Астрофизика‑2020

Сергей Попов

За год в астрофизической части Архива () появилось около 15 тыс. статей. Это, конечно, снова , 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, . Однако начнем с «плановых» результатов.

Всё по плану
Закончился третий научный сеанс наблюдений на и Virgo
Рис. 1. Рост числа зарегистрированных слияний на установках LIGO/Virgo за три сеанса научных наблюдений
Рис. 1. Рост числа зарегистрированных слияний на установках LIGO/Virgo за три сеанса научных наблюдений

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 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 имеют массы до 2,1 солнечной, а черные дыры редко когда обладают массой менее 4–5 масс Солнца.

Рис. 2. Сапфировое зеркало установки KAGRA в криогенной системе подвеса. (c) Rohan Mehra, provided via ICRR, Univ. of Tokyo
Рис. 2. Сапфировое зеркало установки KAGRA в криогенной системе подвеса. (c) Rohan Mehra, provided via ICRR, Univ. of Tokyo

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.

Рис. 3. Спутник Gaia. Коллаж
Рис. 3. Спутник Gaia. Коллаж. esa.int

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.

Рис. 4. Карта всего неба в галактических координатах, полученная с помощью телескопа ART-XC в диапазоне энергий 4–12 кэВ 8.12.2019–10.06.2020. Отмечены все зарегистрированные события. Для данного изображения размер исходного пикселя был увеличен в сто раз, поэтому слабые источники скрыты фоном
Рис. 4. Карта всего неба в галактических координатах, полученная с помощью телескопа ART-XC в диапазоне энергий 4–12 кэВ 8.12.2019–10.06.2020. Отмечены все зарегистрированные события. Для данного изображения размер исходного пикселя был увеличен в сто раз, поэтому слабые источники скрыты фоном

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
Рис. 5. Транзит планеты в системе белого карлика WD1856+534. Из работы [10]
Рис. 5. Транзит планеты в системе белого карлика WD1856+534. Из работы [10]
Более привычный метод планет — транзитный [8]. Именно его используют сейчас спутники TESS и CHEOPS (см. описание работы и первых успехов CHEOPS [9]). «Открыватель» — именно TESS, вот он-то и отличился, обнаружив очень хорошего (пусть и слегка странного) кандидата в экзопланеты у белого карлика [10]. Довольно много объектов этого типа было включено в программу наблюдений космического аппарата — и в случае WD1856+534 наконец повезло. Был обнаружен транзит, однако необычный. Дело в том, что белые карлики имеют размер порядка земного, а планетный кандидат относится к гигантам, т. е. его размер раз в 10 больше. Более вероятным было бы полное затмение бывшей звезды, но транзит «скользящий»: поток падает не полностью, а лишь примерно вдвое. Но уж как есть. Это первое столь прямое обнаружение настолько крупного спутника планетной массы у белого карлика (рис. 5).

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 . А вот красный или белый — не подходят (рис. 6).

Впервые планета обнаружена астрометрическим методом с помощью радионаблюдений
Рис. 6. Слева — рентгеновское изображение галактики M51. Справа выделенный квадрат представлен крупно уже по данным оптических наблюдений. Указано положение рентгеновского источника. Из работы [11]
Рис. 6. Слева — рентгеновское изображение галактики M51. Справа выделенный квадрат представлен крупно уже по данным оптических наблюдений. Указано положение рентгеновского источника. Из работы [11]
Наконец, мое самое любимое экзопланетное открытие 2020 года сделали радиоастрономы. Среди множества методов открытия экзопланет раньше всего начали пытаться работать с астрометрическим, но до недавнего времени было лишь несколько так до конца и не подтвержденных кандидатов. Идея метода очень проста. Под действием гравитации планет звезда совершает периодические движения вокруг центра масс всей системы — значит, можно просто увидеть изменение положения звезды на небе. Астрометрия, детка! Только вот точность нужна ого-го какая! Когда вы читаете эти строки, спутник Gaia продолжает наблюдения, и через несколько лет у нас будут тысячи планет, открытых таким методом. А пока… Пока необходимую точность определения положения звезды получили радиоастрономы.

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 . 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 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.

Радиотелескоп «Аресибо»
«Аресибо»
Мы хотим все рекордов

Перед тем как перейти к главной теме года — пара рекордов. Во-первых, самый мощный квазар [21]. В этой штуковине сидит (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 ­!

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 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!

  1. arXiv:2010.14527
  2. arXiv:2009.01190
  3. arXiv:2006.12611
  4. arXiv:2012.01533
  5. arXiv:2012.05840
  6. arXiv:2012.11607
  7. arXiv:2012.11754
  8. arXiv:2009.12377
  9. arXiv:2009.11633
  10. arXiv:2009.07282
  11. arXiv:2009.08987
  12. arXiv:2008.01595
  13. arXiv:2009.06593
  14. arXiv:2009.06499
  15. arXiv:2009.06474
  16. arXiv:2010.14305
  17. arXiv:2011.08176
  18. arXiv:2012.05844
  19. arXiv:2006.09721
  20. arXiv:2009.04496
  21. arXiv:2005.06868
  22. arXiv:2004.05840
  23. arXiv:2001.10275
  24. arXiv:2003.03596
  25. arXiv:2004.14029
  26. arXiv:2005.13160
  27. arXiv:2008.12488
  28. arXiv:2001.03595
  29. arXiv:2012.08372
  30. arXiv:2005.10324
  31. arXiv:2005.10828
  32. arXiv:2005.11178
  33. arXiv:2011.00171

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

См. также:

Подписаться
Уведомление о
guest
3 Комментария(-ев)
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
ричард
ричард
9 месяцев(-а) назад

«Выделить можно пару результатов, связанных с нетипичными массами черных дыр (под типичными здесь в первую очередь подразумеваются массы объектов, наблюдаемых в галактических рентгеновских двойных).» По-моему, наоборот, можно выделить пару типичных:GW151226 и GW170608.
https://arxiv.org/abs/1901.03345v1(fig.1).

Валерий Морозов
8 месяцев(-а) назад

Не понимаю ажиотажа вокруг обнаружения фосфина. Простейшее соединение фосфора. Никого же не удивляет присутствие аммиака в атмосферах планет.

Валерий Морозов
8 месяцев(-а) назад

Интерес представляет столкновение «черных дыр» с большой разностью масс. Только так можно проверить соответствие гравитационного поля решению Шварцшильда. Насколько черные дыры являются черными.

Только малое тело может тестировать поле вблизи массивного тела. Близкие по массе тела будут деформироваться приливными силами и сливаться на расстояниях больших, чем удвоенный гравитационный радиус. Отклонения от ОТОшного решения, если оно есть может быть как раз на расстояниях меньших гравитационного радиуса. Проникновение пробного тела в эту зону возможно если оно заметно меньше гравитационного радиуса большой компоненты пары тел.

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (5 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: