Как расширялась Вселенная в 2013 году

В ушедшем году в астрофизике не произошло каких-то революций. Однако это не означает, что в этой области не было интересных открытий. Докт. физ.-мат. наук, в.н.с. отдела релятивистской астрофизики ГАИШ МГУ Сергей Попов постарался как можно шире охватить спектр астрофизических исследований 2013 года. Для этой цели он использовал обзоры астрофизической части архива (arXiv.org), в котором публикуется более 1000 работ в месяц. В статье рассказывается о наиболее важных результатах астрофизических исследований, опубликованных в архиве в прошлом году.

1. Загадочные всплески

Начнем рассказ с непонятного -с загадочных всплесков. В астрономии нередко обнаруживают вспышки, природу которых, оказывается, очень трудно определить. В этом году было три подобных открытия, заслуживающих подробного рассмотрения.Все слышали про гамма-всплески, открытые еще в конце 1960-х с помощью американских спутников-разведчиков, запущенных для контроля за ядерными испытаниями. Только в конце 1990-х удалось достоверно определить, что всплески приходят с космологических расстояний. По всей видимости, короткие всплески (длительностью порядка секунды) связаны со слияниями нейтронных звезд, а длинные — с особым типом сверхновых.

Наблюдения показали, что вспышки в гамма-диапазоне могут сопровождаться более долгими всплесками в радио— и в видимых лучах. А в 2013 году Бредли Ченко (Bradley Cenko) и соавторы обнаружили (arxiv:1304.4236), что есть всплески, которые в оптике и в радио ведут себя подобно источникам гамма-всплесков, вот только самих вспышек на высоких энергиях не видно. Всплеск изначально открыли в видимом диапазоне в рамках проекта «Паломарская фабрика транзиентов» (Palomar Transient Factory). Затем увидели, что и в радиодиапазоне имел место всплеск. Авторы полагают, что они обнаружили первый пример нового типа космических вспышек. Возможно, это «кузен» гамма-всплесков, связанных со сверхновыми, но по какой-то причине жесткое излучение там подавлено.

Другой интересный всплеск был открыт в рентгеновском диапазоне. Питер Йонкер (Piter Jonker) и соавторы изучали архивные данные наблюдений на спутнике «Чандра» за 2000 год и увидели там вспышку (arxiv:1310.7238). Расстояние до нее неизвестно, поэтому есть простор для фантазии. Правда, есть одна косвенная улика, которая может навести на след. Вспышка пришла с направления, близкого к известной галактике М86.

Авторы думают, что дело было так. В небольшом (его не видно) шаровом скоплении галактики М86 белый карлик был разорван приливом, созданным черной дырой промежуточной массы. Речь идет о величине, равной примерно 10 тыс.масс Солнца (гораздо большей тех черных дыр, которые получаются из звезд, и заметно меньшей сверхмассивных черных дыр в центрах галактик). Крайне интересная возможность. Правда, не единственная. Может быть, запуск спутника «Спектр-РГ», который будет проводить обзор неба в рентгеновском диапазоне, позволит обнаружить несколько подобных событий и установить их природу.

А теперь — самое главное «вспле-сковое» открытие 2013 года. История началась несколько лет назад. В самом начале XXI века радиоастрономы научились достаточно хорошо выделять отдельные крайне короткие — миллисекундные! — всплески. Технически это непростая задача, т.к. в магнитосфере Земли постоянно что-то «шумит». Первым открытием с помощью новой методики стало обнаружение нового типа активности нейтронных звезд. Но потом подоспело и открытие в области внегалактической астрономии.

В 2007 году Дункан Лоример (Duncan Lorimer) и его коллеги обнаружили миллисекундный радиовсплеск, пришедший с расстояния в миллиарды световых лет. Теоретики бросились придумывать, что же это могло быть. И ждали, когда наблюдатели откроют еще что-нибудь в этом роде. Но в радиодиапазоне искать короткие вспышки трудно, т.к. трудно проводить обзоры большой площади неба.

Оценки показывали, что на всем небе такие вспышки могут происходить раз сто в день, но радиоастрономы могут изучать только маленькие участки неба за раз. Новых открытий не было, и постепенно начали набирать силу голоса скептиков, говоривших, что это какое-то новое явление в магнитосфере Земли, а не нечто удивительное на космологических расстояниях.

Еще один похожий всплеск открыли в 2012 году (авторы даже предположили, что это может быть последний «вскрик» испаряющейся черной дыры — именно поиск таких событий привел в радиоастрономию изобретателя Wi-Fi Джона О’Салливана). Но этот всплеск был открыт в плоскости нашей Галактики, и было не очевидно, что он близнец всплеска Лоримера. Теперь же удалось поставить жирную точку.

Дуглас Торнтон (Douglas Thornton) и его коллеги представили (arxiv:1307.1628) данные по четырем новым всплескам, похожим на всплеск Лоримера. Теперь мы уверены, что существует удивительный класс миллисекундных радиовсплесков, которые приходят к нам из далеких-далеких галактик. Остается лишь понять, что это: то ли это вспышки магнитаров — нейтронных звезд с большими магнитными полями, то ли это массивные нейтронные звезды превращаются в черные дыры, то ли результат слияния нейтронных звезд… Мы не знаем. Пока не знаем.

В заключение отметим, что в этом году был зарегистрирован интересный гамма-всплеск GRB130427A. Это обычный длинный гамма-всплеск, произошедший относительно близко: на красном смещении z = 0,34. Поэтому для него удалось одновременно измерить массу эффектов: оптическое излучение в момент всплеска, сверхновую, послесвечение, а также излучение галактики, в которой это всё и произошло. Может быть, изучение этого события (вызвавшего поток статей, в том числе сразу несколько публикаций в Science) поможет лучше понять детали работы механизма гамма-всплесков.

2. Сверхновые

От всплесков загадочных перейдем к всплескам известным, но еще не до конца понятным. Что такое сверхновые, известно довольно хорошо уже несколько десятилетий. Но вот охватить всё многообразие этих явлений и разобраться в важных деталях процессов не удается до сих пор (достаточно сказать, что компьютерные симуляции так и не могут без дополнительных ухищрений воспроизвести взрыв массивной звезды), а ведь без сверхновых не было бы и нас с вами.

2013 год был богат на открытия интересных сверхновых. Например, Козимо Инсерра (Cosimo Inserra) с коллегами обнаружили взрывы, которые возможно объяснить, лишь предположив, что в результате взрыва родился магнитар, который дополнительно «подпитывает» светимость сверхновой (arxiv:1304.3320), что позволяет понять, почему сверхновая остается яркой дольше обычного. Эран Офек (Eran Ofek) и его коллеги смогли увидеть «судороги» звезды примерно за месяц до взрыва, в результате которых звезда выбросила оболочку массой около 1% массы Солнца (1302.2633).

Но самое интересное, на мой взгляд, открытие связано со сверхновой PS1-10af, открытой в ходе проекта Pan-STARRS (arxiv:1302.0009). Райан Чорнок (Ryan Chornock) и соавторы обнаружили далекую (красное смещение z = 1,4, т.е. свет от нее шел до нас 9 млрд лет) мощную сверхновую, параметры которой не получается объяснить ни одной моделью. Вдобавок к большому энерговыделению она выглядит слишком красной и слишком быстро набирала блеск. Может быть, обнаружение подобной экзотики, в конце концов, вдохновит теоретиков на создание действительно реалистичной работающей модели, которая «взорвется в компьютере».

3. Нейтронные звезды

После взрывов сверхновых чаще всего остаются нейтронные звезды, потому самое время перейти к ним. Для «пульсарщиков», наверное, одним из важных наблюдательных результатов 2013 года является открытие быстрой перестройки работы пульсара PSR B0943+10, обнаруженной Уимом Хермсеном (Wim Hermsen) и его соавторами (1302.0203) по одновременным наблюдениям в радио— и рентгеновском диапазонах. Потенциально это может пролить свет на работу «машины пульсара», теоретики как раз продолжают активно изучать этот вопрос, и в уходящем году появилось несколько важных новых исследований. Но мы с вами обсудим чуть детальнее две другие работы.

Во-первых, очередной раз побит рекорд массы нейтронных звезд. Правда, совсем немного. Масса пульсара, открытого Джоном Антониадисом (John Antoniadis) и его соавторами (arxiv:1304.6875), едва-едва переваливает за 2 солнечных (ранее рекорд составлял «чуть-чуть менее 2 масс Солнца»). Но важно не это. Существенно, что массивная нейтронная звезда входит в очень тесную систему с белым карликом. Про эту двойную многое известно (поскольку белый карлик удалось увидеть непосредственно в оптическом диапазоне, измерить спектры и т. д.), поэтому теперь мы имеем очень хороший инструмент для проверки теорий гравитации. Чем астрономы не замедлят воспользоваться.

Во-вторых, астрономы смогли обнаружить сильное магнитное поле у магнитара со слабым полем (arxiv:1308.4987). «Парадокс», — скажете вы. Почти. Дело тут вот в чем. Нейтронная звезда SGR 0418+5729 проявляет классическую магнитарную активность. От нее были зарегистрированы вспышки в жестком рентгеновском диапазоне. В стандартной модели такое поведение связывают с выделением энергии мощных электрических токов. Они создают сильные магнитные поля, поэтому чаще говорят о выделении энергии магнитного поля, откуда и название всего класса объектов — магнитары.

Магнитные поля одиночных нейтронных звезд (например радиопульсаров) чаще всего оценивают по темпу замедления их вращения. Так вот, SGR 0418+5729 замедляется медленно, что, вроде бы, говорит о слабом поле. Однако. Если мы посмотрим на Солнце, то, с одной стороны, у него довольно слабое крупномасштабное (так называемое дипольное, то самое, которое похоже на бабочку или восьмерку, или знак бесконечности) поле, а с другой — в окрестности солнечных пятен существуют очень мощные поля, с которыми как раз и связаны солнечные вспышки.

Оказалось, что некоторые магнитары в этом смысле похожи на Солнце. У этих нейтронных звезд слабое дипольное поле (относительно слабое — лишь в десятки миллиардов раз сильнее, чем у Солнца или Земли; такие поля типичны для радиопульсаров). Зато вблизи поверхности существуют колоссальные магнитные поля. Если Андреа Тьенго (Andrea Tiengo) и его коллеги всё измерили точно, то это самое большое магнитное поле, когда-либо измерявшееся человеком. А сделать это удалось благодаря детальному изучению спектра SGR 0418+5729.

4. Звезды

От звезд нейтронных перейдем к обычным и обсудим два сюжета. Исследована самая старая звезда (arxiv:1302.3180). Ее назвали Мафусаил. Звезда находится на стадии субгиганта, у которого точнее определяется возраст, это и делает объект уникальным. Расстояние до Мафусаила — менее 200 световых лет. Это немного, поэтому объект можно детально изучить. Неточность в оценке возраста связана только с недостаточно точно измеренным химическим составом звезды.

С учетом неопределенностей возраст звезды превосходит 13,66 млрд лет. То есть это могла бы быть звезда самого первого поколения, но. Ее химический состав по оценкам Говарда Бонда (Howard Bond) и соавторов указывает на заметное (пусть и малое) содержание элементов тяжелее гелия. Так что первые звезды еще предстоит открыть. Зато Мафусаил позволяет лучше понять эволюцию нашей Галактики.

Марек Николаюк (Marek Nikolajuk) и Роланд Волтер (Roland Walter) проанализировали вспышку, которую в 2011 году обнаружил спутник INTEGRAL в направлении на сейфертовскую галактику NGC 4845. Всплеск достаточно необычный (arxiv:1304.0397). По всей видимости, центральная сверхмассивная черная дыра, чья масса оценивается в треть миллиона солнечных, разорвала своими приливами какой-то объект. Необычность связана с этим объектом. Это или очень тяжелая планета, или бурый карлик. Масса «пострадавшего» примерно 14-30 масс Юпитера.

5. Экзопланеты

Вот мы и добрались до экзопланет. Астрономы продолжают снимать сливки в этой крайне молодой области исследований. В ней одной можно было бы выделить десятку самых интересных результатов. Кроме открытий есть даже интересные «закрытия». Например, Пол Калас (Paul Kalas) и его коллеги (arxiv:1305.2222) показали, что объект Фомальгаут b, который считали экзопланетой, таковой не является (правда, видимо, это еще интереснее — такая куча строительного мусора в диске вокруг молодой звезды).

Есть крайне интересный, но пока не стопроцентно надежный результат— первое открытие свободной (т.е. не вращающейся вокруг какой-нибудь звезды) экзопланеты со спутником (arXiv:1312.3951), это было сделано методами микролинзирования. Чуть детальнее поговорим о трех темах: точности измерений,необычных планетах и зонах обитаемости.

Современную точность получения данных об экзопланетах хорошо иллюстрируют два результата. Во-первых,Томас Барклай (Thomas Barclay) с коллегами смогли обнаружить в данных спутника «Кеплер» планету (Кеплер-37^ размером меньше, чем Меркурий (arxiv:1305.5587). Это рекорд. Значит, «Кеплеру» это доступно, и в его данных еще могут быть подобные маленькие планеты.

Во-вторых, две группы авторов -Франческо Пепе (Francesco Pepe) и его соавторы (arxiv:1310.7987) и Эндрю Ховард (Andrew Howard) с коллегами (arXiv:1310.7988) -впервые представили данные сразу и по размеру, и по массе для планеты земного типа. Ее название -Кеплер-78Ь. Масса составляет 1,86 земной, а радиус — на 16% больше, чем у нашей планеты. Плотность примерно в 5,5 раза больше, чем у воды. То есть это железно-каменная планета. Казалось бы, в чем важность этого открытия? Разве именно так не должно было бы быть? Оказывается, что бывает по-всякому, а потому крайне важно с высокой точностью подтверждать ожидания астрофизиков.

В качестве примера рассмотрим планету Кеплер-87с. По данным «Кеплера» ее размер в 6 раз больше земного. А вот масса, согласно данным Авива Офира (Aviv Ofir) и его коллег (arxiv:l3l0.2064), больше чем у Земли не в десятки, как можно было бы ожидать, а всего лишь … в те же 6 раз. То есть плотность получается в 7 раз меньше, чем у воды. Это рекорд для планет в диапазоне масс менее 10 земных. И загадка.

Пока мы еще плохо знаем, какими могут быть экзопланеты, но статистику наращиваем. В конце декабря команда «Кеплера» представила новые данные, основанные на обработке 22 месяцев наблюдений. Число хороших кандидатов увеличилось более чем на 20% и перевалило за 2,7 тыс. Число звезд с такими экзопланетами превосходит теперь 2 тыс. (arXiv:1312.5358). Возросло и число планет в зонах обитаемости, границы которых, кстати сказать, были слегка пересмотрены (arXiv:1312.3337). Дело в том, что результаты нового детального моделирования показали, что ранее мы были слишком консервативны, определяя внутреннюю границу области, где на поверхности планеты может существовать жидкая вода.

Появилась и новая статистика по планетам типа Земли, находящимся у звезд типа Солнца на орбитах с периодами около года. Эти результаты представили Эрик Пе-тигура, Эндрю Ховард и Джеффри Марси (Erik Petigura, Andrew Howard, Geoffrey Marcy) (arxiv:1311.6806). Сложность задачи состояла в том, что надо было определить достаточно точно, насколько плохо «Кеплер» может открывать маленькие планеты с большими периодами. Оценки показывают, что 3,5-7,5% звезд типа Солнца имеют планеты с примерно земным размером и орбитальными периодами 200-400 дней. Это немало! Наконец, прибавилась интересная система Кеплер-62 (arxiv:1304.7387). В ней пять планет, причем две из них находятся в зоне обитаемости, и размеры у них всего лишь 1,4 и 1,6 земных.

6. Галактика

Завершая разговор о звездах и экзопланетах нашей Галактики, прежде чем ее покинуть, бросим взгляд на Галактику в целом. В этом нам поможет спутник «Планк». В настоящий момент самой цитируемой работой в астрономии является карта галактической пыли по данным спутников IRAS (InfraRed Astronomical Satelite), инфракрасной орбитальной обсерватории (1983), и COBE (Cosmic Background Explorer), космической обсерватории (1989).

«Планк» — это «COBE третьего поколения», запущенный в 2009 году для изучения вариаций космического микроволнового фона. Ко второму поколению относился WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) — космический аппарат, запущенный для изучения реликтового излучения в 2001 году. Неудивительно, что новая карта пыли в Галактике, теперь уже составленная по данным IRAS и «Планка» (arXiv:1312.1300), вскоре сможет стать одной из самых цитируемых статей. Дело в том, что пыль всем мешает, все смотрят сквозь нее и хотят вычистить ее «вклад» из результатов своих наблюдений. А для этого нужны точные карты.

7. Внегалактическая астрономия

И вот мы на межгалактических просторах. Там было обнаружено много интересного. Так, установка ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), от которой ждут важных данных в первую очередь в области внегалактической астрономии, показала наличие гигантских потоков молекулярного газа с массами, превышающими 10 млрд масс Солнца, в ярких центральных галактиках скоплений Abell 1664 и Abell 1835 (arXiv: 1309.0013; 1309.0014). Открыта группа из трех квазаров (arXiv: 1302.0849). Это всего лишь второй такой случай.

Но нас будут интересовать более далекие объекты. Начнем с рекорда. Стив Финкельштейн (Steven Finkelstein) и соавторы представили (arxiv:1310.6031) надежное определение красного смещения для самой далекой галактики. Красное смещение z = 7,51 соответствует времени 700 млн лет после начала расширения. Есть кандидаты и в более далекие объекты, но для них нет столь надежного определения красного смещения (по которому можно определить расстояние).

Но здесь важен не только этот рекордный результат. Молодая галактика обладает довольно высоким темпом формирования звезд-в сто раз выше, чем сейчас в нашей Галактике. При этом новый объект был обнаружен в небольшом обзоре. Получается, что эта галактика должна быть довольно типичной. Таким ообразом, еще до запуска нового космического телескопа или сверхбольших наземных телескопов мы начинаем узнавать, как выглядели галактики в первые сотни миллионов лет своего существования.

Однако на больших красных смещениях можно обнаружить настоящих монстров звездообразования. Доминик Ришер (Dominik Riechers) и его коллеги представили данные наблюдений далекой галактики с темпом образования звезд в 2000 раз больше, чем в нашей Галактике! Объект находится на красном смещении z = 6,34, что соответствует 880 млн лет после Большого взрыва. В этой галактике много пыли, и наблюдать ее пришлось в инфракрасном диапазоне с помощью космической обсерватории «Гершель».

8. Нейтрино сверхвысоких энергий

Как известно, из космоса к нам прилетают частицы высоких энергий — так называемые космические лучи. В основном это протоны, но могут быть и ядра более тяжелых элементов. Их энергия больше, чем у частиц в Большом адронном кол-лайдере в сотни миллионов раз! Но мы не знаем точно, откуда эти частицы летят. Знаем только, что им приходится преодолевать межгалактические расстояния. Почему же мы не можем определить источники? Дело в том, что заряженные частицы отклоняются магнитным полем. И хотя поля в нашей Галактике и, тем более, в межгалактическом пространстве очень слабы, зато частицы там находятся долго. К счастью, в природе есть и нейтральные частицы. Например нейтрино.

Поиск космических нейтрино сверхвысоких энергий является одной из основных задач установки IceCube в Антарктиде. Наконец-то группа исследователей представила первые положительные результаты (arxiv:1311.5238). Ими зарегистрировано почти три десятка событий с энергиями в 2-20 раз выше, чем на LHC. Немного, но и этого очень долго ждали. Пока статистики мало — рано говорить об отождествлении источников с какими-нибудь активными ядрами галактик или другими объектами. Но начало положено, поэтому будем ждать новостей.

9. Космология, реликтовое излучение

Наконец-то мы добрались до космологии. Здесь основные результаты связаны с изучением реликтового излучения. Посмотрим, как много астрофизики смогли узнать, занимаясь его изучением. Важно понимать, что основные космологические выводы основаны на большом количестве разнообразных, дополняющих друг друга данных, полученных конкурирующими группами, которые, вообще-то говоря, работали над тем, чтобы не столько подтвердить известное, сколько обнаружить что-то новое.

Давайте взглянем на очень красивый результат. Используя телескоп на Южном полюсе (South Pole Telescope), авторы сумели измерить (arXiv:1312.2462), как менялась температура реликтового излучения от z = 1,35 (4,7 млрд лет после Большого взрыва) до z = 0,05 (2/3 млрд лет назад). Таким образом ими был покрыт диапазон более 8 млрд лет жизни Вселенной.

В данной работе были использованы данные по 150 скоплений галактик. Эффект Зельдовича-Сюняева, связанный с взаимодействием фотонов реликтового излучения с электронами горячего газа в скоплениях галактик, позволяет измерить температуру реликта в ту эпоху, в которой мы видим скопление. Полученные результаты прекрасно укладываются на кривую, соответствующую стандартной космологической модели. Это хорошая новость, но надо двигаться дальше.

Для продвижения вперед ученые осваивают новые методики. На том же South Pole Telescope Дункан Хэн-сон (Duncan Hanson) с соавторами (arxiv:1307.5830) впервые измерили важную характеристику реликтового излучения. Это так называемая B-мода поляризации. Не будем углубляться в детали. Поясним лишь, насколько эта характеристика важна, что в ней закодировано.

Свет, распространяющийся к нам в течение почти 14 млрд лет, испытал влияние всего того, что встречалось ему по дороге. В частности, свет чувствует гравитацию массивных тел. Самое массивное — это крупномасштабная структура распределения галактик. Излучение линзируется — пусть и очень слабо- на этой структуре. Информация об этом оказывается «спрятанной» в B-моде поляризации.

Таким образом, потенциально эта характеристика может рассказать нам, как распределено вещество в больших масштабах на всем пути фотонов к нам, т.е. практически во всей видимой части Вселенной. Именно этот сигнал и начали «видеть» на South Pole Telescope. Чуть позже об аналогичном результате заявил проект POLARBEAR (arXiv:1312.6646). Для восстановления крупномасштабной структуры понадобится еще много работы, много наблюдений, но начало положено.

Мало того, в B-моде поляризации реликта скрыта еще и информация о первичных гравитационных волнах, рожденных в молодой Вселенной. Обнаружение этого сигнала позволило бы подтвердить инфляционную модель, что было бы крайне важно. Но для этого нужно нечто более мощное, чем телескоп на Южном полюсе: например спутник «Планк».

Команда «Планка» представила свои первые космологические результаты в марте 2013 года (arxiv:1303.5062, arxiv:1303.5076). Они вызвали большую дискуссию, продолжающуюся до сих пор (видимо, некоторую ясность внесет новый релиз данных в 2014 году). Дело в том, что хотя в целом «Планк» подтвердил стандартную космологическую модель, тем не менее, в деталях есть изменения по сравнению с результатами спутника WMAP.

Космологическая постоянная стала на несколько процентов меньше, доля темного вещества — на несколько процентов больше (за счет темной энергии). В чем причина этих расхождений — пока не ясно. В остальном всё стандартно. Вселенная плоская, сортов нейтрино — три.

Важно, что появились хорошие, пусть и недостаточно прямые, аргументы в пользу инфляционной модели (это удалось понять, изучив спектр первичных возмущений плотности, которые «отпечатались» в реликте). Теперь будем ждать, когда команда «Планка» сможет уточнить свои данные и дополнить их результатами измерения поляризации.

За новостями астрономии и астрофизики 2014 года вы можете следить по моим обзорам,публикующимся на странице ГАИШ МГУ: http://xray.sai.msu.ru/~polar/sci_rev/current.html.

Статья основана на материале С. Попова, опубликованном на сайте «Газета.Ру».