Как расширялась Вселенная в 2014 году

Предлагаем вашему вниманию традиционный обзор главных астрофизических результатов года, составленный Сергеем Поповым на основе его регулярного дайджеста Архива электронных препринтов (arXiv.org). Для каждого результата приводится ссылка на соответствующий е-принт (например, 1409.5738). В обзор в основном вошли результаты, не связанные с исследованием объектов Солнечной системы.

Большая Вселенная

Если говорить о самом дальнем космосе, то для многих год прошел под девизом BICEP2 против Planck’а. В марте коллаборация BICEP2 заявила (1403.3985) о том, что обнаружен сигнал, который может быть связан с инфляционной стадией расширения очень молодой Вселенной. Результат вызвал бурю интереса. Часть специалистов сразу же высказала сомнение в том, что авторы смогли правильно выделить слабый сигнал на фоне недостаточно хорошо известных шумов. Было ясно, что надо ждать результатов спутника Planck.

Полгода на конференциях обсуждался результат BICEP2. Часто один за другим выступали представители этой коллаборации и кто-нибудь из команды Planck. Критика в основном сводилась к тому, что такой же сигнал может дать пыль в нашей Галактике. Хотя при обработке данных BICEP2 авторы полагали, что влияние пыли известно неплохо, были сомнения. В сентябре стало ясно, что роль излучения пыли была недооценена (1409.5738). Сейчас все ждут статей команды Planck, где будут представлены детали.

Итак, самая жаркая дискуссия года завершилась закрытием, а не открытием. И мы переходим к рассказу о других работах. Самый грандиозный процесс в нашем списке — это величавое течение галактической реки. Размер «бассейна» этой реки — полмиллиарда световых лет. Имя ей — Ланиакеа. Благодаря точным измерениям скоростей и координат большого числа галактик удалось понять, как формируется местное сверхскопление галактик (1409.0880). Несколько галактических скоплений (в том числе и наше скопление в созвездии Девы) — всего более 100 тыс. галактик — движется под действием гравитации, чтобы в будущем возникло сверхскопление.

В еще более крупном масштабе движение галактик изучают с помощью численных моделей. В 2014 году был сделан шаг вперед с появлением результатов проекта Illustris. Изюминка в том, что космическая эволюция прослежена от самых от окраин и истоков до формирования отдельных галактик со всей их структурой. То есть прямо формируются галактики разных типов, и это можно сравнивать, например, с «хаббловскими» данными. Такие крупные проекты по моделированию формирования галактик крайне важны, так как их данные затем применяют самые разные исследовательские группы с разными полезными целями. Например, используя данные проекта EAGLE (1407.7040), Тил Савала (Till Sawala) и соавторы (1412.2748) смогли наконец-то разрешить все проблемы Местной группы галактик. Стало ясно, что и относительно небольшое число карликовых галактик, и их пространственное распределение (и кое-что еще) — вполне естественные свойства. А показано это было как раз на основе крупномасштабного моделирования, из которого выбирались пары галактик типа нашей и Андромеды, а потом смотрелось, что там вокруг них летает и как это должно наблюдаться.

Сверхновости

Самые яркие события года — это сверхновые. Год начался с того, что в столице туманного Альбиона открыли самую близкую сверхновую типа Ia за 42 года (1402.0849). Она вспыхнула в галактике М82 и получила обозначение 2014J. Поскольку ранее такую близкую сверхновую не изучали с помощью чувствительной аппаратуры, ее, конечно же, бросились наблюдать во всех диапазонах спектра. В частности, Евгению Чуразову и его коллегам удалось с помощью спутника Integral зарегистрировать излучение в линии кобальта от этой сверхновой. Всё это приближает нас к пониманию того, как же они взрываются.

Другим долгожданным результатом, связанным со сверхновыми, стала регистрация линзированной вспышки (1411.6009). 50 лет назад, в 1964 году, норвежский астрофизик Сюр Рефсдал (Sjur Refsdal) показал, как по наблюдениям линзированных сверхновых можно определять космологические параметры. Жалко, что он чуть-чуть не дожил до открытия. Обнаруженная в этом году первая линзированная сверхновая названа в его честь. Линзой служит одна из галактик скопления MACS J1149.6+2223 на красном смещении z=0,544. Сама сверхновая находится на z=1,5 (то есть свет от нее шел почти 10 млрд лет). Линзирование позволяет хорошо измерять расстояния. Поэтому в ближайшие годы, когда число таких открытий станет достаточно большим, это будет одним из самых точных методов изучения эволюции темной энергии.

Сверхмассивные

Отныне оценки масс многих сверхмассивных черных дыр будут точнее. Самые массовые способы оценки не очень достоверны, и их калибруют по галактикам, для которых всё измерено достаточно точно. Одна из таких галактик — NGC 4151. Но и тут была проблема: расстояние до нее было известно недостаточно хорошо, а это отражается на калибровке массового метода измерения массы. Теперь благодаря Себастьяну Хёнигу (Sebastian Hoenig) и его соавторам (1411.7032) расстояние до NGC 4151 известно с точность лучше 15%. В итоге многие черные дыры вдруг потяжелели почти в полтора раза, так как для их измерения использовали метод, калиброванный по NGC 4151.

Откуда же берутся сверхмассивные черные дыры? Считается, что дыра растет вместе с галактикой. Но должен быть какой-то зародыш. Самая консервативная гипотеза гласит, что такими зародышами могут быть черные дыры с массой 100–200 солнечных, возникающие в результате коллапса самых первых очень массивных звезд. Такой сценарий точно работает, но он не может с легкостью объяснить появление очень массивных черных дыр спустя всего лишь несколько сот миллионов лет после начала расширения. Поэтому ученые активно работают над альтернативными моделями. Задача — понять, как можно сформировать зародыши с массами порядка нескольких тысяч масс Солнца. Звезды первого поколения тут не помогут.

Лючио Майер (Lucio Mayer) и его коллеги провели детальное численное моделирование, показывающее, что при слиянии крупных галактик на z=8…10 могут возникать сверхмассивные черные дыры (1411.5683). Газ течет в центр сливающейся системы, образуя диск. Далее из этого диска возникает нечто вроде сверхмассивной протозвезды, которая затем и коллапсирует в сверхмассивную черную дыру. Так в массивной галактике появляется массивная черная дыра.

Сверхмассивные черные дыры встречаются в самых разных галактиках. Одну из них открыли в ультракомпактной карликовой галактике M60-UCD1 (1409.4769). Теперь это самая легкая галактика с надежно установленной центральной дырой. Масса черной дыры составляет аж 15% массы галактики (21 млн масс Солнца). Ультракомпактные галактики обладают очень небольшими размерами (несколько десятков парсек максимум), но массы могут составлять 100–200 млн масс Солнца. Таким образом, это одно из самых плотных звездных образований. Какие-то из них могут быть очень крупными шаровыми скоплениями, а какие-то — ободранными галактиками. Вот M60-UCD1 как раз является кандидатом в «потерпевшие», раз уж у нее такая тяжелая дыра в центре.

Другие карликовые галактики тоже не отстают. В работе 1408.4451 авторы использовали SDSS, чтобы поискать активные ядра галактик у карликовых галактик. У 28 объектов они были обнаружены. Но это довольно легкие черные дыры: все массы менее миллиона солнечных. А распределение тянется до тысяч масс Солнца. При этом сами галактики весят всего лишь несколько миллиардов масс Солнца. Однако это отнюдь не компактные галактики — их размеры исчисляются килопарсеками. Но всё равно это карлики, поэтому и черные дыры у них соответствующие — легкие (их еще называют черными дырами промежуточных масс). И это интересно, так как в некоторых сценариях зародыши будущих очень массивных черных дыр имеют массу как раз порядка тысяч солнечных.

Ультрамощные источники

Черные дыры промежуточных масс были придуманы для объяснения так называемых ультрамощных рентгеновских источников (ULX). Это тесные двойные системы, наблюдаемые в других галактиках. Число их весьма велико. Вещество течет с обычной звезды на компактный объект. Их светимость, если считать, что во все стороны источник светит примерно одинаково, превышает предел для черной дыры с массой 10 солнечных. Отсюда и возникли две конкурирующие идеи: или источник светит как прожектор (а потому кажется мощным, когда луч направлен на нас), или просто дыра там массивная (а потому и светимость выше предельной для типичной дыры звездной массы).

В 2014 году по ультрамощным источникам были получены новые интересные результаты. Набор конфет ULX оказался ассорти. Во-первых, появились новые аргументы в пользу того, что источник HLX-1 в галактике ESO 243-49 имеет черную дыру с массой несколько тысяч (или даже десятков тысяч!) солнечных (1403.6407). Данные по этому объекту разные группы собирали уже много лет, и пока у всех масса получается большой. Новые данные лишь упрочили эту точку зрения. Во-вторых, выяснилось, что источник P13 в галактике NGC 7793, наоборот, содержит нормальную черную дыру с массой 7–15 солнечных (1410.4250).

Теперь перенесемся в известную галактику М82 в созвездии Большой Медведицы. Начнем с источника M82 Х-1. Для него была получена новая оценка массы. Она превосходит по меньшей мере 300 солнечных, а может быть, достигает и 500–600. Но самое главное чудо связано с другим источником в этой галактике — с Х-2.

М82 Х-2 был тщательно изучен Маттео Баккетти, который использовал данные с телескопа NuSTAR. Ко всеобщему удивлению, этот ультрамощный источник оказался вовсе не черной дырой. Это нейтронная звезда! Авторы обнаружили пульсации рентгеновского излучения с периодом 1,37 с (1410.3590). Это период вращения нейтронной звезды, которая своим магнитным полем направляет движение падающего на нее вещества. В результате возникают два горячих пятна на ее поверхности. Теперь теоретики должны ломать голову, откуда в двойных системах черные дыры с массами в сотни и тысячи солнечных и как на нейтронные звезды должно течь вещество, чтобы они казались нам источниками со столь большой светимостью.

Экзотические объекты в экзотических системах

Интересную заявку сделали авторы статьи 1406.0001. Они исследовали химический состав красного гиганта HV2112. Оказалось, что у этой звезды есть сильнейшие аномалии, не наблюдавшиеся ранее ни у одной другой звезды. Одновременный избыток рубидия, лития и молибдена у этой звезды авторы объясняют тем, что наконец-то мы столкнулись с объектом Торна — Житков. Они были предсказаны еще в 1977 году. Это естественный продукт эволюции некоторых двойных систем, в которых нейтронная звезда попадает в оболочку красного гиганта (или сверхгиганта) и медленно сваливается в центр. Основная масса таких гибридов в конце концов даст черную дыру, так как нейтронная звезда постепенно «съест» красного гиганта изнутри. Несколько раз появлялись заявления разных групп, что ими обнаружен хороший кандидат в объекты Торна — Житков, но все они потом оказывались просто звездами с аномалиями состава. Новый кандидат — самый лучший.

Впервые открыт радиопульсар в «настоящей» тройной системе (1401.0535) — ранее третьим компонентом единственной тройной с пульсаром была планета. Новая система состоит из собственно нейтронной звезды и двух белых карликов, один из которых образует тесную пару с пульсаром, а второй вращается вокруг них. Такая необычная система интересна и с точки зрения изучения звездной эволюции, и с точки зрения проверок теорий гравитации.

Для проверок теорий гравитации открыли еще одну интересную систему с радиопульсаром. На этот раз белый карлик один, но зато он пульсирует (1410.4898). В первую очередь, правда, система интересна с точки зрения изучения белых карликов. Объект обнаружен довольно редкий: это очень маломассивный пульсирующий белый карлик. Благодаря данным по пульсару точно известно расстояние до системы. Так что изучать карлик легко. А это всего лишь шестой источник в своем классе! Но и для теорий гравитации это может пригодиться: все-таки двое часов в системе с сильной гравитацией.

Изучение экзопланет

Пока основным поставщиком новых планет является Кеплер. Проблема в том, что часто в данных этого спутника речь идет лишь о кандидатах, которые надо подтверждать. Делать это можно разными способами. Лучше всего получить с помощью наземных телескопов доплеровские данные по периодическому движению звезды вокруг центра масс системы. Разумеется, это не всегда возможно. Тогда используют статистические методы. Генерируют искусственные ложные сигналы и сравнивают их с данными. Если оказывается, что воспроизвести наблюдаемые кривые блеска за счет ложных сигналов трудно (маловероятно), значит, мы имеем дело с хорошим кандидатом. Это всё довольно трудоемкое занятие. В феврале 2014 года была опубликована статья 1402.6534, в которой авторы проанализировали большой архив кеплеровских кандидатов. В основном они работали со звездами, для которых было заподозрено наличие более чем одной планеты. В итоге было выделено 306 систем с 768 планетами, являющихся хорошими кандидатами. Таким образом, число известных экзопланет разом возросло на несколько десятков процентов. Однако важно не только открывать новые планеты, но и изучать уже известные. Здесь также были достигнуты успехи. С помощью наземных инфракрасных наблюдений удалось обнаружить вращение планеты-гиганта у звезды бета Живописца (1404.7506). Результат получен по наблюдениям уширения спектральной линии монооксида углерода — CO. Вращение оказалось удивительно быстрым — скорость на экваторе больше, чем у любой планеты Солнечной системы. Полный оборот планета должна совершать за 7–9 часов (значение зависит от радиуса планеты и величины скорости вращения, а и то и другое измерено с некоторой конечной точностью). Измерение скорости вращения экзопланет весьма важно для построения модели их формирования и эволюции. По всей видимости, данная планета еще сожмется по мере охлаждения (это довольно молодой объект — 10–20 млн лет), так что скорость еще возрастет, а период вращения уменьшится. Gliese 1214b — планета выдающаяся во многих отношениях. Это сверхземля, в атмосфере которой, как предполагают, есть вода. Предпринимались попытки определить, что же там происходит, но до настоящего времени ясности не было. Теперь — есть. На Gliese 1214b облачно. Данные новых наблюдений на «Хаббле» довольно однозначно свидетельствуют (1401.0022), что спектр можно объяснить только в предположении, что нижние слои атмосферы закрыты облаками. Состав остается неизвестным, так как облака создают «серую завесу», препятствующую выяснению содержания различных молекул в нижних слоях. См. также 1401.3350. Это тоже статья из Nature, и тоже про облака нептуноподобной экзопланеты, но на этот раз — GJ 436b.

Авторы статьи 1410.2241 представили новые данные по атмосфере планеты WASP-43b. Это горячий юпитер. Авторы использовали довольно много наблюдательного времени на «Хаббле», чтобы получить данные по структуре атмосферы. В итоге можно восстановить изменение температуры с давлением (глубиной) на разных долготах (планета всё время повернута к звезде одной стороной). См. также статью 1410.2255, авторы которой исследуют содержание воды в этой планете. Результат оказался совпадающим с ожиданиями для случая формирования планет из туманности солнечного состава.

Закончим обзор планетами в двойных системах. Методом микролинзирования удалось открыть земноподобную планету на расстоянии 1 а.е. от звезды, входящей в двойную систему с большой полуосью всего лишь 15 а.е. (1407.1115). Правда, планета обращается вокруг карликовой звезды, поэтому температура там должна быть низкой. Но всё равно довольно удивительный случай. Ведь делать планету, когда невдалеке болтается вторая звезда, очень непросто!

Как и ожидалось, с планетами в двойных системах связано много загадок. В том числе и с их образованием. Впервые показано (1407.8211), что плоскости планетных орбит в двойных системах могут становиться не соосными плоскости двойной (и друг другу) еще на очень ранней стадии. Авторы демонстрируют, что в молодой (пара миллионов лет) двойной системе HK Тельца протопланетные диски на большом протяжении наклонены друг к другу и к плоскости орбиты двойной. То есть что-то еще на стадии формирования звездной пары приводит к тому, что протопланетное вещество выстраивается не вдоль орбитальной плоскости. Получить такие данные удалось благодаря наблюдениям на системе телескопов ALMA (Atacama Large Millimeter Array).

В ожидании новостей 2015 года желающие могут почитать отчет об астрофизических планах NASA на ближайшие 30 лет в е-принте 1401.3741.

Если у вас возникли вопросы, то их можно задать автору на лекции, посвященной астрофизическим итогам 2014 года, в центре «Архэ» (http://arhe.msk.ru/?p=3074).

Статья написана на основе обзора автора, опубликованного на сайте Газета.ру.