Тайна Планеты Х и самый яркий квазар на звездном небе

Какие загадки придется решить ученым для доказательства существования Планеты X? Как увидеть самый яркий квазар и объять необъятное небо? Что осталось неясным в открытии гравитационных волн и чем это грозит человечеству? Об этом и многом другом — в астрообзоре открытий января и февраля от «Ленты.ру».

Волнение умов

Пожалуй, уже все успели узнать, что гравитационные волны — это распространяющиеся со скоростью света периодические вариации метрики пространства-времени. Их источник — движение массивных, то есть обладающих массой, тел. Причем почти любое движение в реальной Вселенной. Так, все мы сами ежедневно производим гравитационные волны (даже просто крутясь на офисном кресле), пусть и исчезающе малой амплитуды.

За заумным, но строгим научным определением гравитационных волн скрывается на самом деле не очень сложное явление. В нашем пространстве действует правило: каждой паре точек с известными координатами можно сопоставить положительное число — расстояние между этими точками. Это правило называется метрикой. Самый простой вариант метрики всем известен со школы — теорема Пифагора для прямоугольного треугольника:

l² = (Δx)² + (Δy)²

Квадрат длины отрезка (гипотенузы) равен сумме квадратов проекций этого отрезка на координатные оси декартовой системы координат (катетов). Это так называемая евклидова метрика, и это закон геометрии для фигур на плоской поверхности. Однако представьте себе треугольник, вершины которого Москва, Астана и поселок Крутинка в Омской области.

Этот треугольник тоже (почти) прямоугольный в системе географических координат на поверхности Земли: Крутинка находится практически на той же широте, что Москва, и той же долготе, что Астана. Длина гипотенузы такого треугольника — 2170 километров, расстояние между Москвой и Астаной. Но это меньше корня из суммы квадратов его катетов (2240 километров), поскольку Земля не плоская и законы школьной геометрии на ее поверхности, строго говоря, не выполняются. Теорему Пифагора в данном случае необходимо подправить:

l² = a ⋅(Δx)² + b ⋅(Δy)²

Тут a и b — отличные от единицы коэффициенты. Более того, a и b зависят от географических координат. То есть метрика может быть не только евклидовой в разных частях Вселенной. Суть общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна как раз в том и заключается, что любое тело, обладающее массой, вызывает изменение метрики рядом с собой, что в результате воспринимается нами как возникновение силы гравитации.

Если при этом тело движется по замкнутой траектории, то в какой-то ее точке метрика будет периодически меняться (то есть a и b уже не константы в данной точке). Аккуратное решение уравнений ОТО показывает, что эти изменения будут как бы отрываться от источника и распространяться по Вселенной со скоростью света. Это и есть гравитационные волны.

Всплеском отзовется

Гравитационные волны — еще один источник информации о процессах, происходящих во Вселенной. Создание радио- и рентгеновских телескопов в XX веке позволило увидеть те подробности жизни звезд и галактик, что раньше были принципиально недоступны. А о некоторых явлениях (вроде космических гамма-всплесков) люди даже не подозревали. Теперь умение «слушать небо» при помощи гравволн обещает сильно пополнить человеческие знания о космосе. Уже сейчас опубликовано более трех десятков работ по следам совершенного открытия.

Сам всплеск GW150914 наверняка был порожден слиянием двух черных дыр с массами 29 и 36 масс Солнца. Иначе характер принятого сигнала (длительность, частоту, амплитуду) не объяснить. К слову, ГВ-сигналы от разных астрофизических систем были промоделированы уже очень давно. Мы ждали именно того, что увидели. Поэтому некоторые ученые считают событие GW150914 еще и чуть ли не последней точкой доказательства существования черных дыр. Так что это открытие — двойное.

Авторы открытия (коллаборация LIGO) в другой статье отмечают, что большие массы слившихся ЧД (в 2-3 раза больше средней ЧД, наблюдаемой в нашей галактике) означают их происхождение от изначально очень массивных звезд — около ста масс Солнца каждая. Но такие звезды, скорее всего, активно теряют массу в течение своей жизни посредством собственного «звездного ветра».

Что мешает образоваться очень тяжелой ЧД? Можно было бы предположить, что существовали две не очень массивные ЧД, родившиеся независимо. А слились они при случайной встрече (например, в плотном звездном скоплении), предварительно набрав массу, наглотавшись обычных звезд. К такому сценарию, правда, есть вопросы.

С другой стороны, возможно, что просто доля элементов тяжелее гелия в той галактике, где сформировалась эта массивная двойная, была сравнительно мала. Этот параметр заметно влияет на эволюцию звезды, но зависит от того, как давно эта система образовалась. Если сравнительно недавно, то было ли у ее компонентов достаточно времени для слияния (весь процесс, видимо, занял несколько миллиардов лет)? И это только часть вопросов, которыми сейчас заняты ученые. Ответы на них накладывают новые ограничения на физику эволюции очень массивных (двойных) звезд.

Хотя это могли быть не две звезды, а одна! Дело вот в чем: сразу после регистрации гравитационных волн информация об этом событии была (почти секретно) отправлена нескольким десяткам обсерваторий, включая космические, для поиска возможного сопутствующего электромагнитного сигнала.

Слияние двух нейтронных звезд, например, можно не только «услышать» на ГВ-детекторе, но и увидеть во вполне традиционный телескоп в разных диапазонах длин волн. А вот слияние двух ЧД должно пройти в этом смысле тихо. (Ну, или темно.) Однако космическая гамма-обсерватория им. Ферми через 0,4 секунды после GW150914 зарегистрировала слабый секундный всплеск гамма-излучения в той области неба, откуда предположительно пришли гравитационные волны. (Причем надо понимать, что размер этой «области неба» несколько больше всего созвездия Ориона.) И это, по-видимому, единственный электромагнитный источник, который можно заподозрить в связи с той парой черных дыр (результаты не всех наблюдателей еще опубликованы).

В принципе, этот гамма-всплеск мог возникнуть из-за вещества, окружавшего двойную ЧД до слияния (межзвездного или своего, оставшегося после двух вспышек сверхновых). Если так, то, как показали японские авторы, мы можем найти в архивах наблюдений и радио- и оптический всплески, достигшие максимума в течение первых суток после GW150914. С другой стороны, как пишет астрофизик из Гарварда Ави Леб, вполне возможно, что мы наблюдали коллапс одной массивной быстровращающейся звезды, ядро которой по ходу процесса разделилось на две части, превратившиеся в две черные дыры и тут же слившиеся. И это, вероятно, еще не самый экзотический вариант. Волнение умов продолжается.

Яркий квазар такой яркий

Во Вселенной нельзя просто так взять и создать сколь угодно яркий источник.

Под яркостью астрономы понимают количество электромагнитной энергии, излучаемой единицей поверхности источника в секунду. Так, плафон из матового стекла, внутри которого светит лампочка, менее яркий, нежели лампочка сама по себе. Хотя полная светимость в обоих случаях примерно одинакова (если пренебречь поглощением света в стекле).

С точки зрения физики, слишком яркий источник излучения означает, что в нем, в очень маленьком объеме пространства, одновременно находятся очень много квантов света. То есть речь идет об очень большой плотности электромагнитной энергии. И вот она-то в разных астрофизических процессах имеет естественные ограничения, зависящие от конкретной физики системы.

Например, радиоизлучение квазаров — активных ядер далеких галактик, представляющих собой сверхмассивные черные дыры, поглощающие окружающую их материю, — не что иное, как излучение релятивистских электронов, двигающихся в магнитном поле. Если этих фотонов достаточно много (яркость квазара высока), те же электроны часто «сталкиваются» с порожденными ими радиофотонами, передавая им часть своей энергии. И переводя их из радиодиапазона в оптический, а то и рентгеновский.

Но рентгеновские фотоны гораздо легче и быстрее забирают у электронов энергию, становясь уже гамма-фотонами, которые забирают еще больше и еще быстрее и... в результате поток электронов почти полностью опустошается (в энергетическом смысле) и более не может производить первоначальное радиоизлучение. То есть яркий радиоисточник заведомо гаснет. Это в физике получило название комптоновской катастрофы. Яркость радиоисточников астрономы привыкли измерять в единицах температуры — Кельвинах. (И пусть вас это не смущает — измеряем же мы расстояние в годах, а массу — в электрон-вольтах). По теории, максимальная яркостная температура «обычного» радиоисточника составляет примерно 10¹² (один триллион) градусов. И если измеренная температура оказывается выше, то, значит, перед нами необычный источник, что гораздо интересней.

Для того чтобы узнать яркостную температуру, необходимо измерить реальный размер источника. Единственный прямой способ это сделать — посмотреть на него в телескоп с очень высокой разрешающей способностью. То есть увидеть источник в деталях. А для этого нужен телескоп как можно большего диаметра. Сто метров. Или лучше сто километров. А еще лучше сто тысяч километров. Такие телескопы (точнее, их системы) — радиоинтерферометры со сверхдлинной базой (РСДБ), в которых несколько антенн синхронно наблюдают один и тот же объект.

Самые длинные базы сегодня реализуются в рамках проекта «Радиоастрон» — международной космической обсерватории, находящейся на вытянутой орбите с перигеем до 350 тысяч километров. В начале 2013 года этот телескоп совместно с несколькими крупнейшими наземными антеннами (включая 300-метровый телескоп в Аресибо) наблюдал квазар 3C273, первый из открытых квазаров и самый яркий на звездном небе.

Результаты наблюдений опубликованы только сейчас. Сумев выделить отдельные, ранее неразрешимые детали этого источника, ученые получили новую оценку яркостной температуры его излучения. Оказалось, что она превосходит теоретический предел в 10¹² К как минимум в несколько раз.

И это уже не объяснить без привлечения особого, не вполне понятного механизма излучения. К слову, для других известных радиоисточников — пульсаров — сверхвысокая яркостная температура (на порядки больше предела) вообще обычное дело. Это большая проблема. А вот теперь некое темное облачко (в виде небольшого яркого пятнышка) образовалось и в нашем понимании аккрецирующих сверхмассивных черных дыр — квазаров.

Девятая планета и старая добрая классика

Как вы думаете, с какой точностью мы знаем пространственное положение планет в Солнечной системе и, соответственно, можем его предсказывать? Разумеется, для разных тел результат разный, но в среднем это сотни, а то и десятки метров (положение Луны мы отслеживаем с точностью около 1 сантиметра).

Такая точность возможна благодаря радиолокационным методам «отслеживания» как самих планет, так и орбитальных станций вроде Venus Express (для Венеры), Messenger (для Меркурия), Cassini (для Сатурна) и так далее.

Столь высокая точность нужна как для межпланетных полетов (попробуйте удаленно посадить спускаемый аппарат на четырехкилометровое ядро кометы), так и для особо тонких наблюдений астрономических источников (чтобы учесть поправки из-за движения Земли, например).

В основе моделей движения планет — только известные объекты, законы (основной — закон всемирного тяготения) и большое количество реальных наблюдений, накопленных за десятилетия. Поэтому любое утверждение о том, что в Солнечной системе существует еще одно, незамеченное ранее массивное небесное тело, должно быть сформулировано так, чтобы не противоречить имеющимся данным. Ведь чем массивнее тело, тем сильнее оно возмущает движение уже известных планет, что приводит к отклонению от смоделированной траектории.

По сути, именно так и был открыт Нептун. Англичанин Адамс и француз Леверье просто вычислили его положение из того, что Уран (самая дальняя из известных тогда планет) существенно отклонялся от предсказанной траектории. Предсказанной, разумеется, без учета Нептуна.

Свежая работа французских астрономов посвящена недавно заподозренной девятой, дальней планете нашей системы, на существование которой указывают особенности орбитального движения нескольких объектов пояса Койпера. Масса этой планеты, как предполагается, на порядок больше земной, что немало. И если она есть, то должна вносить возмущения в движение известных планет не больше, чем на те самые десятки и сотни метров — иначе ее давно бы, что называется, вычислили.

Французы показали, что добавление девятой массивной планеты с соответствующими характеристиками в модель солнечной системы приводит к довольно большим различиям с реальными наблюдениями. Но это не значит, что планеты нет.

Есть несколько «окон» в орбите девятой планеты, в которых она не может сильно повлиять на внутреннюю часть Солнечной системы. И что особенно интересно — движение Сатурна (а именно наблюдения за этой планетой анализировались французами по большей части) удается объяснить даже немного лучше, если предположить, что на него влияет удаленное массивное небесное тело планета, расположенное во вполне определенном месте. (И совершенно не там, где ее собирались искать при помощи японского телескопа «Субару»). Все это позволяет сузить область поиска.

Ждем новых результатов.