Щепотка бесконечности Пузыри Ферми, астероиды и внеземная жизнь в астрообзоре «Ленты.ру»

За прошедший год только в архив электронных препринтов arXiv.org было выложено почти 12 тысяч научных статей по астрономической тематике, то есть ученые писали по несколько десятков статей ежедневно. «Лента.ру» начинает регулярный обзор свежих и интересных астрономических препринтов. Главная его цель — без претензии на объективность показать читателям, что происходит в науке прямо сейчас.

«Пузыри Ферми» и темная материя

Американские физики заявили о том, что рентгеновское свечение так называемых «Пузырей Ферми», вопреки наиболее распространенной среди ученых версии, может объясняться не только рассеянием света Галактики на входящих в их состав быстрых частицах. Оказалось, что свет от «нижней» части этих пузырей имеет другие спектральные характеристики и соответствует скорее процессу аннигиляции неких тяжелых частиц, которые, возможно, и составляют загадочную темную материю.

«Гигантские пузыри Ферми» были открыты два года назад с помощью космического рентгеновского телескопа имени Энрико Ферми — свое название они также получили в честь знаменитого итальяно-американского физика. Пузыри представляют собой две области слабого рентгеновского свечения, лежащие над плоскостью нашей Галактики и имеющие форму надутых воздушных шаров. Размеры каждой из них оценивают в 25 тысяч световых лет.

Изучению «пузырей Ферми» посвящены уже десятки опубликованных научных работ. В целом астрономы считают их результатом потока плазмы, идущего из центральной области нашей Галактики. Рентгеновское же свечение «пузырей» определяется рассеянием «межзвездных» фотонов на высокоэнергетичных частицах (электронах, протонах), из которых эти «пузыри» состоят. Такая гипотеза подтверждалась и видом соответствующего рентгеновского спектра. Во всяком случае так можно было объяснить большую часть излучения поверхности пузырей.

Теперь же американские физики — авторы последней работы — установили (на основании наблюдений все на том же телескопе имени Ферми), что свечение «основания» пузырей — более близкой к диску Галактики области — имеет несколько другие спектральные характеристики. Причем такие, как если бы их спектр обуславливался постоянной аннигиляцией невидимых, в 10-50 раз более массивных, чем протоны, частиц. Таким образом, речь идет об экспериментальном подтверждении возможного существования тяжелых частиц неизвестного нам ранее типа.

Но где имеются тяжелые частицы, там должна быть и дополнительная масса. А раз они никак себя больше не проявляют, то в других областях Галактики они должны быть «темными», что автоматически делает их кандидатами в частицы загадочной темной материи — невидимой массы неизвестной природы, существование которой приходится постулировать для того, чтобы объяснить особенности движения звезд в Галактике. Впрочем, гипотеза о существовании темной материи полезна не только для физики галактик, но и для космологии в целом.

Таким образом, возможно, что американские физики обнаружили, пусть и косвенно, частицы, которые и составляют темную материю. А это можно считать очень значительным астрофизическим результатом. Впрочем, авторы не настаивают на том, что наличие загадочных частиц — единственный способ объяснить результаты их наблюдений. Они предлагают и другое объяснение наблюдаемой особенности спектра «пузырей Ферми»: наличие большого количества миллисекундных пульсаров в этой области Галактики. Эти объекты — компактные нейтронные звезды, образовавшиеся во время вспышек сверхновых. Обладая сильными магнитными и электрическими полями на поверхности, они являются источником ветра из релятивистских частиц, которые и «портят», пусть и слабо, спектр излучения «пузырей».

Однако эта гипотеза нуждается в дополнительном объяснении того, откуда в центральной области Галактики могло взяться столь большое количество действующих миллисекундных пульсаров. Простым-то пульсаром становится далеко не каждая нейтронная звезда, а миллисекундные пульсары еще более редки — они чаще всего получаются из объектов, родившихся не изолированно, а в двойной системе. Надо сказать, что американские физики не вдаются в подробности этой гипотезы. И их можно понять: возможное обнаружение следов частиц темной материи является куда более заманчивой перспективой, чем «прозаичные» нейтронные звезды.

В поисках внеземной органической жизни

Группа немецких и французских исследователей рассчитала свойства ряда спектральных линий в спектрах тех внесолнечных планет, на которых может существовать органическая жизнь. Астрономы показали, что соответствующие спектральные особенности можно будет обнаружить с помощью больших телескопов следующего поколения — JWST и E-ELT, создание которых уже запущено.

Поиск и исследование внесолнечных планет, или экзопланет, является на сегодня одним из наиболее бурно развивающихся направлений астрономии. Первая экзопланета была обнаружена более двадцати лет назад, и на сегодня список тех из них, в чьем существовании астрономы твердо уверены, включает почти 900 планет из более чем 600 планетных систем. Кроме того, действующая космическая миссия «Кеплер» помогла ученым установить еще почти 18 тысяч кандидатов в экзопланеты, из которых более двухсот гипотетически могут быть обитаемы.

Как определяется потенциальная обитаемость экзопланеты? Самый простой критерий предполагает, что расстояние между планетой и звездой-хозяйкой таково, что при данном уровне светимости звезды на планете возможно существование как жидкой воды, так и достаточно плотной атмосферы. Иными словами, на планете должно быть не слишком жарко и не слишком холодно.

И размеры экзопланеты, и светимость звезды достаточно надежно определяются с помощью спектральных и фотометрических наблюдений, даже если сама планета непосредственно нам не видна (а чаще всего именно так и бывает). Поэтому условие «оптимального расстояния» проверить достаточно легко. Если оно выполняется, то говорят, что планета находится в «зоне обитаемости» (habitable zone) своей системы. Счет таких планет идет уже на сотни.

Однако найти планету в зоне обитаемости еще не значит обнаружить на ней присутствие жизни. Следующим шагом является измерение спектра этой планеты. Точнее, спектра отраженного от нее света звезды. Пройдя через атмосферу планеты, он несет в себе важную информацию о химическом составе последней, а значит, и о возможных следах жизнедеятельности инопланетных организмов. Поэтому очень полезно попытаться заранее узнать, как будут выглядеть спектры таких «похожих на обитаемые» планет, чтобы научиться подстраивать под них наши наблюдательные методики.

Этой потребностью и руководствовались авторы обсуждаемой работы, взявшиеся рассчитать вид и свойства некоторых спектральных линий — основных маркеров органической жизни в спектре планеты — для молекул воды, углекислого газа, озона и метана. Разумеется, их свойства будут зависеть от свойств того света, который излучает звезда-хозяйка, то есть от спектрального класса этой звезды. Поэтому наши авторы сосредоточились на тех планетных системах, в которых главная звезда относится к спектральному типу G, F или K. Проще говоря, похожа на наше Солнце (которое относят к классу G — желтых звезд).

Кроме расчета свойств самих спектральных линий, авторы попытались дать ответ на вопрос, можно ли будет вообще выделить эти линии в спектре внесолнечной планеты, если наблюдать ее при помощи одного из больших телескопов следующего поколения. Ведь рядом с планетой светит яркая звезда, на фоне которой свет от планеты может просто потеряться.

Оказывается, такая задача по силам как космическому телескопу имени Джеймса Уэбба, который сменит на орбите телескоп имени Хаббла и будет вести наблюдение преимущественно в инфракрасном диапазоне, так и 40-метровому наземному телескопу Европейской Южной обсерватории E-ELT (European Extremely Large Telescope). Последний будет располагаться на Земле, в Чили. Работа над созданием обоих инструментов уже ведется, а исследование немецких и французских ученых еще немного расширило и без того немаленький список задач, которыми будут заниматься эти телескопы.

Любители против астероидов

Астрономы-любители в рамках проекта испанской Виртуальной обсерватории уточнили орбиты 511 сближающихся с Землей (то есть потенциально опасных) астероидов на основе анализа снимков Слоановского обзора неба.

Помимо важного практического результата, данная работа любопытна еще и тем, что воплотила в себе два популярных направления в развитии современной астрономии. О каждом из них следует рассказать чуть подробнее.

Первое направление — это так называемая виртуальная обсерватория. Вообще-то, так называется набор инструментов, необходимых для доступа к данным и работы с ними. Но главная идея, сверхзадача виртуальной обсерватории заключается в том, что она дает возможность использовать в рамках решения какой-то конкретной задачи данные наблюдений, полученные ранее на разных телескопах, разными авторами, в разное время и в разных диапазонах длин волн. Причем речь идет именно о данных, а не о финальных результатах наблюдений, которые обычно публикуются в научных статьях.

Дело в том, что данные астрономических наблюдений, как правило, содержат в себе гораздо больше информации, чем это было необходимо их заказчику. Конкретная наблюдательная программа зачастую составляется ради изучения всего одного или нескольких объектов. В то же время в поле зрения телескопа всегда неизбежно попадает множество других звезд, галактик, астероидов и прочего. И хотя характеристики последних (яркости, координаты, спектры) в рамках первоначально заявленной программы измеряются не целенаправленно, а скорее «случайно», они могут быть интересны другим астрономам — для проверки других гипотез, в рамках совсем других научных направлений. Именно поэтому апологеты виртуальной обсерватории выступают за то, чтобы данные наблюдений, во-первых, сохранялись в наиболее полном виде и по возможности в едином формате, а во-вторых, были бы открыты для всех желающих.

Так, проект Слоановского цифрового обзора неба, действующий с 2000 года, полностью соответствует идеям виртуальной обсерватории. Изначально его приоритетные задачи были нацелены на то, чтобы получить изображения и измерения спектров большого количества внегалактических объектов, но в то же время по его снимкам (находящимся в открытом доступе) можно изучать и большое количество звезд нашей Галактики и даже объекты Солнечной системы.

Собственно, последняя возможность и показалась перспективной испанским ученым, которые обратились к любителям астрономии всего мира, готовым бескорыстно работать на благо науки.

Привлечение любителей для решения конкретной научной задачи составляет второе популярное направление в современной астрофизике. Действительно, ведь данными виртуальной обсерватории (в общем смысле этого слова) могут пользоваться не только ученые-профессионалы. И если поставленная задача не требует глубоких специализированных знаний, а заключается, например, в рутинной обработке наблюдательных данных, то армия усидчивых непрофессионалов может принести современной науке ощутимую пользу.

Сегодня существует уже немало научных проектов, в которые вовлечены любители науки со всего мира (достаточно посмотреть, например, на масштабы проекта zooniverse.org). Испанские астрономы расширили этот список.

Итак, более трех тысяч любителей астрономии в течение пятнадцати месяцев занимались тем, что искали на снимках Слоановского обзора неба (а их, к слову, почти миллион) астероиды из базы данных объектов, сближающихся с Землей, которую ведет Международный центр по исследованию малых планет (Minor Planet Center). Если изображение астероида обнаруживалось, то это позволяло измерить его небесные координаты на момент времени снимка, а значит, уточнить его орбиту. Тем самым прояснялась траектория его движения, что принципиально важно для исследования потенциально опасных малых тел.

За все время наблюдений добровольные помощники испанских астрономов провели более 150 тысяч измерений и уточнили орбиты 551 астероида. Это немного по сравнению с полным списком подобных объектов, в котором их числится почти 10 тысяч. Но, во-первых, большого количества объектов из списка могло просто не оказаться на снимках Слоановского обзора. А во-вторых, объем проделанной работы все равно весьма значителен и, что отдельно отмечают авторы публикации, ровно ничего не стоил налогоплательщикам.

Старые методы и новые результаты

По правде говоря, эту статью чешских астрономов, которые исследовали четырехкратную звездную систему методами трехсотлетней давности и убедились в том, что на самом деле она — пятикратная, сложно отнести к прорывным или выдающимся. Но она являет собой яркий пример добротной, хоть и рутинной, астрономической работы. Работа в данном случае была связана с описанием физических характеристик конкретной звездной системы.

Интерес авторов статьи вызвала относительно яркая многокомпонентная звезда V994 Her, находящаяся в созвездии Геркулеса. Это не самая рядовая звездная система, так как ранее было показано, что в этой области пространства находятся две затменно-переменных звезды, возможно, гравитационно связанных друг с другом. А в некотором отдалении от этих двух систем присутствует еще одна звезда, также, возможно, являющаяся частью этой большой «звездной семьи». Проверить наличие гравитационной связи между всеми этими звездами и решили чешские астрономы. И что интересно, сделали они это без помощи больших телескопов, даже не разрешая всю систему на отдельные звезды. Они воспользовались методом, который позволяет восстановить динамику связанной системы только лишь по изменениям ее видимой яркости вследствие затмений одних компонент другими.

Данный метод основан на эффекте, использованном еще в конце XVII века датским астрономом Олафом Рёмером в Парижской обсерватории. Суть его заключается в том, что из-за конечности скорости света периоды затмения в двойной системе будут уменьшаться или увеличиваться в зависимости от того, сближается ли наблюдатель с системой или удаляется от нее вследствие, например, движения Земли по своей орбите. Благодаря этому Оле Рёмер смог впервые оценить величину скорости света, наблюдая затмения спутников Юпитера (он, правда, тогда недооценил ее величину почти на треть).

Но если скорость света точно известна, то измерение таких вариаций периодов позволит неплохо описать динамику наблюдаемой системы и установить, какие силы действуют на ее компоненты. Применив этот метод к системе V994 Her, чешские астрономы смогли подтвердить гравитационную связность всех пяти компонент, даже не рассматривая их по отдельности, при помощи своего маленького 20-сантиметрового телескопа. Таким образом они обнаружили пятикратную звездную систему, которая является редкостью в нашей галактике. До этой работы нам было известно лишь 20 таких систем, а V944 Her стала 21-й.

Изучение динамики систем, состоящих из многих тел схожей массы, важно не только для теории образования и эволюции звезд, но и, например, для проверки тонких эффектов в гравитационном взаимодействии — одном из четырех фундаментальных взаимодействий в природе.