Какие переменные объекты можно увидеть в гамма-диапазоне и почему это так важно для астрономов? Следует ли ожидать в марте следующего года астрономический фейерверк, вызванный падением облака газа массой около одной земной на сверхмассивную черную дыру в центре нашей галактики, или нет? Наконец, какой процент сбоев в системе электроснабжения вызван солнечной активностью? Об этом и многом другом читайте в свежем обзоре астрономических препринтов на «Ленте.ру».
Переменное небо
Большой коллектив авторов, работающих с телескопом Ферми, выложил на сервере препринтов arXiv.org результаты поиска переменных в гамма-диапазоне объектов (то есть объектов, чье излучение в этом диапазоне периодически меняется во времени). На основе четырех лет наблюдений ученые обнаружили 215 переменных источников, довольно значительно меняющих свою яркость на временном масштабе порядка недели. Большинство из них астрофизики отождествили с уже известными объектами, а для остальных — указали их вероятную физическую природу. Из результатов можно выделить два. Во-первых, природа одного из объектов так и осталась неясна. Во-вторых, «переменности» не обнаружили у некоторых объектов, для которых она ожидалась — в частности, для центра Галактики и молодых нейтронных звезд. Однако обо всем по порядку.
Иллюстрация к методу поиска переменных источников в данных телескопа им. Ферми. Сверху – усредненное изображение неба за неделю наблюдений. Посередине – то же самое, но за 4 года. Внизу – их разность. Яркие пятна на разностной карте соответствуют положению переменных источников.
M. Ackermann et al. 2013
Переменная яркость космических источников — это не только один из классических и важнейших каналов информации об их природе, но и важный инструмент астрономии в целом. Опосредованно переменные объекты позволяют изучать и свойства других астрофизических систем. Например, переменные звезды цефеиды, которые активно изучаются с позапрошлого века, помогают измерять расстояния во Вселенной. Сегодня же, в эпоху «всеволновой астрономии», когда нам стало доступно небо не только в видимом свете, но и в других диапазонах длин волн, перед астрономами возникают задачи описания переменных объектов как раз-таки в этих других диапазонах — задачи, аналогичные тем, что стояли перед их предшественниками полтора века назад.
Международный космический телескоп Ферми, выведенный на орбиту в 2008 году, был создан для наблюдения в гамма-диапазоне за такими объектами, как активные ядра галактик, черные дыры, нейтронные звезды, остатки вспышек сверхновых и прочие. Он уже принес ученым немало открытий (например, знаменитые «пузыри Ферми») и собрал достаточно большой массив наблюдений всего неба. Среди этих данных астрономы и искали переменные источники гамма-излучения.
Телескоп Ферми (изначально аппарат назывался GLAST) был запущен в космос 11 июня 2008 года. Он движется вокруг Земли по орбите высотой 550 километров. Общая стоимость проекта составляет 690 миллионов долларов.
Метод поиска таких источников, примененный авторами статьи, прост. Сперва для каждой площадки неба вычислялась ее средняя за четыре года наблюдений яркость. Затем эта величина сравнивалась с яркостью, усредненной уже всего за одну неделю. И так для каждой недели из анализируемого интервала времени. Если средний за неделю световой поток от какой-то области неба значимо менялся по сравнению со средним за четыре года, делался вывод, что в этом месте находится переменный источник, для которого сразу же становились известны его координаты и «кривая блеска» (история изменения яркости со временем). Характерный период переменности, форма и амплитуды кривой блеска помогают установить физическую природу обнаруженного источника. Кроме того, имеет смысл проверить наличие известных объектов в этой же области неба, изучавшихся ранее в других диапазонах длин волн.
Таким образом было обнаружено 215 источников, переменных на масштабе в одну неделю. 192 из них оказались объектами, которые на телескопе уже наблюдались независимо, без исследования вопроса об их переменности. 177 из них, в свою очередь, являются активными ядрами галактик — то есть сверхмассивными черными дырами, на которые падает окружающее вещество. К таким объектам относятся, например, квазары с плоским спектром излучения (Flat-Spectrum Radio Quasar, FSRQ) и лацертиды. Последние также являются ядрами далеких галактик, но имеют некоторые особенности. Названы они по имени классического их представителя — объекта BL созвездия Ящерицы, по-латински — Lacertae.
Из оставшихся 27 объектов семь удалось отождествить с известными источниками внутри нашей Галактики (как правило, это нейтронные звезды). Еще девятнадцать, по-видимому, имеют внегалактическое происхождение и также являются активными ядрами галактик. А природа одного источника осталась невыясненной — для этого требуется больше наблюдений в других диапазонах длин волн.
Отдельно авторы отмечают и то, что в ходе этого поиска не было обнаружено переменности у молодых нейтронных звезд, за исключением пульсара в Крабовидной туманности PSR B0531+21 (в созвездии Тельца). По видимому, такие объекты не проявляют особенной переменной активности в гамма-диапазоне. Кроме того, авторы не обнаружили вспышек, приходящих из центра Галактики, которые являлись бы подтверждением того, что жесткие кванты из этого региона возникают в ходе падения вещества на сверхмассивную черную дыру.
В дальнейшем авторы предполагают провести поиск переменности гамма-излучения в тех же имеющихся данных, но уже на других временных отрезках — часах, днях и месяцах.
Точка G2
Американские астрономы провели наблюдения любопытного объекта G2 — одного из ближайших к центру нашей Галактики, где, в свою очередь, находится сверхмассивная черная дыра (ЧД). Наблюдения проводились на паре десятиметровых телескопов Кека на Гавайских островах. В результате ученые, во-первых, смогли уточнить движение этого объекта и выяснить, что в марте следующего года он пройдет на расстоянии всего в 130 астрономических единиц (одна астрономическая единица равна среднему расстоянию от Земли до Солнца) от черной дыры. А во-вторых, уточнили природу этого объекта: по-видимому, это газовое облако, содержащее в центре небольшую звезду.
Движение объекта G2 по наблюдениям на комплексе VLT с 2002 по 2011 год. Сам объект на каждом изображении указан желтой стрелкой. Белым крестом отмечен центр Галактики -- положение сверхмассивной черной дыры
S. Gillesen et al. 2011
Объект, получивший обозначение G2, был открыт два года назад в наблюдениях на комплексе 8-метровых телескопов VLT (Very Large Telescope) в Европейской южной обсерватории в Чили. Вернее, тогда американо-немецкая группа ученых сообщила о результатах исследования этого объекта, продолжавшихся по крайней мере десять лет. Исходя из своих наблюдений, первооткрыватели пришли к выводу, что они имеют дело с небольшим (превышающим массу Земли всего в три раза), холодным (550 градусов Кельвина, или 277 градусов Цельсия) газовым облаком, которое движется к центральной сверхмассивной черной дыре нашей Галактики со скоростью более двух тысяч километров в секунду. И это при том, что в наблюдениях 2004 года измеренная скорость этого объекта составляла лишь 1200 километров в секунду. Таким образом, по первоначальным оценкам, уже этим летом G2 должен был пройти вблизи черной дыры на расстоянии в 270 астрономических единиц. Проход такого объекта в сильном гравитационном поле вполне мог привести к тому, что он был бы разорван приливными силами с последующим выпадением вещества на черную дыру. Что, в свою очередь, должно было сопровождаться сильным всплеском излучения в разных диапазонах. Было весьма вероятно, что у ученых появился шанс непосредственно наблюдать событие аккреции вещества на сверхмассивную черную дыру и, в дополнение, лучше изучить окрестности центра нашей Галактики.
Поэтому не удивительно, что открытие G2 привело астрономов в некое возбуждение и на ближайшее лето уже было запланировано более 30 наблюдательных программ по изучению этого явления. Однако теперь в них, по-видимому, придется внести коррективы. Новые результаты наблюдений на телескопах Кека позволили уточнить орбиту G2 вокруг центральной черной дыры. Теперь, как заявляют авторы, наибольшее сближение этих объектов следует ожидать в марте следующего года. Но при этом расстояние, на которое G2 подойдет к ЧД, будет в два раза меньше, чем оценивалось первоначально, и составит 130 астрономических единиц. То есть это в 130 раз больше, чем расстояние от Солнца до Земли. (Размер же самой черной дыры составляет доли астрономической единицы).
Кроме того, авторы выяснили, что орбита G2 очень сильно вытянута. Такие орбиты скорее характерны для звезд, оторванных гравитационным полем черной дыры от пролетавших мимо двойных систем. Поэтому возможно, что G2 не просто маломассивное газовое облако (c массой, сравнимой с массой Земли), а облако, в центре которого находится небольшая звезда. Астрофизики готовы предложить несколько вариантов сценария появления подобного объекта в центральной области Галактики. Если гипотеза о звезде верна, то это может означать, что астрономы не получат феерического зрелища падения объекта на сверхмассивную черную дыру в марте следующего года.
В самом деле, если мы имеем дело лишь с маленьким газовым облаком, то оно, скорее всего, сформировалось недавно и мы сумели его заметить в короткий промежуток времени между образованием и выпадением на черную дыру. Если же, наоборот, это звезда, то скорее всего она находится на своей орбите уже достаточно давно, а стало быть, уже не один раз пережила проход вблизи черной дыры. Нам известно, что звезды могут подходить к ЧД в центре нашей Галактики даже на более близкое расстояние — например, объект S14 из той же области прошел мимо ЧД на расстоянии всего в 70 астрономических единиц.
Так что если этот вопрос и не выяснится в ближайшее время, то через год природа в любом случае все расставит на свои места.
Как бы еще взорвать?
Астрофизики из Израиля и США предложили новый способ возникновения сверхновых — правда, не в стандартном смысле этого слова. Но речь все равно идет о драматическом событии в жизни звезды, которое сопровождается мощной вспышкой излучения, сопоставимой с той, что дают реальные сверхновые — коллапсирующие ядра массивных звезд. Активное участие в новом сценарии принимают сверхмассивные черные дыры.
Собственно термином «сверхновая звезда» астрофизики обозначают явление взрыва звезды, например, вследствие коллапса ее ядра (это сверхновые второго типа). Такой взрыв происходит по той причине, что со временем термоядерное топливо (легкие элементы — водород и прочие) в звезде иссякает и давление в термоядерном «котле» уже более не может противостоять самогравитации, стремящейся стянуть звезду в точку. Это сопровождается мощным выбросом вещества и яркой вспышкой излучения, медленно спадающего в течение последующих нескольких месяцев. Вообще, первоначально термином «сверхновая» называлось резкое увеличение яркости звезды — физическая природа этого явления стала понятна только во второй трети двадцатого века.
И вот авторы новой работы предлагают сценарий взаимодействия звезд, который приведет к наблюдению подобного рода вспышки. Выглядит он следующим образом. Если в центре галактики, рядом с центральной сверхмассивной черной дырой, пролетит двойная звезда, то приливным взаимодействием от черной дыры гравитационная связь ее компонентов может быть разорвана. Система распадется. Одна из звезд при этом с большой скоростью покинет область, близкую к дыре, а вторая звезда останется на достаточно близкой к дыре орбите (как раз таким способом мог бы образоваться и объект G2, о котором шла речь в предыдущей работе). Таким образом, в районе черной дыры образуется своеобразная зона-ловушка для звезд из пролетающих рядом двойных систем. И со временем пойманных звезд в этой зоне будет становиться все больше. И в какой-то момент их станет настолько много, что вероятность столкновения там двух звезд окажется весьма велика. И именно такое столкновение породит в наблюдениях вспышку, похожую на вспышку сверхновой.
И, в принципе, ее можно будет отличить от обычных сверхновых, и авторы даже указывают как. Такие объекты вполне смогут наблюдаться в таких будущих и уже действующих обзорах, как Pan-STARRS, Palomar Transient Factory, LSST.
Там, где ярче
Трое астрофизиков из Польши попытались объяснить свойства высокоэнергичного излучения шаровых звездных скоплений. В качестве базовой гипотезы они использовали идею о том, что такое излучение в шаровых скоплениях возникает благодаря множеству находящихся в них нейтронных звезд. Смоделированные спектры гамма-излучения для двух конкретных скоплений достаточно хорошо совпали с реальными наблюдениями.
Зачастую изучаемые в астрономии явления имеют настолько сложную природу, что для того, чтобы их удовлетворительно объяснить, необходимо привлекать знания (или модели) из разных областей этой науки. Именно такая ситуация возникает и в данной работе. Авторы предприняли попытку объяснить особенности гамма-излучения, наблюдаемого от шаровых звездных скоплений (ШЗС), — потока очень энергетических квантов, с энергиями в миллиарды раз большими, чем у квантов видимого света. ШЗС представляют собой плотные, относительно компактные (всего 100-200 световых лет) скопления звезд, связанных между собой гравитацией и насчитывающих несколько миллионов членов. Плотность звезд в таких скоплениях может в тысячи раз превосходить таковую в окрестностях нашей Солнечной системы. В целом эти объекты являются довольно старыми, по галактическим меркам, звездными системами. Они состоят из звезд, образовавшихся в эпоху детства Галактики, и потому помогают нам изучать те далекие времена.
Шаровое звездное скопление 47 Тукана
ESO
Однако население ШЗС состоит не только из обычных звезд, но и из довольно экзотических объектов нескольких типов. Например, таких, как нейтронные звезды. Причем в некоторых конкретных скоплениях (как в 47 Тукана, изучавшемся в данной работе) количество последних может быть весьма велико. Будучи по своей природе релятивистскими объектами, они обладают сильнейшими магнитными полями, порождают потоки сверхбыстрых заряженных частиц и квантов высокоэнергетического излучения. И тем самым существенно влияют на наблюдаемые свойства своего «домашнего» звездного скопления в целом. И в силу того, что в небольшом объеме скопления находится много нейтронных звезд, их вклады в, например, гамма-излучение от скопления суммируются. И изучать таковое, в результате, становится легче, так как столь компактная область пространства становится ярче в гамма-диапазоне. Поэтому изучение ШЗС методами гамма-астрономии, в каком-то смысле, является изучением и свойств нейтронных звезд, устройство которых еще во многом непонятно и которые на сегодня являются одними из наиболее актуальных объектов в астрофизике.
Собственно, утверждение о том, что гамма-излучение от шаровых звездных скоплений определяется находящимися в них нейтронными звездами (а точнее, миллисекундными радиопульсарами), является пока еще гипотезой. Объяснить свойства этого излучения означает объяснить в рамках выбранной физической модели его спектр — то есть распределение квантов по энергиям, которое можно непосредственно измерить в наблюдениях. Сегодня в таких диапазонах наблюдают либо на космических телескопах типа уже упоминавшегося телескопа Ферми, либо на так называемых черенковских телескопах типа установки H.E.S.S. в Намибии.
Существуют два механизма, связанные с нейтронными звездами и способные породить гамма-кванты в рамках шаровых скоплений. Во-первых, это собственно гамма-излучение, рожденное в магнитосфере нейтронной звезды. Так называется область вблизи нейтронной звезды, в которой имеет место гигантское магнитное поле. А во-вторых, это свет звезд скопления, рассеянный на сверхбыстрых заряженных частицах, выбрасываемых нейтронной звездой. В момент такого рассеяния энергия частицы передается фотону, что позволяет сделать из кванта обычного видимого света мощный гамма-квант. (Такое явление называется обратным комптоновским рассеянием.)
Спектр гамма-квантов, рожденных в каждом из этих механизмов, зависит от свойств магнитосферы нейтронной звезды и вида распределения по энергиям частиц, вылетающих с ее поверхности. Авторы данной работы использовали конкретные физические модели, описывающие и то, и другое. На их основе они моделировали спектр гамма-излучения для двух конкретных скоплений — 47 Тукана и Терзан 5. Последнее скопление находится в созвездии Стрельца и известно тем, что содержит наибольшее (среди других скоплений) количество наблюдаемых миллисекундных пульсаров. Авторам удалось удовлетворительно описать спектры обоих скоплений, за исключением самой высокоэнергетической части спектра Терзан 5, которая определяется квантами в триллион (1012) раз более жесткими, чем кванты видимого света. Вероятно, за эту часть спектра ответственен какой-то другой, дополнительный механизм, который еще предстоит найти.
Тем не менее, в остальном жесткие кванты от выбранных скоплений вполне объясняются в рамках выбранной модели содержащихся в них миллисекундных пульсаров. Сама по себе эта модель достаточно сложная, чтобы о ней можно было коротко рассказать в рамках подобного обзора. Но именно тот факт, что авторам удалось связать столь сложную физическую модель с наблюдениями, делает данную работу одной из наиболее интересных за последнее время.
Не совсем астрономия
Иногда в разделе астрономических статей архива электронных препринтов библиотеки Корнельского университета появляются работы, которые не относятся напрямую к астрофизике, но так или иначе связаны с исследованиями объектов Вселенной. Вот короткое резюме двух подобных работ, вышедших в последние несколько недель.
Солнце
SOHO/NASA
Первая из них это заметка двух инженеров компании Lockheed Martin, принятая к печати в Journal of Space Weather and Space Climate. Под космической погодой обычно понимают воздействие потоков заряженных частиц, выброшенных Солнцем на магнитосферу Земли. А в конечном итоге — на электронные системы и сети, без которых современная цивилизация уже немыслима.
В данной заметке инженеры проанализировали совпадения между всплесками солнечной активности и зарегистрированными сбоями в электрических сетях США за период с 1992 по 2010 год. Они пришли к выводу о том, что по крайней мере 4 процента этих сбоев были непосредственно связаны с потоками солнечных частиц. С одной стороны, это показывает, что наша электронная инфраструктура действительно чувствительна к происходящему на Солнце и что об этом нужно помнить, а с другой — что в ней есть немало проблем (а каждый месяц регистрировалось 10-20 сбоев), не связанных с непредсказуемой природой. Причем интересно, что среднемесячное число сбоев, если судить по графику, приведенному в статье, существенно выросло после 2008 года — времени минимума солнечной активности и максимума мирового финансового кризиса.
Другая не совсем астрономическая статья представлена кубинскими учеными в журнал Astrophysics and Space Science. Она посвящена гипотезе о том, что некоторые простейшие организмы, использующие фотосинтез в своем жизненном цикле, вполне могут образовываться и существовать при острой нехватке и даже отсутствии солнечного света в достаточно горячей среде.
Например, говорят авторы, такая ситуация реализуется в гидротермальных источниках на дне земных океанов. Главная изюминка этой гипотезы заключается в том, что такие организмы могут использовать кванты не обычного (видимого), а инфракрасного (теплового) излучения для запуска фотосинтеза. Насколько это реалистично, наверное, предстоит сказать биологам. А пока появился очередной повод ожидать, что простейшие организмы можно будет найти у нас по соседству — на одном из тел Солнечной системы.