Вселенская кузькина мать Взрыв колоссальной звезды, пустота космоса и слияние ЧД с НЗ в астрообзоре «Ленты.ру»
Область падения обломков челябинского метеорита
Насколько окружающее нашу Галактику космическое пространство пусто и какие последствия такие вопросы имеют для космологии? Что является сигналом слияния черной дыры и нейтронной звезды? Взрывы звезд массой десятки тысяч солнечных — какие они? И наконец, как спутники помогли разобраться с динамикой падения Челябинского метеорита? Об этом и многом другом читайте в свежем обзоре астрономических препринтов на «Ленте.ру».
Бедное место
Трое американских астрофизиков Райан Кинан, Эми Баргер и Леннокс Коуи предприняли попытку сравнить среднюю плотность вещества в локальной части Вселенной с той, что имеет место на больших масштабах. Для этого они оценили в некотором смысле полное количество света от галактик, находящихся на разных расстояниях от нас. Они исходили из простого соображения: если в какой-то части Вселенной света больше, то там больше и излучающей материи, а значит, и материи вообще.
То, что на масштабе более одного гигапарсека Вселенная однородна и изотропна, мы знаем, в общем-то, твердо. Но что происходит на масштабе в 3-4 раза меньшем, пока не так понятно. У Кинана, Баргер и Коуи получилось, что мы, по-видимому, живем в области локального «разрежения», то есть в среднем Вселенная более плотная, чем наши ближайшие окрестности.
Парсек — внесистемная единица расстояния в астрономии. Расстояние в один парсек равно расстоянию от Солнца до объекта, годичный параллакс которого равен одной угловой секунде. 1 парсек равен примерно 3,26 светового года или 3,09x1013 километров.
Авторы обсуждаемой работы сделали выборку из почти 35 тысяч известных галактик, распределенных по 500 квадратным градусам неба (1/80 всей площади небесной сферы) и при этом относительно близких — до красных смещений 0,2-0,3 (то есть как раз где-то до 1 гигапарсека). Информация об этих галактиках была результатом нескольких современных больших программ по сбору данных наблюдений за небом, таких как UKIDSS-LAS, SDSS и 2dF Galaxy Redshift Survey. В рамках работы оценивалась преимущественно яркость в инфракрасном диапазоне длин волн.
Инфракрасное излучение слабо поглощается пылью как в нашей Галактике, так и в той, из которой оно вышло, и, стало быть, по нему с меньшей ошибкой можно оценить полное количество излучающего вещества. В результате авторы получили самую большую и однородную выборку относительно близких галактик, которая когда-либо использовалась в рамках подобной задачи. Здесь стоит отметить, что создание такой выборки и аккуратная обработка имеющихся данных, с анализом всех возможных источников ошибок, составляет, в смысле вложенного труда, большую часть всей работы. По сути, в данной работе авторы исследовали зависимость так называемой функции светимости (проще говоря, количества света в пространстве) от красного смещения, то есть расстояния от нас.
Главный вывод работы: на расстоянии 200-300 мегапарсек от нас света примерно в полтора раза больше, чем рядом с нами. А значит, заключают авторы, и материи там пропорционально больше. Стало быть, мы живем в пузыре с пониженной плотностью.
Распределение материи в окрестности Земли
Иллюстрация Keenan et al.
Тут необходимо сделать одно замечание. Мы, конечно, сегодня знаем, что количество излучающего вещества и полное количество материи в галактике различаются очень сильно. Большую часть массы дает загадочная темная материя, которая потому и темная, что не светит. Но ее количество, как следует из множества работ по изучению динамики галактик, в целом пропорционально общей массе того вещества, которое, в прямом смысле этого слова, видно. Поэтому если непосредственно плотность вещества в какой-то части Вселенной оценить сложно, то сравнить плотности в разных местах, основываясь лишь на данных наблюдений яркости галактик, существенно легче.
Обсуждаемая работа — уже не первое исследование плотности ближайших (по космологическим масштабам) окрестностей. Указания на то, что плотность вещества рядом с нами ощутимо меньше средней по всей Вселенной, появлялись в последнее десятилетие в работах разных авторов. Масштабы, о которых идет речь, — около 250-300 мегапарсек (около миллиарда световых лет). Это где-то в 3000 раз больше размеров нашей Галактики, в 400 раз больше расстояния до ближайшей крупной соседки — Туманности Андромеды — и в несколько раз больше размеров так называемых войдов — типичных разрежений плотности галактик во Вселенной.
Тот факт, что мы живем в зоне разрежения, может иметь далеко идущие последствия. Так, например, можно показать, что наблюдателю, находящемуся в центре достаточно сильного разрежения, будет казаться, что Вселенная расширяется с ускорением, даже если это не так. А ведь Нобелевскую премию за открытие ускоренного расширения Вселенной уже вручили.
Насколько сильно этот вывод влияет на современные космологические параметры (наличие темной энергии, величину постоянной Хаббла), говорить пока рано. Скорее всего, влияет не сильно, ведь современная космологическая модель состоит из большого набора разнородных наблюдательных фактов. К тому же почти одновременно с работой Кинана, Баргер и Коуи была опубликована небольшая заметка с контраргументами против изложенного здесь вывода. Однако теперь мы понимаем, что к данным прецизионной космологии, век которой, как показала обсерватория Планка, уже начался, необходимо относиться более внимательно.
Предвестник
Трое американских физиков в небольшой статье представили результаты компьютерного моделирования процесса слияния нейтронной звезды (НЗ) с черной дырой (ЧД). Они изучали ту стадию этого явления, когда оба объекта еще только падают друг на друга и черная дыра находится внутри сильного магнитного поля нейтронной звезды. Своей гравитацией дыра несколько изменяет структуру магнитного поля звезды, что в результате, как выяснили авторы, приводит к достаточно мощной вспышке электромагнитного излучения. Такая вспышка будет предшествовать собственно слиянию этих экзотических объектов и, возможно, окажется характерной особенностью всего явления.
Вообще, при всей своей, казалось бы, экзотичности, явление слияния компактных объектов привлекает исследователей уже давно и не зря. И нейтронные звезды, и черные дыры являются остатками звездной эволюции. Когда в ядре достаточно массивной звезды заканчивается термоядерное топливо, «котел» остывает, давление падает и уже не может противостоять самогравитации, стремящейся стянуть ядро, «в перспективе», в точку. Это приводит к его коллапсу (часто сопровождаемому вспышкой сверхновой), который может либо остановиться на стадии нейтронной звезды (шарика диаметром 20 километров, с массой в полтора раза больше солнечной и сильнейшим магнитным полем), либо, если масса ядра очень велика, превратиться в черную дыру. В рамках такого механизма из обычной двойной звезды, каждый компонент которой достаточно массивен, может образоваться пара НЗ-ЧД.
Далее, общая теория относительности говорит нам, что оба остатка, обращаясь вокруг общего центра масс, должны понемногу терять свою энергию, которая будет уноситься в виде излучения гравитационных волн. Вследствие этого среднее расстояние между объектами будет постепенно уменьшаться, и в конце концов они упадут друг на друга, «сольются», чему будет сопутствовать особенно сильный всплеск гравитационного излучения. Неудивительно, что в своих попытках обнаружить последнее экспериментально физики весьма рассчитывают на подобные экзотические события.
Поэтому физики не перестают изучать природные явления, связанные с гравитационными волнами, теоретически. Ведь для более уверенного их поиска необходимо лучше понимать, что же именно мы ищем. Какими свойствами будет обладать реальный природный сигнал? Будет ли ему сопутствовать электромагнитное излучение (попросту — вспышка света)? Если да, то какая? Подобная вспышка, зарегистрированная обычными телескопами, позволила бы лучше определить направление, из которого пришел всплеск, а значит, возможно, и расстояние до источника и его природу.
Если коротко, то гравитационные волны — это колебания кривизны пространства-времени, распространяющиеся со скоростью света. Их существование предсказывает общая теория относительности. Представьте себе растянутый на весу кусок материи типа скатерти. Если в его центр положить тяжелый предмет, то материя прогнется и шарик, положенный рядом, будет стремиться скатиться к этому центральному телу. Именно так, по современным представлениям, работает гравитация. Здесь растянутая скатерть — это пространство. Если на «скатерти» ничего не лежит, то говорят что пространство пусто и имеет «плоскую» геометрию. Любая же масса искривляет пространство рядом с собой, что заставляет окружающую материю к ней «скатываться», то есть притягиваться. Волны, которые побегут по скатерти, если потрясти за один из ее концов, в такой аналогии и будут аналогом гравитационных волн. Сегодня уже построены и работают большие экспериментальные установки («гравитационно-волновые телескопы») для их поиска и изучения — такие, как американский LIGO или европейский VIRGO. Однако пока какого-либо значимого сигнала зарегистрировано не было.
Все это, собственно, и породило ту маленькую задачу, которую решили американские физики. Одну из многих в исследовании явлений, связанных с компактными остатками звездной эволюции. (К слову, слияние последних отчасти претендует и на объяснение природы так называемых коротких всплесков гамма-излучения, которые время от времени фиксируются космическими телескопами.)
Решение этой задачи было найдено при помощи компьютерного моделирования — одного из основных методов изучения сложных природных явлений. Компьютеры сегодня позволяют виртуально воссоздать изучаемое явление, провести своего рода виртуальный эксперимент. Надо лишь создать программу, которая шаг за шагом рассчитывает эволюцию той или иной физической системы во времени согласно заложенной математической модели. Результаты работы такой программы суть значения физических параметров, которые интересуют «экспериментатора». Это могут быть и скорости, и распределения масс, и величины электромагнитных и гравитационных полей.
В данном же случае авторов интересовало излучение света в ходе сближения НЗ и ЧД — его яркость, длительность, распределение по направлениям. Моделирование показало, что такая вспышка действительно будет иметь место, причем ее светимость будет в миллиарды раз превосходить светимость нашего Солнца. Правда, длиться она будет, скорее всего, менее секунды.
Другой важный момент заключается в том, что длина волны такого излучения будет настолько велика, что в чистом виде оно не дойдет до наблюдателя, а будет по дороге рассеяно межзвездной средой или даже скорее веществом в непосредственной близости от сливающейся системы. Но пропасть такое количество энергии не сможет, и будет шанс все же что-то зафиксировать нашими телескопами. Тем более что уже планируется установить на МКС несколько астрономических телескопов, в том числе специально для параллельного изучения источников всплесков гравитационных волн в оптическом диапазоне.
Деформация черной дырой (показана черным) магнитного поля нейтронной звезды (показана красным) в ходе их сближения при разных начальных параметрах системы. Линии магнитного поля показаны желтым и белым.
Иллюстрация Paschalidis el al.
55 тысяч солнц
Международная группа ученых из США, Германии и Австралии представила результаты моделирования взрыва звезды массой в 55 тысяч солнечных — самой массивной из тех, которые когда-либо исследовались. В результате такого взрыва, показали ученые, в пространство будет выброшено большое количество переработанного в звезде вещества, содержащего не только легкие водород и гелий, но и значительную часть более тяжелых элементов. Звезды, образовавшиеся впоследствии из этого вещества, могли дожить и до наших дней.
Типичные массы звезд, образующихся сегодня, составляют лишь несколько масс Солнца. Реже — несколько десятков масс. Образовать очень тяжелую звезду — в сотни солнечных масс — уже крайне сложно, и при более чем миллиарде каталогизированных звезд мы таких объектов до сих пор не знаем. Однако рассуждать о сверхмассивных звездах, которые в тысячи и даже десятки тысяч раз тяжелее, чем наше Солнце, астрофизикам все-таки приходится.
Предполагать возможность их существования если не сегодня, то в прошлом заставляют, например, результаты наблюдений квазаров — очень ярких космологических источников. Их энергетика, по общепринятым представлениям, объясняется падением вещества на сверхмассивную черную дыру в центре очень далекой галактики. Однако многие из них образовались в эпоху, когда нашей Вселенной еще не было и миллиарда лет. И если в их центре действительно находится черная дыра с массой в сотни миллионов масс Солнца, то как она могла так вырасти за столь «короткое» время? Окончательного ответа на этот вопрос сегодня нет. Возможный вариант заключается в том, что зародышем сверхмассивной ЧД могла быть черная дыра меньшей, но все же гигантской массы — в тысячи и десятки тысяч солнечных. При этом возникает задача понять, как могли образоваться хотя бы такие, не экстремально тяжелые ЧД, называемые черными дырами промежуточных масс?
Смоделированный вид остатка взрыва сверхмассивной звезды через 70 миллионов лет после события. Изображения показаны с позиций двух наблюдателей, лучи зрения которых перпендикулярны друг к другу. Небольшую анимацию взрыва, сделанную авторами, можно скачать здесь.
Иллюстрация J. L. Johnson et al.
Разумно предположить, что они родились из сверхмассивных звезд вследствие коллапса их центральных частей, как это происходит в нашу эпоху со сверхновыми. Поэтому интересно подготовить модель подобной звезды, «заставить» ее взорваться в виде колоссальной сверхновой и посмотреть, получится ли в остатке очень тяжелая черная дыра.
Собственно, это и проделали авторы обсуждаемой работы. В своем виртуальном эксперименте они «сделали» звезду с массой в 55 тысяч масс Солнца — самую массивную из тех, с которыми когда-либо имели дело ученые, — и «взорвали» ее. Как выяснилось, взрыв этого объекта будет настолько мощным, что массивная черная дыра даже не успеет образоваться, а все тысячи солнечных масс вещества разлетятся по пространству в масштабах, близких к размерам средней галактики.
Что ж, в каком-то смысле, «эксперимент» оказался неудачным. Однако он показал наличие интересных «побочных эффектов» такого события. А именно, неправильно думать, что разлетевшееся вещество по своему составу будет идентично тому, из которого когда-то образовалась взорвавшаяся звезда. В недрах звезд протекают реакции термоядерного синтеза — под действием высокой температуры и давления из более легких элементов (водорода, гелия) образуются более тяжелые (углерод, кислород и так далее). И ко времени взрыва сверхновой, который и происходит из-за невозможности дальнейшего протекания термоядерных реакций, вещество оказывается обогащено этими более тяжелыми элементами.
Впоследствии из выброшенного вещества образуются другие, вполне обычные звезды, в химическом составе которых будет больше тяжелых элементов. И вот такие звезды, как говорят авторы, вполне могли бы дожить до наших дней. Сегодня это будут весьма старые звезды, но с заметным содержанием тяжелых (то есть тяжелее гелия) элементов. Если их удастся найти в нашей Галактике, то это может быть свидетельством того, что сверхмассивные звезды, подобные той, которую «взрывали» авторы работы, действительно когда-то давно существовали.
Гром-камень
Все еще не утихают страсти по челябинскому метеороиду, прогремевшему на весь мир — практически во всех смыслах этого слова. На этот раз «свои пять копеек» добавили инженеры из испанской компании Elecnor Deimos, занимающейся в том числе и космическими системами. Несколько изменив свою компьютерную программу, которая позволяет им рассчитывать падения сошедших с орбиты искусственных спутников Земли и их фрагментов, они рассчитали распределение обломков челябинского метеорита по массам и размерам. Получилось, что при стандартном размере обломков в несколько сантиметров от основного тела могла отдельно отколоться и довольно большая часть, размером около одного метра и массой до десяти тонн.
Смоделированная авторами область падения обломков челябинского метеорита (голубые точки). Линии Case 1, 2 и 3 – три возможных варианта движения метеороида после входа в атмосферу.
Иллюстрация C. Parigini et al.
И все же различия в процессе падения искусственных и естественных тел не столь драматичны. И там, и там работают, в общем, одни и те же физические законы. Этим и воспользовались инженеры испанской компании, у которых уже была заготовлена программа, рассчитывающая по известным параметрам движения и типа падающего тела состав его обломков и область их выпадения. Чтобы ее можно было использовать и для расчета падения метеороидов, ее несколько видоизменили. После чего применили к случаю челябинского события 15 февраля 2013 года.
Они получили следующее: если принять, что метеороид вошел в атмосферу с не очень большой скоростью в 13 километров в секунду, а финальный взрыв произошел на высоте около 30 километров, то существуют реальные шансы обнаружить на Земле его фрагмент (или даже несколько) размером порядка метра и весом около десяти тонн. Если такие камни действительно падали в тот день с неба, то они явно упали в какой-то глухой район, иначе это неизбежно привело бы к значительным разрушениям.
Надо сказать, что испанские исследователи не первые, кто обосновывает подобное предположение. После события 15 февраля было обнаружено немало фрагментов челябинского метеорита. Размер большей части из них не превышает сантиметра, но встречались и более крупные обломки. Если построить зависимость вероятности обнаружения обломка от величины его размера и продолжить ее в область больших значений, то окажется, что вероятность найти обломок размером в один метр не такая уж и маленькая. Конечно, это еще не метеорит Гоба, но возможно, что сенсации, принесенные челябинским событием, все-таки еще не закончились.