Дежавю сверхновой Рефсдала, или Назад в будущее

Дмитрий Вибе,  астрохимик, зав. отделом физики и эволюции звезд Института астрономии РАН

Дмит­рий Вибе, аст­ро­хи­мик, зав. отде­лом физи­ки и эво­лю­ции звезд Инсти­ту­та аст­ро­но­мии РАН

Что­бы сде­лать объ­ек­тив тра­ди­ци­он­но­го теле­ско­па, необ­хо­ди­мы стек­лян­ная лин­за или вогну­тое зер­ка­ло, спо­соб­ные откло­нять и фоку­си­ро­вать свет. Но обя­за­тель­но ли делать теле­скоп из како­го-то мате­ри­а­ла? Нет, если исполь­зо­вать пре­лом­ля­ю­щие свой­ства гра­ви­та­ции. Гра­ви­та­ция тоже спо­соб­на искрив­лять све­то­вые лучи, поэто­му неуди­ви­тель­но, что мас­сив­ные объ­ек­ты про­яв­ля­ют себя как необыч­ные лин­зы, откло­ня­ю­щие, а ино­гда и фоку­си­ру­ю­щие излу­че­ние более дале­ких источ­ни­ков. Извест­но уже мно­го при­ме­ров того, как отно­си­тель­но близ­кая галак­ти­ка (или скоп­ле­ние галак­тик) настоль­ко уси­ли­ва­ет излу­че­ние намно­го более дале­кой галак­ти­ки, что та ста­но­вит­ся доступ­ным для наблю­де­ний объ­ек­том.

Гра­ви­та­ци­он­ная лин­за в этом слу­чае высту­па­ет в роли свое­об­раз­ной при­став­ки к зем­но­му теле­ско­пу. Прав­да, при­ро­да нима­ло не забо­тит­ся о том, что­бы обес­пе­чить пра­виль­ное устрой­ство этой лин­зы, поэто­му «уве­ли­чен­ные» ею изоб­ра­же­ния часто ока­зы­ва­ют­ся силь­но иска­жен­ны­ми или даже рас­па­да­ют­ся на несколь­ко отдель­ных изоб­ра­же­ний. Извест­ны­ми при­ме­ра­ми таких раз­мно­жен­ных изоб­ра­же­ний явля­ют­ся ква­за­ры Крест Эйн­штей­на и Лист Кле­ве­ра.

Гра­ви­та­ци­он­ное лин­зи­ро­ва­ние не толь­ко поз­во­ля­ет наблю­дать дале­кие объ­ек­ты, кото­рые без него были бы слиш­ком туск­лы­ми для совре­мен­ных теле­ско­пов, но и помо­га­ет неза­ви­си­мо опре­де­лять кос­мо­ло­ги­че­ские пара­мет­ры. Ана­ли­зи­руя лин­зи­ро­ван­ные изоб­ра­же­ния, мож­но так­же боль­ше узнать и о самой лин­зе, напри­мер выяс­нить, как в ней рас­пре­де­ле­но веще­ство.

В 1964 году нор­веж­ский аст­ро­фи­зик Сюр Реф­сдал (Sjur Refsdal) опуб­ли­ко­вал корот­кую рабо­ту, в кото­рой пред­ска­зал, что осо­бен­но удоб­ным инстру­мен­том для реше­ния подоб­ных задач явля­ют­ся наблю­де­ния лин­зи­ро­ван­ных сверх­но­вых. Свет в раз­ных изоб­ра­же­ни­ях лин­зи­ро­ван­но­го объ­ек­та идет к наблю­да­те­лю раз­ны­ми путя­ми, име­ю­щи­ми раз­ную дли­ну. Соот­вет­ствен­но, если в объ­ек­те что-то слу­чи­лось, напри­мер про­изо­шла вспыш­ка сверх­но­вой, в раз­ных изоб­ра­же­ни­ях мы уви­дим это собы­тие в раз­ное вре­мя.

Реф­сдал в сво­ей рабо­те про­де­мон­стри­ро­вал, как мож­но опре­де­лить мас­су лин­зы и посто­ян­ную Хаб­б­ла по раз­ни­це вре­мен реги­стра­ции одно­го и того же собы­тия в раз­ных изоб­ра­же­ни­ях. В прин­ци­пе, в этих целях мож­но исполь­зо­вать не толь­ко сверх­но­вые, но и любые дру­гие объ­ек­ты с пере­мен­ным блес­ком, напри­мер ква­за­ры. Но для опре­де­ле­ния вре­ме­ни задерж­ки по кри­вым блес­ка (то есть по зави­си­мо­сти пото­ка излу­че­ния от вре­ме­ни) раз­ных лин­зи­ро­ван­ных изоб­ра­же­ний одно­го ква­за­ра тре­бу­ют­ся доволь­но дли­тель­ные наблю­де­ния — это необ­хо­ди­мо, что­бы досто­вер­но срав­ни­вать кри­вые блес­ка друг с дру­гом. Гораз­до удоб­нее рабо­тать с разо­вы­ми уси­ле­ни­я­ми ярко­сти, как при вспыш­ках сверх­но­вых.

В мар­те 2015 года Пат­рик Кел­ли (Patrick Kelly) с соав­то­ра­ми сооб­щил в жур­на­ле Science о том, что в нояб­ре 2014-го им уда­лось при помо­щи кос­ми­че­ско­го теле­ско­па «Хаб­бл» открыть первую лин­зи­ро­ван­ную сверх­но­вую. Звез­да вспых­ну­ла в спи­раль­ной галак­ти­ке на крас­ном сме­ще­нии 1,49.

На пути к зем­но­му наблю­да­те­лю ее свет про­хо­дит вбли­зи эллип­ти­че­ской галак­ти­ки из скоп­ле­ния MACS J1149.6+2223 на крас­ном сме­ще­нии 0,54 и испы­ты­ва­ет на ней гра­ви­та­ци­он­ное лин­зи­ро­ва­ние. В резуль­та­те мы видим не одно изоб­ра­же­ние сверх­но­вой, а четы­ре (безыс­кус­но обо­зна­чен­ные S1, S2, S3 и S4), почти сим­мет­рич­но рас­по­ло­жив­ши­е­ся вокруг эллип­ти­че­ской галак­ти­ки-лин­зы. Посколь­ку это пер­вый слу­чай обна­ру­же­ния кон­фи­гу­ра­ции, пред­ска­зан­ной Реф­сда­лом, авто­ры ста­тьи в Science пред­ло­жи­ли назвать сверх­но­вую его име­нем. Даль­ше начи­на­ет­ся самое инте­рес­ное: изоб­ра­же­ние роди­тель­ской галак­ти­ки сверх­но­вой Реф­сда­ла лин­зи­ру­ет­ся не толь­ко кон­крет­ной эллип­ти­че­ской галак­ти­кой, но и всем скоп­ле­ни­ем MACS J1149.6+2223.

И если эллип­ти­че­ская галак­ти­ка стро­ит несколь­ко изоб­ра­же­ний сверх­но­вой в одном изоб­ра­же­нии роди­тель­ской галак­ти­ки, то скоп­ле­ние в целом раз­мно­жа­ет изоб­ра­же­ния уже самой роди­тель­ской галак­ти­ки. Сверх­но­вая была вид­на толь­ко в одном из них (оно обо­зна­ча­ет­ся как 1.1). Зна­чит, реши­ли авто­ры, в осталь­ных изоб­ра­же­ни­ях сверх­но­вая либо уже угас­ла, либо еще не вспых­ну­ла.

Со вре­ме­ни выхо­да ста­тьи Кел­ли с соав­то­ра­ми было опуб­ли­ко­ва­но несколь­ко работ, авто­ры кото­рых попы­та­лись вос­про­из­ве­сти рас­пре­де­ле­ние мас­сы в скоп­ле­нии MACS J1149.6+2223 по наблю­де­ни­ям лин­зи­ро­ван­ной сверх­но­вой. Это весь­ма слож­ная зада­ча, так что выво­ды раз­ных работ доволь­но зна­чи­тель­но отли­ча­лись друг от дру­га. В част­но­сти, все согла­ша­лись с тем, что в четы­рех изоб­ра­же­ни­ях сверх­но­вой вре­мен­ная задерж­ка состав­ля­ет несколь­ко суток, но кон­крет­ные зна­че­ния задерж­ки и даже «оче­ред­ность» изоб­ра­же­ний S1–S4 в раз­ных моде­лях были раз­ны­ми.

На снимке области скопления галактик MACS J1149.6+2223 кружками обведены три изображения родительской галактики сверхновой Рефсдала. В ноябре 2014 года вспышка проявилась в нижнем изображении. В верхнем изображении ее можно было бы наблюдать много лет назад. В среднем изображении вспышка происходит в данный момент. Фото с сайта www.eso.org

На сним­ке обла­сти скоп­ле­ния галак­тик MACS J1149.6+2223 круж­ка­ми обве­де­ны три изоб­ра­же­ния роди­тель­ской галак­ти­ки сверх­но­вой Реф­сда­ла. В нояб­ре 2014 года вспыш­ка про­яви­лась в ниж­нем изоб­ра­же­нии. В верх­нем изоб­ра­же­нии ее мож­но было бы наблю­дать мно­го лет назад. В сред­нем изоб­ра­же­нии вспыш­ка про­ис­хо­дит в дан­ный момент. Фото с сай­та www.eso.org

Про­ана­ли­зи­ро­вав дру­гие изоб­ра­же­ния роди­тель­ской галак­ти­ки (обо­зна­ча­е­мые 1.2 и 1.3), авто­ры всех работ сошлись в том, что в изоб­ра­же­нии 1.3 вспыш­ка про­яви­лась уже дав­но — по раз­ным оцен­кам, от 9 до 17 лет назад. При­чем она была слиш­ком туск­лой, что­бы ее мож­но было отыс­кать на архив­ных сним­ках. Иное дело — изоб­ра­же­ние 1.2. В нем все пред­став­лен­ные моде­ли пред­ска­за­ли вспыш­ку сверх­но­вой в самом неда­ле­ком буду­щем (при­чем неко­то­рые из пред­ска­зан­ных дат уже мино­ва­ли).

Послед­ние оцен­ки [1–2], осно­ван­ные на деталь­ном изу­че­нии струк­ту­ры скоп­ле­ния MACS J1149.6+2223 при помо­щи теле­ско­пов VLT, спро­гно­зи­ро­ва­ли пик сле­ду­ю­щей вспыш­ки на март — июнь 2016 года, а нача­ло роста ярко­сти — и вовсе на конец 2015 года.

И ожи­да­ния оправ­да­лись! С кон­ца октяб­ря про­шло­го года теле­скоп «Хаб­бл» вре­мя от вре­ме­ни посмат­ри­вал в направ­ле­нии изоб­ра­же­ния 1.2, и наблю­де­ния, про­ве­ден­ные 11 декаб­ря 2015 года, пока­за­ли, что в нем появи­лась ожи­да­е­мая звез­доч­ка! Она воз­ник­ла имен­но там, где долж­на была, хотя и ока­за­лась несколь­ко более туск­лой, чем пред­ска­зы­ва­лось. Инте­рес­но отме­тить высо­чай­шую ско­рость под­го­тов­ки ста­тьи: она была выло­же­на в Arxiv через четы­ре дня после наблю­де­ний [3].

Не оста­лись забы­ты­ми и четы­ре исход­ных изоб­ра­же­ния. Весь год теле­скоп «Хаб­бл» сле­дил и за ними, что поз­во­ли­ло постро­ить для них кри­вые блес­ка, суще­ствен­но уточ­нив зна­че­ния вре­мен задерж­ки. Пер­вым (как пред­ска­зы­ва­ли и все преды­ду­щие моде­ли) идет изоб­ра­же­ние S1. За ним сле­ду­ют изоб­ра­же­ния S3 с опоз­да­ни­ем при­мер­но в один-два дня и S2 с опоз­да­ни­ем на 4–7 дней. Поз­же всех, с задерж­кой более чем на три неде­ли, про­яв­ля­ет­ся изоб­ра­же­ние S4, самое туск­лое из всех [4].

Воз­мож­ность пред­ска­за­ния вспыш­ки сверх­но­вой задол­го до ее реаль­но­го нача­ла при­влек­ла к себе зна­чи­тель­ное вни­ма­ние как сбыв­ше­е­ся «клас­си­че­ское» науч­ное пред­ска­за­ние, при­чем не в небес­ной меха­ни­ке, где точ­ны­ми пред­ска­за­ни­я­ми нико­го не уди­вишь, а в куда менее изу­чен­ной обла­сти. Наблю­де­ния сверх­но­вой Реф­сда­ла, по сути, ука­зы­ва­ют, что мы выхо­дим на новый уро­вень пред­ска­за­тель­ной точ­но­сти в столь слож­ной про­бле­ме, как гра­ви­та­ци­он­ное лин­зи­ро­ва­ние.

Сюр Рефсдал (Sjur Refsdal)Сюр Реф­сдал (Sjur Refsdal) — нор­веж­ский аст­ро­фи­зик. Родил­ся в Осло 30 декаб­ря 1935 года (в 2015-м ему испол­ни­лось бы 80 лет). С 1967-го по 1970 год зани­мал пози­цию адъ­юнкт-про­фес­со­ра в Уни­вер­си­те­те шта­та Небрас­ка (США). Там он встре­тил Аль­фре­да Вай­гер­та (Alfred Weigert) из Гам­бург­ской обсер­ва­то­рии (Гер­ма­ния), с чего нача­лось их пло­до­твор­ное сотруд­ни­че­ство в обла­сти эво­лю­ции звезд, про­длив­ше­е­ся до 1980-х годов. В 1970-м Реф­сдал полу­чил Ph.D. в Инсти­ту­те тео­ре­ти­че­ской аст­ро­фи­зи­ки Уни­вер­си­те­та Осло. В том же году он стал про­фес­со­ром Гам­бург­ской обсер­ва­то­рии и оста­вал­ся на этой пози­ции до ухо­да на пен­сию в 2001-м. После это­го он вер­нул­ся в род­ной город, где зани­мал пози­цию заслу­жен­но­го про­фес­со­ра Уни­вер­си­те­та Осло.

С 1964-го по 1970-й Реф­сдал опуб­ли­ко­вал шесть ста­тей, в кото­рых во мно­гом зало­жил осно­вы весь­ма зна­чи­тель­ной обла­сти аст­ро­фи­зи­ки, свя­зан­ной с изу­че­ни­ем гра­ви­та­ци­он­но­го лин­зи­ро­ва­ния. Напи­сан­ное им намно­го опе­ре­жа­ло вре­мя, и тогда его ста­тьи очень мало цити­ро­ва­лись. Толь­ко после откры­тия пер­вой гра­ви­та­ци­он­ной лин­зы в 1979 году ста­тьи Реф­сда­ла при­влек­ли вни­ма­ние кол­лег. Уже в 1964 году он пока­зал, как лин­зи­ро­ва­ние может слу­жить инстру­мен­том для изме­ре­ния ско­ро­сти рас­ши­ре­ния Все­лен­ной (посто­ян­ной Хаб­б­ла) и мас­сы галак­тик. Этот метод был назван мето­дом Реф­сда­ла.

В сере­дине 1960-х вме­сте с груп­пой кол­лег Реф­сдал про­вел несколь­ко иссле­до­ва­ний по раз­ви­тию кос­мо­ло­ги­че­ских моде­лей, кото­рые так­же ста­ли пио­нер­ски­ми. С кон­ца 1960-х Реф­сдал занял­ся моде­ля­ми внут­рен­не­го стро­е­ния звезд и их эво­лю­ции. Широ­ко цити­ру­ют­ся его ста­тьи о позд­них эта­пах эво­лю­ции звезд. В 1979 году Реф­сдал и его аспи­рант Кен­ге Чанг (Kyongae Chang) опуб­ли­ко­ва­ли в Nature пио­нер­скую рабо­ту по эффек­ту мик­ро­лин­зи­ро­ва­ния, в кото­ром роль гра­ви­та­ци­он­ной лин­зы игра­ют отдель­ные звез­ды и даже пла­не­ты. Этот эффект может при­ме­нять­ся для реше­ния самых раз­но­об­раз­ных задач: от откры­тия вне­сол­неч­ных пла­нет до из-уче­ния деталь­ной струк­ту­ры ква­за­ров.

Сюр Реф­сдал был чле­ном Нор­веж­ской ака­де­мии наук и лите­ра­ту­ры. В 2001 году за выда­ю­щи­е­ся иссле­до­ва­ния ему была вру­че­на пре­мия Нан­се­на, а в фев­ра­ле 2005-го он был награж­ден нор­веж­ской Коро­лев­ской меда­лью «За заслу­ги». Реф­сдал умер после про­дол­жи­тель­ной болез­ни 29 янва­ря 2009 года. У него оста­лись двое взрос­лых сыно­вей, Томас и Гун­нар Реф­сда­лы.

По мате­ри­а­лам «Вики­пе­дии», Гам­бург­ской обсер­ва­то­рии [5] и Инсти­ту­та аст­ро­фи­зи­ки в Осло [6].

Фото с сай­та www.mn.uio.no

1. http://arxiv.org/abs/1510.05750

2. http://arxiv.org/abs/1511.04093

3. http://arxiv.org/abs/1512.04654

4. http://arxiv.org/abs/1512.05734

5. www.hs.uni-hamburg.de/DE/Oef/Stw/Sjur_Refsdal.html

6. www.mn.uio.no/astro/forskning/aktuelt/aktuelle-saker/astronytt/2009/02/2009–02-02.html

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (Пока оценок нет)
Загрузка...
 
 

Метки: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

 

Один комментарий

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Недопустимы спам, оскорбления. Желательно подписываться реальным именем. Аватары - через gravatar.com