Astronomiya poslednih let: nastuplenie po vsem frontam
19.04.2004 2:16 | S. B. Popov, M. E. Prohorov

Prostaya naukometricheskaya statistika pokazyvaet, chto astronomiya seichas yavlyaetsya odnoi iz samyh burno razvivayushihsya oblastei fundamental'nyh nauk. Svyazano eto s dovol'no prostym faktom: astronomiya eshe mozhet razvivat'sya ekstensivno, t.e. my mozhem delat' vse bolee i bolee krupnye teleskopy i sputniki (fizika elementarnyh chastic, naprimer, takie vozmozhnosti uzhe ischerpala). Opyt proshlyh let govorit, chto kazhdoe uvelichenie chuvstvitel'nosti teleskopov v 10 raz privodit k novym nepredskazuemym otkrytiyam (i novym zhe voprosam!). Krome togo, astronomiya zasluzhenno stala "licom nauki", poetomu ei udelyaetsya osoboe vnimanie (chto pozitivno otrazhaetsya na finansirovanii, osobenno v SShA). Vspomnite poslednie novosti. Samye krasivye kartinki - eto kak pravilo izobrazheniya galaktik, planetarnyh tumannostei i t.p. Vse eto - vozmozhnost' kachestvenno razvitiya apparatury i interes so storony obshestva - privodit k potoku interesnyh otkrytii i teorii. O nekotoryh dostizheniyah poslednih let my postaraemsya rasskazat' nizhe.

Krasivye astronomicheskie kartinki (i drugii fotografii tumannostei i galaktik)

Srazu nado ogovorit'sya. Lyuboi "spisok dostizhenii", podobnyi sostavlenomu nami, neizbezhno sub'ektiven. Tem ne menee, osnovnoi perechen' "glavnyh napravlenii nastupleniya" dostatochno ocheviden: kosmologiya i vnegalakticheskaya astronomiya, ekzoplanety, astrofizika vysokih energii (zdes' soznatel'no isklyucheny issledovaniya Solnechnoi sistemy). Poprobuem kratko opisat' glavnye rezul'taty poslednih dvuh let. Bolee podrobnuyu informaciyu (vklyuchaya original'nye raboty) mozhno naiti v Internete (naprimer, v nashih astrofizicheskih obzorah).

Kompaktnaya kosmicheskaya laboratoriya

Pozhalui s tochki zreniya shirokoi publiki naibolee zahvatyvayushie voobrazhenie oblasti astronomii eto kosmologiya, izuchenie chernyh dyr i issledovaniya ekzoplanet. Poetomu ostavim "vkusnoe na tret'e", i nachnem s astrofiziki vysokih energii: s issledovanii neitronnyh zvezd i kosmicheskih vzryvov, kotorye na samom dele ni chut' ne menee interesny.

Uhuru (1970-1973)	Einstein (1978-1981)	Compton (1991-2000)	Chandra (1999-...)	XMM-Newnon (1999-...)
Astrofizicheskie rentgenovskie obsvervatorii (i ih polnyi alfavitnyi spisok)

Dlya fizika Vselennaya interesna kak laboratoriya, pozvolyayushaya issledovat' ekzoticheskie processy, nedostizhimye na zemnyh ustanovkah. Odnimi iz samyh effektivnyh i ekzotichnyh kosmicheskih laboratorii yavlyayutsya neitronnye zvezdy: oni pozvolyayut proveryat' obshuyu teoriyu otnositel'nosti, issledovat' povedenie veshestva pri sverhvysokih plotnostyah i v sverhsil'nyh magnitnyh polyah.

rentgenovskii pul'sar v pare s massivnym sverhgigantom klassa B0.5

Napomnim, chto eto kompaktnye ostatki evolyucii massivnyh zvezd, veshestvo v kotoryh szhato do plotnosti, prevoshodyashei yadernuyu: massa v poltory solnechnoi soderzhitsya v sharike s radiusom okolo 10 kilometrov. Povedenie veshestva pri stol' vysokoi plotnosti neizvestno. Teoretiki sozdali mnozhestvo modelei (vklyuchaya t.n. modeli kvarkovogo veshestva), odnako dlya ih proverki neobhodimo nauchit'sya tochno opredelyat' hotya by takie parametry neitronnyh zvezd, kak massa i radius. I zdes' poslednee slovo za nablyudatelyami, kotorye starayutsya izo vseh sil. Vazhnym nedavnim dostizheniem stalo utochnenie massy neitronnoi zvezdy v dvoinoi sisteme Vela X-1. Bol'shaya izmerennaya massa (okolo dvuh solnechnyh) pozvolyaet otbrosit' nekotorye iz konkuriruyushih teorii. Poyavlyaetsya vse bol'she kandidatov v kvarkovye zvezdy (odnako, poka eto lish' kandidaty).

neitronnye zvezdy obladayut sil'nymi i sverhsil'nymi (do 1015 Gs) magnitnymi polyami

Krome vysokoi plotnosti neitronnye zvezdy vydelyayutsya eshe i tem, chto yavlyayutsya "samymi sil'nymi magnitami vo Vselennoi". Polya etih ob'ektov v milliony millionov raz prevoshodyat magnitnoe pole Zemli ili Solnca! Blagodarya novym rentgenovskim sputnikam po nablyudeniyam spektrov neitronnyh zvezd my imeem vozmozhnost' neposredstvenno izmeryat' eti gigantskie polya. V 2002-2003 gg. srazu dlya neskol'kih ob'ektov s pomosh'yu sputnikov RXTE, XMM-Newton i Chandra byli polucheny dannye, pozvolyayushie opredelit' ih magnitnye polya. Oni okazalis' v sotni raz bol'she, chem polya nablyudaemye u bol'shinstva obychnyh radiopul'sarov.

Napomnim, chto za issledovaniya neitronnyh zvezd uzhe bylo vrucheno dve nobelevskie premii. Pervaya (v 1974) - za otkrytie radiopul'sarov. Vtoraya (v 1993) byla prisuzhdena za otkrytie dvoinoi neitronnoi zvezdy: radiopul'sara v pare s drugoi neitronnoi zvezdoi. V takoi sisteme mozhno izuchat' tonkie effekty Obshei teorii otnositel'nosti. Neitronnye zvezdy v etoi sisteme sblizhayutsya za schet izlucheniya gravitacionnyh voln, poka nakonec ne sol'yutsya. Sliyanie privedet k moshnomu vzryvu, kotoryi budet soprovozhdat'sya vspleskom gravitacionnogo izlucheniya i, vozmozhno, korotkim gamma-vsplekom. Dlya poiska gravitacionnyh vspleskov seichas postroeny odni iz samyh dorogih i slozhnyh nauchnyh priborov za vsyu istoriyu chelovechestva - lazernye interferometry LIGO (est' takzhe neskol'ko menee krupnyh proektov, krome togo v Italii pod Pizoi stroitsya evropeiskaya ustanovka VIRGO). Proektirovali LIGO ishodya iz dostatochno pessimisticheskih ocenok chastoty sliyanii neitronnyh zvezd. No otkrytie novogo dvoinogo radiopul'sara, sdelannoe v 2003 g., pozvolyaet nadeyat'sya, chto vspleski budut v neskol'ko raz bolee chastymi, chem ozhidalos' ranee. Prichem novaya dvoinaya - eto dolgozhdannaya sistema s dvumya radiopul'sarami (otmetim, chto eto rezul'tat takzhe svyazan s novymi detektorami i sistemami obrabotki dannyh). Teper' v techenie neskol'kih let udast'sya proverit' teoriyu otnositel'nosti s nebyvaloi tochnost'yu. Krome togo, pul'sary kak by "prosvechivayut" drug druga, eto daet nadezhdu na progress v ponimanii mehanizma izlucheniya pul'sara. Tak chto, kto znaet, mozhet byt' budet i tret'ya premiya za issledovaniya etih udivitel'nyh neitronnyh zvezd.

Kosmicheskie vzryvy

Uchitelya himii prekrasno znayut, chto deti lyubyat vse vzryvat'. Stoit na sekundochku otvernut'sya, i ..... K schast'yu, "zvezdy detyam - ne igrushka", ved' samye moshnye vzryvy v prirode svyazany imenno s final'nymi stadiyami zhizni massivnyh zvezd. Teoriya vzryva voobshe ochen' slozhna, a v astronomii v dobavok prakticheski nikogda net informacii o tom, chto zhe vzorvalos'. I astrofiziki, kak eksperty-kriminalisty, po ostatkam vzryvov i izobrazheniyam vspyshki pytayutsya rekonstruirovat' "adskuyu mashinu".

model' istochnika gamma-vspleska: tolstyi akkrecionnyi tor vokrug chernoi dyry i dva relyativistskih dzheta

Krivye bleska SN raznyh tipov (iz kursa D.Mura)

V poslednie gody astrofizikam udalos' sushestvenno uluchshit' raschety vzryvov. Blagodarya sovremennym teleskopam, na arhivnyh snimkah udaetsya naiti izobrazhenie zvezdy do vzryva. Seichas uchenym uzhe udaetsya neploho modelirovat' krivye bleska i spektry sverhnovyh. Odnako, v etoi nauke poyavilos' neozhidannoe novshestvo. Novye nablyudeniya ukazyvayut na to, chto kosmicheskie gamma-vspleski, yavlyavshiesya samoi zhguchei zagadkoi v astrofizike na protyazhenii primerno 30 let, mogut byt' svyazany so sverhnovymi. Prichem, po vsei vidimosti vzryv, privodyashii k gamma-vsplesku ne simmetrichen, a soprovozhdaetsya obrazovaniem dvuh strui veshestva (sm. risunok sprava), dvizhushihsya v protivopolozhnye storony s okolosvetovoi skorost'yu. V rezul'tate raboty sputnika HETE-2 poyavilis' novye dannye, ukazyvayushie na to, chto u gamma-vspleskov est' "rodstvenniki" - t.n. rentgenovskie vspyshki. Znachit, nuzhno uvyazyvat' vse v edinuyu kartinu (i sverhnovye, i gamma-vspleski i rentgenovskie vspyshki...), a eto vsegda neprosto.

Ziyayushie vysoty

Soglasno naibolee populyarnym modelyam gamma-vsplesk svyazan s obrazovaniem chernoi dyry. Potomu teper' pogovorim o nih. Chasto sprashivayut: "Otkryty li chernye dyry?" Otvet budet rasplyvchatym. Delo v tom, chto v astronomii my ne mozhem nichego "potrogat' rukami". Vse, chto my vidim, - eto izluchenie. A v sluchae chernyh dyr ono vsegda prihodit iz nekotoroi okrestnosti kompaktnogo ob'ekta. Poetomu putem vvedeniya ekzoticheskih modelei pri zhelanii mozhno izbezhat' ispol'zovaniya chernyh dyr v ob'yasnenii. Kak pravilo, vse chto mogut skazat' astronomy, eto to, chto v opredelennom ob'eme zaklyuchena nekotoraya massa. O sushestvovanii chernyh dyr my govorim, kogda "chernaya dyra - eto samaya konservativnaya gipoteza", t.e. dlya ob'yasneniya nablyudenii bez ispol'zovaniya chernyh dyr prihodit'sya pribegat' k ekzoticheskim (i neproverennym!) gipotezam. Pozhalui, seichas s naibol'shei uverennost'yu my mozhem govorit' o sushestvovanii chernoi dyry v centre nashei Galaktiki.

dvizhenie zvezd v centre Galaktiki (i "fil'm")

Nedavnie nablyudeniya pozvolili zaklyuchit', chto v chrezvychaino maloi oblasti v centre Mlechnogo Puti nahoditsya temnyi ob'ekt s massoi, ravnoi primerno trem millionam mass Solnca. Massa etogo ob'ekta byla opredelena po nablyudeniyam dvizheniya zvezd v centre Galaktiki (sm. risunok sprava). Bez vvedeniya ochen' "ekzotichnoi ekzotiki" nichem krome chernoi dyry on byt' ne mozhet. "Nashu" sverhmassivnuyu chernuyu dyru aktivno nablyudayut. V 2003 g. byli otkryty vspyshki v infrakrasnom diapazone ot etogo ob'ekta. Na segodnyashnii den' eto odna iz samyh izuchennyh chernyh dyr vo Vselennoi.

Obladaya central'noi chernoi dyroi, nasha Galaktika yavlyaetsya ne isklyucheniem, a pravilom. Seichas izvestno uzhe bolee sotni galaktik so sverhmassivnymi chernymi dyrami s massami do neskol'kih milliardov mass Solnca. Tak chto prosto chernoi dyroi uzhe nikogo ne udivish'. No v 2002-2003 gg. stali otkryvat' sistemy s dvoinymi sverhmassivnymi chernymi dyrami! Takie monstry obrazuyutsya v rezul'tate sliyaniya galaktik, v centre kazhdoi iz kotoryh byla svoya chernaya dyra. Chernye dyry budut sblizhat'sya snachala za schet dinamicheskogo treniya (o zvezdy), zatem za schet gravitacionnogo izlucheniya (kak dve neitronnye zvezdy), i v konce koncov sol'yutsya. Bylo by zdorovo zafiksirovat' takoi gravitacionnyi vsplesk, no dazhe pered samym sliyaniem takie chernye dyry izluchayut gravitacionnye volny nizkoi chastoty dlya registracii kotoryh nado stroit' kosmicheskii interferometr. Proekt ego uzhe sushestvuet i nazyvaetsya LISA. Esli plany ne izmenyatsya, to primerno cherez 7-8 let on budet zapushen.

Vselennaya kak ona est'

V nashei stat'e my dvizhemsya v storonu vse bol'shih i bol'shih masshtabov, i teper' samoe vremya pogovorit' o kosmologii. Zdes' poslednie gody - eto gody nepreryvnogo progressa. Ogranichimsya opisaniem dvuh proektov i svyazannymi s nimi rezul'tatami. Nachnem so sputnika WMAP.

Kosmologiya stoit na chetyreh kitah: issledovaniya rasshireniya Vselennoi, issledovaniya mikrovolnovogo reliktovogo izlucheniya, pervichnyi nukleosintez i izuchenie krupnomasshtabnoi struktury.

karta anizotropii reliktovogo izlucheniya po WMAP

Kak izvestno, v 1998 g., izuchaya na osnove nablyudenii dalekih sverhnovyh dinamiku rasshireniya Vselennoi, astronomy prishli k vyvodu o sushestvovanii t.n. "temnoi energii" i uskorenii rasshireniya Vselennoi. Eto bylo ochen' vazhnoe (hochetsya skazat' revolyucionnoe) otkrytie. No nauka dolzhna byt' konservativnoi, bylo neobhodimo podtverdit' etot rezul'tat nezavisimymi metodami. Sputnik WMAP byl zapushen v 2001 g. dlya izucheniya reliktovogo izlucheniya. Ono neset na sebe otpechatok uslovii, sushestvovavshih v pryamom smysle "na zare Vselennoi". Rezul'taty, poluchennye na WMAP, pozvolili sushestvenno utochnit' vse osnovnye kosmologicheskie parametry. V chastnosti, podtverdilos' sushestvovanie "temnoi energii". Takzhe dannye WMAP dali novyi tolchok issledovaniyam obrazovaniya pervyh zvezd i kvazarov. Delo v tom, chto posle togo, kak Vselennaya nemnogo ostyla, i stalo vozmozhnym formirovanie zvezd i galaktik, pervye moshnye istochniki izlucheniya (massivnye zvezdy i kvazary) snova nagreli veshestvo. Etot novyi nagrev (i ionizaciya) nalozhili otpechatok na nablyudaemyi sputnikom WMAP mikrovolnovyi fon (karta neba po dannym WMAP pokazana na risunke sprava). Po suti astronomy vpervye poluchili pryamye dannye o pervyh izluchayushih ob'ektah v istorii Vselennoi.

Drugoi interesnoi rabotoi, ne poluchivshei vprochem podtverzhdeniya, no vyzvavshei burnye diskussii, byla stat'ya gruppy francuzskih i amerikanskih uchenyh, kotorye popytalis' ob'yasnit' nekotorye osobennosti reliktovogo izlucheniya, nablyudaemogo na WMAP i drugih priborah, neobychnoi (dodekaedral'noi) topologiei Vselennoi. K sozhaleniyu v etoi stat'e nel'zya v detalyah rasskazat' ob etom napravlenii issledovanii. Podrobnee ob etoi rabote i probleme topologii nashego mira mozhno pochitat', naprimer, na saite Astronet.

Sozdavaemye nami teorii stroeniya i evolyucii Vselennoi harakterizuyutsya neskol'kimi vazhnymi velichinami: vozrast Vselennoi, srednyaya plotnost' razlichnyh sostavlyayushih i t.p. Kak pravilo dlya vozmozhno bolee tochnogo opredeleniya vseh etih kosmologicheskih parametrov ispol'zuyut dannye neskol'kih raznyh eksperimentov.

3D-karta 200 000 "blizkih" galaktik

Naprimer, dannye po reliktovomu fonu, dannye po sverhnovym i dannye po krupnomasshtabnoi strukture. Dlya polucheniya poslednih nedavno bylo provedeno neskol'ko vazhnyh obzornyh programm. Vydelim sredi nih Sloanovskii cifrovoi obzor neba (www.sdss.org). V hode programmy polucheny krasnye smesheniya neskol'kih sot tysyach (!) galaktik na bol'shoi chasti neba. Eto pozvolilo postroit' naibolee podrobnuyu trehmernuyu kartu raspredeleniya vnegalakticheskih ob'ektov (sm. risunok sprava). Takzhe bylo provedeno neskol'ko obzorov, prizvannyh dat' informaciyu o raspredelenii po krasnym smesheniyam bolee dalekih galatkik, chem nablyudavshiesya v Sloanovskom obzore, no podobnye proekty poka mozhno realizovyvat' tol'ko dlya nebol'shih uchastkov nebesnoi sfery.

Vse vmeste eti nablyudeniya vvodyat nas v eru "tochnoi kosmologii". Eto ne znachit, chto vse problemy v izuchenii evolyucii Vselennoi budut v skorom vremeni resheny. No uroven' nashego ponimaniya razvitiya nashego mira sil'no vozros za poslednie gody.

Planety dlya zelenyh chelovechkov

My pogovorili o neitronnyh zvezdah i chernyh dyrah, o vzryvah zvezd i o Bol'shom vzryve. Tem ne menee dlya mnogih lyudei naibolee interesnymi issledovaniyami yavlyayutsya te, kotorye tak ili inache svyazany s vozmozhnost'yu sushestvovaniya zhizni vo Vselennoi. Zdes' naibol'shii real'nyi progress sushestvuet v oblasti izucheniya ekzoplanet.

K nastoyashemu momentu otkryto uzhe bolee 100 planet, vrashayushihsya vokrug drugih zvezd. Odnako radovat'sya rano. Vse eto planety-giganty, pohozhie bol'she na Yupiter, chem na Zemlyu. Prichem, vse eto t.n. "goryachie yupitery". Tak ih nazyvayut potomu, chto oni raspolagayutsya ochen' blizko ot svoih zvezd, primerno kak Merkurii ot Solnca ili eshe blizhe.

prohozhdenie isparyayushegosya Osirisa po disku zvezdy

Eto ochen' neobychno, t.k. ozhidalos', chto drugie sistemy budut pohozhi na nashu. Teper' skoree prihoditsya govorit' o neobychnosti nashei sistemy, gde planety-giganty nahodyatsya daleko ot central'nogo svetila. Otmetim, chto sushestvuyushie seichas sposoby registracii ekzoplanet ne pozvolili by otkryt' planetu tipa Zemli okolo zvezdy, podobnoi Solncu (slishkom legkaya planeta i slishkom yarkaya zvezda), otkryvat' goryachie yupitery gorazdo proshe. Skoree vsego, s poyavleniem novyh teleskopov i sputnikov, special'no skonstruirovannyh dlya poiska zemnopodobnyh planet, poyavyatsya i "sestry Zemli". Osnovnoi progress svyazan s sovershenstvovaniem metodiki nablyudenii i s poiskom mehanizmov obrazovaniya takih sistem.

Odnim iz poslednih chrezvychaino interesnyh otkrytii yavilos' obnaruzhenie "isparayusheisya planety". Ee nazvali Osiris. Nablyudaya s pomosh'yu Kosmicheskogo teleskopa odin iz goryachih yupiterov, vrashayushiisya vokrug zvezdy, pohozhei na Solnce, uchenye obnaruzhili, chto planeta teryaet vneshnie sloi - isparyaetsya... Vozmozhno, chto posle ispareniya znachitel'noi chasti vneshnih sloev ostanetsya tverdoe yadro. Takie gipoteticheskie ob'ekty nazvali "htonicheskimi planetami".

... i na proshanie

My popytalis' kratko perechislit' oblasti, v kotoryh za poslednie gody byl dostignut naibol'shii progress. Mnogoe neizbezhno ne popalo v etot spisok, o mnogom bylo skazano slishkom kratko. No vse v vashih rukah. Informacii mnogo, i naiti ee dostatochno legko. Hochetsya tol'ko naposledok predosterech' ot ispol'zovaniya "neproverennyh istochnikov". Staraites' chitat' materialy, napisannye professional'nymi uchenymi ili zhurnalistami, specializiruyushimisya na populyarizacii nauki.

(Stat'ya napisana na osnove materialov, podgotovlennyh Sergeem Popovym dlya zhurnala Shkol'noe obozrenie.)