Астрономия последних лет: наступление по всем фронтам
19.04.2004 2:16 | С. Б. Попов, М. Е. Прохоров

Простая наукометрическая статистика показывает, что астрономия сейчас является одной из самых бурно развивающихся областей фундаментальных наук. Связано это с довольно простым фактом: астрономия еще может развиваться экстенсивно, т.е. мы можем делать все более и более крупные телескопы и спутники (физика элементарных частиц, например, такие возможности уже исчерпала). Опыт прошлых лет говорит, что каждое увеличение чувствительности телескопов в 10 раз приводит к новым непредсказуемым открытиям (и новым же вопросам!). Кроме того, астрономия заслуженно стала "лицом науки", поэтому ей уделяется особое внимание (что позитивно отражается на финансировании, особенно в США). Вспомните последние новости. Самые красивые картинки - это как правило изображения галактик, планетарных туманностей и т.п. Все это - возможность качественно развития аппаратуры и интерес со стороны общества - приводит к потоку интересных открытий и теорий. О некоторых достижениях последних лет мы постараемся рассказать ниже.

Красивые астрономические картинки (и другии фотографии туманностей и галактик)

Сразу надо оговориться. Любой "список достижений", подобный составленому нами, неизбежно субъективен. Тем не менее, основной перечень "главных направлений наступления" достаточно очевиден: космология и внегалактическая астрономия, экзопланеты, астрофизика высоких энергий (здесь сознательно исключены исследования Солнечной системы). Попробуем кратко описать главные результаты последних двух лет. Более подробную информацию (включая оригинальные работы) можно найти в Интернете (например, в наших астрофизических обзорах).

Компактная космическая лаборатория

Пожалуй с точки зрения широкой публики наиболее захватывающие воображение области астрономии это космология, изучение черных дыр и исследования экзопланет. Поэтому оставим "вкусное на третье", и начнем с астрофизики высоких энергий: с исследований нейтронных звезд и космических взрывов, которые на самом деле ни чуть не менее интересны.

Uhuru (1970-1973)	Einstein (1978-1981)	Compton (1991-2000)	Chandra (1999-...)	XMM-Newnon (1999-...)
Астрофизические рентгеновские обсверватории (и их полный алфавитный список)

Для физика Вселенная интересна как лаборатория, позволяющая исследовать экзотические процессы, недостижимые на земных установках. Одними из самых эффективных и экзотичных космических лабораторий являются нейтронные звезды: они позволяют проверять общую теорию относительности, исследовать поведение вещества при сверхвысоких плотностях и в сверхсильных магнитных полях.

рентгеновский пульсар в паре с массивным сверхгигантом класса B0.5

Напомним, что это компактные остатки эволюции массивных звезд, вещество в которых сжато до плотности, превосходящей ядерную: масса в полторы солнечной содержится в шарике с радиусом около 10 километров. Поведение вещества при столь высокой плотности неизвестно. Теоретики создали множество моделей (включая т.н. модели кваркового вещества), однако для их проверки необходимо научиться точно определять хотя бы такие параметры нейтронных звезд, как масса и радиус. И здесь последнее слово за наблюдателями, которые стараются изо всех сил. Важным недавним достижением стало уточнение массы нейтронной звезды в двойной системе Vela X-1. Большая измеренная масса (около двух солнечных) позволяет отбросить некоторые из конкурирующих теорий. Появляется все больше кандидатов в кварковые звезды (однако, пока это лишь кандидаты).

нейтронные звезды обладают сильными и сверхсильными (до 1015 Гс) магнитными полями

Кроме высокой плотности нейтронные звезды выделяются еще и тем, что являются "самыми сильными магнитами во Вселенной". Поля этих объектов в миллионы миллионов раз превосходят магнитное поле Земли или Солнца! Благодаря новым рентгеновским спутникам по наблюдениям спектров нейтронных звезд мы имеем возможность непосредственно измерять эти гигантские поля. В 2002-2003 гг. сразу для нескольких объектов с помощью спутников RXTE, XMM-Newton и Chandra были получены данные, позволяющие определить их магнитные поля. Они оказались в сотни раз больше, чем поля наблюдаемые у большинства обычных радиопульсаров.

Напомним, что за исследования нейтронных звезд уже было вручено две нобелевские премии. Первая (в 1974) - за открытие радиопульсаров. Вторая (в 1993) была присуждена за открытие двойной нейтронной звезды: радиопульсара в паре с другой нейтронной звездой. В такой системе можно изучать тонкие эффекты Общей теории относительности. Нейтронные звезды в этой системе сближаются за счет излучения гравитационных волн, пока наконец не сольются. Слияние приведет к мощному взрыву, который будет сопровождаться всплеском гравитационного излучения и, возможно, коротким гамма-всплеком. Для поиска гравитационных всплесков сейчас построены одни из самых дорогих и сложных научных приборов за всю историю человечества - лазерные интерферометры LIGO (есть также несколько менее крупных проектов, кроме того в Италии под Пизой строится европейская установка VIRGO). Проектировали LIGO исходя из достаточно пессимистических оценок частоты слияний нейтронных звезд. Но открытие нового двойного радиопульсара, сделанное в 2003 г., позволяет надеяться, что всплески будут в несколько раз более частыми, чем ожидалось ранее. Причем новая двойная - это долгожданная система с двумя радиопульсарами (отметим, что это результат также связан с новыми детекторами и системами обработки данных). Теперь в течение нескольких лет удасться проверить теорию относительности с небывалой точностью. Кроме того, пульсары как бы "просвечивают" друг друга, это дает надежду на прогресс в понимании механизма излучения пульсара. Так что, кто знает, может быть будет и третья премия за исследования этих удивительных нейтронных звезд.

Космические взрывы

Учителя химии прекрасно знают, что дети любят все взрывать. Стоит на секундочку отвернуться, и ..... К счастью, "звезды детям - не игрушка", ведь самые мощные взрывы в природе связаны именно с финальными стадиями жизни массивных звезд. Теория взрыва вообще очень сложна, а в астрономии в добавок практически никогда нет информации о том, что же взорвалось. И астрофизики, как эксперты-криминалисты, по остаткам взрывов и изображениям вспышки пытаются реконструировать "адскую машину".

модель источника гамма-всплеска: толстый аккреционный тор вокруг черной дыры и два релятивистских джета

Кривые блеска SN разных типов (из курса Д.Мура)

В последние годы астрофизикам удалось существенно улучшить расчеты взрывов. Благодаря современным телескопам, на архивных снимках удается найти изображение звезды до взрыва. Сейчас ученым уже удается неплохо моделировать кривые блеска и спектры сверхновых. Однако, в этой науке появилось неожиданное новшество. Новые наблюдения указывают на то, что космические гамма-всплески, являвшиеся самой жгучей загадкой в астрофизике на протяжении примерно 30 лет, могут быть связаны со сверхновыми. Причем, по всей видимости взрыв, приводящий к гамма-всплеску не симметричен, а сопровождается образованием двух струй вещества (см. рисунок справа), движущихся в противоположные стороны с околосветовой скоростью. В результате работы спутника HETE-2 появились новые данные, указывающие на то, что у гамма-всплесков есть "родственники" - т.н. рентгеновские вспышки. Значит, нужно увязывать все в единую картину (и сверхновые, и гамма-всплески и рентгеновские вспышки...), а это всегда непросто.

Зияющие высоты

Согласно наиболее популярным моделям гамма-всплеск связан с образованием черной дыры. Потому теперь поговорим о них. Часто спрашивают: "Открыты ли черные дыры?" Ответ будет расплывчатым. Дело в том, что в астрономии мы не можем ничего "потрогать руками". Все, что мы видим, - это излучение. А в случае черных дыр оно всегда приходит из некоторой окрестности компактного объекта. Поэтому путем введения экзотических моделей при желании можно избежать использования черных дыр в объяснении. Как правило, все что могут сказать астрономы, это то, что в определенном объеме заключена некоторая масса. О существовании черных дыр мы говорим, когда "черная дыра - это самая консервативная гипотеза", т.е. для объяснения наблюдений без использования черных дыр приходиться прибегать к экзотическим (и непроверенным!) гипотезам. Пожалуй, сейчас с наибольшей уверенностью мы можем говорить о существовании черной дыры в центре нашей Галактики.

движение звезд в центре Галактики (и "фильм")

Недавние наблюдения позволили заключить, что в чрезвычайно малой области в центре Млечного Пути находится темный объект с массой, равной примерно трем миллионам масс Солнца. Масса этого объекта была определена по наблюдениям движения звезд в центре Галактики (см. рисунок справа). Без введения очень "экзотичной экзотики" ничем кроме черной дыры он быть не может. "Нашу" сверхмассивную черную дыру активно наблюдают. В 2003 г. были открыты вспышки в инфракрасном диапазоне от этого объекта. На сегодняшний день это одна из самых изученных черных дыр во Вселенной.

Обладая центральной черной дырой, наша Галактика является не исключением, а правилом. Сейчас известно уже более сотни галактик со сверхмассивными черными дырами с массами до нескольких миллиардов масс Солнца. Так что просто черной дырой уже никого не удивишь. Но в 2002-2003 гг. стали открывать системы с двойными сверхмассивными черными дырами! Такие монстры образуются в результате слияния галактик, в центре каждой из которых была своя черная дыра. Черные дыры будут сближаться сначала за счет динамического трения (о звезды), затем за счет гравитационного излучения (как две нейтронные звезды), и в конце концов сольются. Было бы здорово зафиксировать такой гравитационный всплеск, но даже перед самым слиянием такие черные дыры излучают гравитационные волны низкой частоты для регистрации которых надо строить космический интерферометр. Проект его уже существует и называется LISA. Если планы не изменятся, то примерно через 7-8 лет он будет запущен.

Вселенная как она есть

В нашей статье мы движемся в сторону все больших и больших масштабов, и теперь самое время поговорить о космологии. Здесь последние годы - это годы непрерывного прогресса. Ограничимся описанием двух проектов и связанными с ними результатами. Начнем со спутника WMAP.

Космология стоит на четырех китах: исследования расширения Вселенной, исследования микроволнового реликтового излучения, первичный нуклеосинтез и изучение крупномасштабной структуры.

карта анизотропии реликтового излучения по WMAP

Как известно, в 1998 г., изучая на основе наблюдений далеких сверхновых динамику расширения Вселенной, астрономы пришли к выводу о существовании т.н. "темной энергии" и ускорении расширения Вселенной. Это было очень важное (хочется сказать революционное) открытие. Но наука должна быть консервативной, было необходимо подтвердить этот результат независимыми методами. Спутник WMAP был запущен в 2001 г. для изучения реликтового излучения. Оно несет на себе отпечаток условий, существовавших в прямом смысле "на заре Вселенной". Результаты, полученные на WMAP, позволили существенно уточнить все основные космологические параметры. В частности, подтвердилось существование "темной энергии". Также данные WMAP дали новый толчок исследованиям образования первых звезд и квазаров. Дело в том, что после того, как Вселенная немного остыла, и стало возможным формирование звезд и галактик, первые мощные источники излучения (массивные звезды и квазары) снова нагрели вещество. Этот новый нагрев (и ионизация) наложили отпечаток на наблюдаемый спутником WMAP микроволновый фон (карта неба по данным WMAP показана на рисунке справа). По сути астрономы впервые получили прямые данные о первых излучающих объектах в истории Вселенной.

Другой интересной работой, не получившей впрочем подтверждения, но вызвавшей бурные дискуссии, была статья группы французских и американских ученых, которые попытались объяснить некоторые особенности реликтового излучения, наблюдаемого на WMAP и других приборах, необычной (додекаэдральной) топологией Вселенной. К сожалению в этой статье нельзя в деталях рассказать об этом направлении исследований. Подробнее об этой работе и проблеме топологии нашего мира можно почитать, например, на сайте Астронет.

Создаваемые нами теории строения и эволюции Вселенной характеризуются несколькими важными величинами: возраст Вселенной, средняя плотность различных составляющих и т.п. Как правило для возможно более точного определения всех этих космологических параметров используют данные нескольких разных экспериментов.

3D-карта 200 000 "близких" галактик

Например, данные по реликтовому фону, данные по сверхновым и данные по крупномасштабной структуре. Для получения последних недавно было проведено несколько важных обзорных программ. Выделим среди них Слоановский цифровой обзор неба (www.sdss.org). В ходе программы получены красные смещения нескольких сот тысяч (!) галактик на большой части неба. Это позволило построить наиболее подробную трехмерную карту распределения внегалактических объектов (см. рисунок справа). Также было проведено несколько обзоров, призванных дать информацию о распределении по красным смещениям более далеких галаткик, чем наблюдавшиеся в Слоановском обзоре, но подобные проекты пока можно реализовывать только для небольших участков небесной сферы.

Все вместе эти наблюдения вводят нас в эру "точной космологии". Это не значит, что все проблемы в изучении эволюции Вселенной будут в скором времени решены. Но уровень нашего понимания развития нашего мира сильно возрос за последние годы.

Планеты для зеленых человечков

Мы поговорили о нейтронных звездах и черных дырах, о взрывах звезд и о Большом взрыве. Тем не менее для многих людей наиболее интересными исследованиями являются те, которые так или иначе связаны с возможностью существования жизни во Вселенной. Здесь наибольший реальный прогресс существует в области изучения экзопланет.

К настоящему моменту открыто уже более 100 планет, вращающихся вокруг других звезд. Однако радоваться рано. Все это планеты-гиганты, похожие больше на Юпитер, чем на Землю. Причем, все это т.н. "горячие юпитеры". Так их называют потому, что они располагаются очень близко от своих звезд, примерно как Меркурий от Солнца или еще ближе.

прохождение испаряющегося Осириса по диску звезды

Это очень необычно, т.к. ожидалось, что другие системы будут похожи на нашу. Теперь скорее приходится говорить о необычности нашей системы, где планеты-гиганты находятся далеко от центрального светила. Отметим, что существующие сейчас способы регистрации экзопланет не позволили бы открыть планету типа Земли около звезды, подобной Солнцу (слишком легкая планета и слишком яркая звезда), открывать горячие юпитеры гораздо проще. Скорее всего, с появлением новых телескопов и спутников, специально сконструированных для поиска земноподобных планет, появятся и "сестры Земли". Основной прогресс связан с совершенствованием методики наблюдений и с поиском механизмов образования таких систем.

Одним из последних чрезвычайно интересных открытий явилось обнаружение "испарающейся планеты". Ее назвали Осирис. Наблюдая с помощью Космического телескопа один из горячих юпитеров, вращающийся вокруг звезды, похожей на Солнце, ученые обнаружили, что планета теряет внешние слои - испаряется... Возможно, что после испарения значительной части внешних слоев останется твердое ядро. Такие гипотетические объекты назвали "хтоническими планетами".

... и на прощание

Мы попытались кратко перечислить области, в которых за последние годы был достигнут наибольший прогресс. Многое неизбежно не попало в этот список, о многом было сказано слишком кратко. Но все в ваших руках. Информации много, и найти ее достаточно легко. Хочется только напоследок предостеречь от использования "непроверенных источников". Старайтесь читать материалы, написанные профессиональными учеными или журналистами, специализирующимися на популяризации науки.

(Статья написана на основе материалов, подготовленных Сергеем Поповым для журнала Школьное обозрение.)