Original Material
Астрофизика‑2020
За год в астрофизической части Архива (arXiv.org) появилось около 15 тыс. статей. Это, конечно, снова рекорд, хотя прирост по сравнению с 2019 и 2018 годами совсем небольшой. Тем не менее есть из чего выбирать. Основными темами нашего ежегодного обзора станут результаты работы крупных проектов, несколько громких, но пока не до конца понятных заявлений об открытиях, экзопланеты и, разумеется, быстрые радиовсплески. Однако начнем с «плановых» результатов.
Всё по плану
Закончился третий научный сеанс наблюдений на LIGO и Virgo
В марте 2020 года завершился третий сеанс сбора научных данных на установках LIGO и Virgo. Он продолжался почти год, с апреля 2019-го, но закончился чуть раньше намеченного срока из-за пандемии. Напомню, что каждый новый научный сеанс проходит после апгрейда оборудования — то есть на всё большей и большей чувствительности. Поэтому растет количество детектируемых событий. За первые два сеанса было зарегистрировано около десятка слияний, а за третий — более полусотни (см. новый каталог слияний: [1]). Однако громких сенсаций не произошло (рис. 1).
Выделить можно пару результатов, связанных с нетипичными массами черных дыр (под типичными здесь в первую очередь подразумеваются массы объектов, наблюдаемых в галактических рентгеновских двойных). Например, событие GW190521 завершилось формированием объекта с массой около 150 солнечных [2]. Две сливавшиеся черные дыры имели массы примерно 85 и 65 масс Солнца. Это много, а потому интересно (может быть, там когда-то была тройная система).
В другом любопытном слиянии участвовал объект с массой 2,6 солнечной [3]. Это интересно, потому что непонятно: то ли это самая легкая из известных черных дыр, то ли самая массивная нейтронная звезда. Данный компактный объект попадает в «провал» в распределении по массам: известные галактические нейтронные звезды имеют массы до 2,1 солнечной, а черные дыры редко когда обладают массой менее 4–5 масс Солнца.
Кроме того, возрастающее количество данных позволяет получать всё более хорошие ограничения на отклонения разных параметров от предсказаний ОТО, растет статистика по массам черных дыр. В общем — идет нормальная работа. И лишь на фоне успехов первых двух сеансов (открытие гравволн само по себе и обнаружение слияния нейтронных звезд, сопровождавшееся гамма-всплеском и килоновой) третий сеанс выглядит несколько разочаровывающим. Но ничего. К четвертому чувствительность еще возрастет.
Началась работа японской гравитационно-волновой антенны KAGRA
В феврале 2020 года начала свою работу еще одна установка — японская KAGRA. Пока ее чувствительность невелика, но ведь и LIGO шли к первому детектированию 2015 года более 10 лет, улучшая параметры детекторов. Ожидается, что новый сеанс для всех четырех антенн начнется во второй половине 2022 года (если, конечно, не будет форсмажоров).
Вышел новый релиз данных спутника Gaia
Другим важным ожидаемым результатом стал третий ранний релиз данных (EDR3) спутника Gaia [4]. В нем представлена первая часть данных за 34 месяца работы. Приводятся параметры для более чем 1,8 млрд объектов. В 2022 году ожидается окончательный третий релиз, где для тех же объектов будет представлено еще больше данных разнообразных измерений. Спутник, запущенный в конце 2013 года и рассчитанный на пять лет основной программы, сможет проработать до 2025 года, когда иссякнут запасы газа для контроля ориентации аппарата. Таким образом, ожидается, что Gaia в два раза перевыполнит план.
Где-то в 2024 году можно ожидать четвертого релиза, куда войдет вся основная программа, плюс еще полгода наблюдений (всего 66 месяцев). Хочется надеяться, что тогда же начнут появляться данные по открытиям экзопланет. Ведь, кроме всего прочего, мы ждем от Gaia сведений о многих тысячах (оптимисты говорят о десятках тысяч) планет с параметрами, которые делают их пока недоступными для других методов детектирования.
Наконец, нельзя не упомянуть первые результаты со спутника «Спектр—РГ». Вообще говоря, первые четыре года спутник занят обзором неба. Тем не менее некоторые важные находки связаны с первой фазой наблюдений — когда еще до обзора отсматривались избранные площадки, — а некоторые получены уже в ходе обзора.
Назовем три интересных результата основного телескопа спутника — eROSITA.
Самым нашумевшим стало наблюдение структур, связанных с «пузырями Ферми» [5]. Напомним, что еще до обсерватории «Ферми» спутник ROSAT «что-то такое начинал как бы видеть». eROSITA — это на порядки улучшенный по всем параметрам ROSAT: то есть наблюдения идут примерно в том же спектральном диапазоне с бо́льшим полем зрения. Так что неудивительно, что пред нами предстала величественная картина реликтов прошлой активности нашей сверхмассивной черной дыры во всей красе. Теперь можно гораздо лучше понять, что же там происходило миллионы лет назад (рис. 4).
Две другие свежие публикации по данным eROSITA связаны с открытием очередного сверхскопления галактик [6] и с обнаружением «колечка», возникшего из-за рассеяния рентгеновского излучения транзиентного источника MAXI J1348–630 на пыли [7]. Красиво!
Экзопланеты
Методом микролинзирования открыта одиночная планета земной массы
Как обычно, большой урожай интересных открытий принесли поиски и исследования экзопланет. Начнем, пожалуй, с объекта, который, строго говоря, экзопланетой не является. Дело в том, что экзопланета должна вращаться вокруг звезды, но есть еще и «одинокие бродяги» планетного мира. Обычно их открывают по собственному инфракрасному излучению — соответственно, это молодые (всё еще сжимающиеся, а потому горячие) газовые гиганты. Тут же совсем другое дело. Одиночный объект примерно земной массы обнаружен благодаря микролинзированию [8]. Поскольку мы не знаем точно, где линза расположена, то и массу ее можно определить лишь по порядку величины. Это где-то 0,3–2,0 массы Земли. Есть небольшая вероятность, что планета все-таки не одиночная, просто она находится на широкой орбите (более чем примерно 10 астрономических единиц, а. е.), а потому звезда не проявилась в линзировании. Но это маловероятно. Так что, скорее всего, это одиночный объект, возможно вышвырнутый из своей системы в пору ее бурной молодости, когда планеты активно мигрируют и даже меняются местами.
Обнаружена планета-гигант у белого карлика
Еще более интересный «транзит» увидели астрономы, работающие с рентгеновскими данными [11]. Как мы уже сказали, в случае компактных объектов наиболее вероятно полное закрытие спутников излучающего объекта. То есть источник просто исчезает — и это легко заметить. Поэтому можно искать планеты, вращающиеся в рентгеновских двойных (скорее — вокруг них), хоть в другой галактике. Именно так и поступили авторы работы. Используя данные рентгеновских обсерваторий «Чандра» и XMM-Newton, они сумели увидеть «выключение» рентгеновской двойной, состоящей из нейтронной звезды и массивной звезды, поставляющей вещество, в известной галактике M51 (Водоворот). Повторы пока не обнаружены. Анализ единственного затмения говорит: наиболее вероятно, что оно вызывается именно планетой. Хотя не исключен и бурый карлик. А вот красный или белый — не подходят (рис. 6).
Впервые планета обнаружена астрометрическим методом с помощью радионаблюдений
VLBA-наблюдения красного карлика с поэтичным названием TVLM 513–46546 показали его периодическое смещение, и объяснить всё это можно присутствием планеты с массой Сатурна и орбитальным периодом около 220 дней [12]. Конечно, астрономы будут наблюдать и уточнять и дальше, но уже сейчас всё выглядит вполне хорошо (хотя авторы аккуратно пишут о «кандидате»).
Красные карлики являются активными звездами, а потому много излучают в радио (об активности Солнца, кстати, также лучше всего судить по его радиоизлучению). Так что не исключено, что это только начало и мы еще услышим об экзопланетных открытиях, сделанных с помощью радиоинтерферометров.
Открытия? Надо проверить!
Планеты планетами, но народу этого мало. Народ хочет жизнь. В плане экзопланет тут придется подождать (хотя, я думаю, откроют быстрее, чем тут свою наладим), но есть еще надежды и на Солнечную систему. Да, в нашем рассказе мы добрались до Венеры с ее фосфином.
Каково происхождение фосфина в атмосфере Венеры?
В сентябре в Архиве появилось сразу три работы [13, 14, 15] большой группы ученых (не только астрономов, но и геохимиков и представителей родственных специальностей). В первой были представлены собственно астрономические данные и описана процедура их получения. Во второй (в ней более 100 страниц!) проведен анализ возможных путей появления фосфина в атмосфере Венеры и сделан вывод, что вполне вероятно его биогенное происхождение. Третья посвящена уже гипотетическому сценарию биологического возникновения фосфина.
В октябре в Архиве была опубликована критическая заметка [16] с простым названием «No phosphine in the atmosphere of Venus». Первый ответ на эту критику появился в ноябре [17]: авторы показали, что в целом она бьет мимо цели и сама уязвима. Однако был представлен новый, более детальный анализ данных. Оценки количества фосфина понизились, но авторы продолжают настаивать, что известные каналы не могут объяснить наблюдаемое обилие (естественно, и они, и конкуренты продолжают исследовать этот вопрос). Наконец, дополнительные детали анализа были опубликованы авторами открытия в декабре [18]. Наверное, точку все-таки поставят измерения in situ с помощью атмосферных зондов. Но это когда еще будет!
NANOGrav и XENON1T обнаружили непонятные сигналы
С фосфином, таким образом, до конца не разобрались. В 2020-м было еще два громких результата, про которые тоже до конца не всё ясно. В июне коллаборация XENON1T заявила о странном сигнале на низких энергиях [19]. Этот детектор частиц темного вещества что-то увидел, но явно не темное вещество. Вариантов объяснения три. Банальный — это неучтенный фон от трития. А вот два других вполне себе могут и на Нобелевку потянуть. Если в случае магнитного момента нейтрино это не на 100 процентов очевидно, то вариант с солнечными аксионами — это точно Нобелевка. Ответ вряд ли появится быстро. Вероятнее всего, понадобится, чтобы поработали новые более крупные установки.
Также некоторый ажиотаж вызвал результат NANOGrav [20] — это один из трех проектов по таймингу пульсаров, имеющих своей целью обнаружить фоновый гравитационно-волновой сигнал, связанный с парами сверхмассивных черных дыр. Впервые такие проекты говорят о каком-то сигнале. Но вот проблема в том, что не похож он ни на ожидаемые систематические ошибки, ни на сигнал от чернодырно-гравитационно-волнового фона. Тут, конечно, набежали теоретики с космическими струнами наперевес. Но снова придется ждать. Ждать прежде всего очередных релизов двух других проектов, а также совместной обработки данных всех трех в рамках IPTA (International Pulsar Timing Array). Кстати, NANOGrav использовал для наблюдений антенну «Аресибо». Увы, придется им теперь что-то другое поискать. «Аресибо» больше нет.
Мы хотим все рекордов
Перед тем как перейти к главной теме года — пара рекордов. Во-первых, самый мощный квазар [21]. В этой штуковине сидит сверхмассивная черная дыра (34 млрд масс Солнца!) и пожирает вещество с темпом 40% от предельного. Видим мы ее такой, какой она была всего лишь 1,3 млрд лет после Большого взрыва. Так что отдельный вопрос — как дыра успела так быстро «отъесться». Но нам важен рекорд: 1,6 × 1048 эрг/c, т. е. 4,15 × 1014 светимостей Солнца.
Во-вторых, сверхновая с очень высокой максимальной светимостью и рекордно большим полным энерговыделением в виде излучения [22]. Там «в народ» ушло примерно 1052 эрг. Солнце столько излучает за всё время жизни на Главной последовательности, а тут — бац! По всей видимости, так много энергии высветилось, потому что звезда взорвалась внутри плотной массивной оболочки, сброшенной незадолго до вспышки. Вот взаимодействие с окружающей средой и привело к высокой эффективности перекачки энергии (ее у сверхновой много!) в излучение, в основном — видимое. Может быть, предсверхновая образовалась незадолго до взрыва в результате слияния двух очень массивных звезд.
Быстрые радиовсплески
Наконец мы добрались до того, что я субъективно считаю самым главным в прошедшем году. Точно так же, как 1917-й многим памятен исключительно как год, когда Эйнштейн предложил лямбда-член, не ковидом может запомниться и 2020-й, а тем, что мы поняли, что такое быстрые радиовсплески (ну, почти поняли).
Вообще, по быстрым радиовсплескам (FRB) в 2020-м была получена масса новых результатов. У двух повторных источников была обнаружена периодичность примерно 16 и 157 дней [23, 24]. Свои первые быстрые радиовсплески открыл 500-метровый радиотелескоп FAST [25]. Австралийский ASKAP не только много чего открыл, но еще и научился отлично определять положения даже неповторяющихся вспышек, что позволило понять, в каких галактиках находятся источники [26, 27]. Ну а канадская установка CHIME чем нас только не радовала (включая соучастие в главном открытии года); в частности, они открыли много новых повторяющихся источников [28].
Под самый занавес года важным результатом отметилась установка LOFAR. Им удалось зафиксировать импульсы от одного из повторных источников (того, который имеет периодичность около 16 дней) на рекордно низкой частоте 110 МГц [29]. Это крайне важно, так как лучше помогает понять свойства среды вокруг источника, а также способствует построениям моделей механизма излучения, ведь низкочастотное излучение легче поглощается плазмой.
Обнаружен аналог быстрых радиовсплесков от галактического магнитара. Радиовсплеск сопровождался вспышкой в жесткой части спектра.
Но главное… Главное — это МАГНИТАРЫ!
28 апреля 2020 года одновременно две системы радиотелескопов (CHIME и STARE2) и несколько космических аппаратов зарегистрировали вспышки от галактического магнитара SGR1935+2154.
CHIME в деталях увидели двойную вспышку: два миллисекундных импульса с 30-миллисекундным интервалом между ними [30]. Простенькая установка STARE2, специально предназначенная для детектирования коротких, но очень ярких радиовсплесков, сумела надежно измерить поток радиоизлучения [31]. А четверка космических аппаратов (Konus-Wind, Integral, HXMT-Insight, Agile) зарегистрировала короткую вспышку в жестком диапазоне (десятки и сотни килоэлектронвольт) от активного на тот момент магнитара [32]. Вуаля! Прямое доказательство того, что магнитары делают это. Конечно, это еще не говорит о том, что все быстрые радиовсплески связаны с магнитарами. Тем не менее это большущий шаг в понимании одного из самых, я бы сказал, раздражающе непонятных астрофизических феноменов, открытых в XXI веке.
Что теперь? Теперь надо разобраться в механизме всплесков. Это непросто. Вспомним, что пульсары почти мгновенно, за несколько месяцев, верно проассоциировали с нейтронными звездами. А вот механизм излучения не до конца понят и сейчас, спустя более чем полвека после открытия. В случае FRB, например, важно понять: возникает ли радиоизлучение внутри магнитосферы магнитара или же снаружи (в ударной волне, отстоящей далеко от нейтронной звезды)? Возможно, указания на верный ответ дают недавние наблюдения на FAST [33]. Изучая поляризацию последовательных всплесков повторного источника FRB180301, авторы обнаружили довольно сильные вариации от вспышки к вспышке. Это гораздо проще объяснить, если излучение возникает в немного разных областях внутри магнитосферы, так как в ударной волне снаружи вряд ли условия могут так быстро и так существенно изменяться.
Вот таким был этот год…
Нет! Он был еще интереснее. Еще доставили грунт с астероида и с Луны, вручили Нобелевскую за черные дыры, обнаружили релятивистскую прецессию орбиты одной из звезд вокруг Sgr A*, представили новых кандидатов в экзолуны (спутники экзопланет), открыли планету в осколочном диске крайне молодой звезды, а также планету на расстоянии 320 а. е. от своей звезды, а еще… Ну, 15 тысяч статей, вы понимаете.
А я пошел читать следующие 15 тысяч, у меня на это всего лишь год, даже уже чуть меньше.
Сергей Попов,
профессор РАН
Традиционная лекция, посвященная итогам года в астрофизике, пройдет онлайн в конце января в «Архэ».
Следите за объявлениями!