раз мы решили включить в список одну чисто теоретическую работу: 1110.3701. Авторы построили новую теорию сферической аккреции вещества на нейтронные звезды в тесных двойных системах. Предложенная модель позволяет разрешить сразу несколько противоречий, которые мучают астрофизиков, изучающих подобные системы.

7. Поток так называемых pep-нейтрино (возникающих в цепочке протон-протонного цикла термоядерных реакций в Солнце) рассчитывается наиболее точно. Поэтому чрезвычайно важно его измерить. Сделать это удалось только в 2011 г. на установке Borexino (1110.3230). С учетом наиболее популярных предположений о нейтринных осцилляциях результат соответствует Стандартной модели Солнца.

8. Гораздо менее определенная ситуация имеет место с лабораторными поисками темного вещества. В 2011 г. несколько экспериментов рапортовали о своих результатах. Это, в первую очередь, CRESST-II (1109.0702), XENON100 (1104.2549) и EDELWEISS-II (1103.4070). Первый из упомянутых экспериментов сообщает о необъяснимом сигнале на невысоком уровне значимости. Второй и третий дают только верхние пределы. Теоретики предпринимают попытки разом объяснить все эти данные, плюс старые данные с установки DAMA и результаты (отрицательные) по поиску аннигиляционного сигнала в гамма-диапазоне от близких галактик.

9. Авторы работы 1109.6571 применили оригинальную методику для проверки теорий гравитации. Они использовали наблюдения около 100 тыс. галактик в 8 тыс. скоплениях, чтобы выделить эффект гравитационного красного смещения. В результате можно сравнить профили гравитационных потенциалов скопления, полученные по данным о движении галактик и по красному смещению. Для разных теорий гравитации результаты должны быть разными. Лучше всего тест проходит общая теория относительности. Хуже всего — TeVeS (релятивистский вариант Модифицированной Ньютоновской Динамики, являющейся альтернативой моделям с темным веществом).

10. Планеты могут вращаться вокруг звезд, образующих двойную систему. Есть два варианта. Согласно первому, планета крутится по орбите с очень малым радиусом вокруг одной звезды, а вторая вращается по гораздо более широкой орбите. Второй — более интересный. В этом случае планета вращается сразу вокруг двух звезд, так что расстояние между звездами намного меньше размера орбиты планеты. Именно о такой ситуации рассказывается в работе 1109.3432. Система получила наименование Кеплер-16.

11. Спутник CoRoT продолжает выдавать важные открытия. Одним из наиболее интересных в 2011 г. стало обнаружение массивной планеты высокой плотности (1109.3203). При массе более четырех юпи-терианских CoRoT-20b имеет радиус меньше, чем у Юпитера, процентов на 15. Это соответствует плотности выше 8 г/см3 в кубическом сантиметре. Появление таких планет плохо укладывается в стандартные сценарии.

12. В галактике NGC 3393 обнаружено две сверхмассивные черные дыры на расстоянии 130 пк друг от друга (1109.0483). Сам по себе этот факт не очень интересен. Необычность состоит в том, что анализ свойств самой галактики показывает, что это вряд ли могло быть результатом слияния двух примерно равных массивных галактик. Значит, сливались две галактики разной массы. Ранее пары черных дыр, оставшиеся от таких слияний, не наблюдались.

13. Спутник «Ферми» продолжает свою работу, и в 2011 г. был опубликован второй каталог источников, обнаруженных с помощью инструмента LAT (1108.1435). В него вошло почти 2 тыс. источников, зарегистрированных за два года наблюдений.

14. Обнаружен самый далекий квазар (1106.6088). Красное смещение немного превосходит 7 и измерено достоверно и с высокой точностью. Это не рекордно далекий объект, но важно, что данные по светимости позволяют получить нижний предел на массу черной дыры. Дыра большая (2*109 масс Солнца). Это ставит вопросы перед моделями формирования зародышей сверхмассивных черных дыр. По всей видимости, в данном случае зародыш не мог образоваться из массивной звезды первого поколения, как это обычно предполагается в стандартных сценариях.

15. В астрономии большой проблемой является измерение расстояний. В 2011 г. удалось точно (параллактическим методом) определить, как далеко от нас находится самый известный кандидат в черные дыры— система Лебедь Х-1 (1106.3688). По оценкам авторов, оно составляет 1,81,9 килопарсек. Это всего лишь второе точное определение расстояния до системы с черной дырой, и первое — для систем, в которых вторая звезда является массивной. Кроме этого, благодаря новым данным стали известны все характеристики, определяющие движение Лебедя Х-1 в Галактике. Теперь можно строить существенно более точные модели этой системы, что авторы и проделали в своих последующих работах.

16. С помощью Атакамского Космологического Телескопа (с использованием данных спутника WMAP) удалось показать, что существование темной энергии можно доказать, используя лишь данные по реликтовому излучению (1105.0419). Кроме того, новая информация с этого 6-метрового телескопа, работающего в субмиллиметровом диапазоне, позволила уточнить данные по спектру первичных возмущений плотности во вселенной (1105.4887).

17. В марте 2011 г. был обнаружен необычный гамма-всплеск. Он был очень длинный и пришел из центральной части галактики на красном смещении z=0,35. Всплеск удалось отнаблюдать в разных диапазонах спектра, о чем и рассказывается в статье 1104.3356. Сразу же появилось несколько моделей. Наиболее реалистичная состоит в том, что это событие — образование джета (т.е. струи) после приливного разрыва звезды сверхмассивной черной дырой, причем джет оказался направленным прямо на нас.

18. Открыта удивительная система (1102.0291). У звезды типа Солнца вращаются шесть планет. Все они транзитные. Пять имеют орбитальные периоды от 10 до 47 дней. Внутренние планеты относятся к числу самых легких из известных, но оценки радиуса указывают на низкую среднюю плотность: у планет есть оболочки из легких газов. Система получила наименование Кеплер-11.

Нельзя не упомянуть серию февральских препринтов команды спутника Kepler (1102.0541, 1102.0543, 1102.0544, 1102.0547), в которой было описано более 1000 новых планетных кандидатов, обнаруженных этим проектом. В течение года появлялись различные статьи, посвященные анализу этих данных.

19. Впервые удалось надежно идентифицировать далекое протоскопление галактик (1101.3586). Оно наблюдается на красном смещении z=5,3. К тому моменту расширение длилось чуть более миллиарда лет. Обнаружены объекты, которые в будущем сформируют гигантскую центральную галактику скопления. Это важное подтверждения стандартного сценария эволюции вселенной.

20. В начале 2011 г. были представлены первые результаты работы спутника Planck (1101.2022 и еще 20 статей в Архиве). В конце года начали публиковать промежуточные результаты (1112.5595). Опубликованные данные пока не связаны непосредственно с определением космологических параметров, однако это и не просто технологические данные: изучаются свойства нашей Галактики и отдельные внегалактические источники, включая скопления галактик.

Сергей Попов