Складки на теле космоса Нейтронные звезды и космические струны в астрообзоре «Ленты.ру»
Компьютерное моделирование космических струн. http://aether.lbl.gov
Как галактики ухитряются в течение миллиардов лет поддерживать процесс звездообразования? Чем нам помогут нейтронные звезды и почему они иногда «глючат»? Наконец, как обнаружить космические струны — родственников черных дыр, которые представляют собой протяженные складки пространства-времени колоссальной массы и очень малого диаметра? Об этом и многом другом читайте в свежем обзоре астрономических препринтов на «Ленте.ру».
Транспортировка газа
Очень интересный наблюдательный результат представила команда ученых из Европы, Америки и Австралии. С помощью больших телескопов Европейской Южной обсерватории они исследовали далекую галактику. По счастливой случайности рядом оказался виден еще и более далекий квазар. Он «подсветил» газ в ближайшей окрестности этой галактики (обычно невидимый), и это дало возможность ученым исследовать его свойства — плотность, химический состав, скорость движения. В результате удалось наконец подтвердить гипотезу о том, что звездообразование в подобных галактиках действительно постоянно подпитывается холодным газом, выпадающим на них из межгалактического пространства.
Дело в том, что процесс образования новых звезд в видимых галактиках зачастую не прекращается миллиарды лет. Строительным материалом для звезд является газ, который коллапсирует (сжимается) под действием собственной гравитации. Однако количества газа, которое наблюдается в галактиках, явно недостаточно для того, чтобы обеспечить столь продолжительное звездообразование. Следовательно, предположили ученые, газовые запасы звездной системы постоянно пополняются извне — из межгалактического пространства. Межгалактический газ просто падает на галактику под действием ее гравитации. Такой процесс получил название холодной аккреции, и очень важно получить наблюдательное (то есть экспериментальное) подтверждение того, что он действительно имеет место. Именно этого и добились авторы данной статьи.
Схема потока межгалактического газа на исследуемую галактику. Синим обозначен падающий газ, а красным – поток переработанного вещества из галактики. Звездой показано положение далекого квазара, просвечивающего внешнюю часть газового потока
Bouche et al. 2013
Основная сложность такого эксперимента заключается в том, что падающий газ (в основном водород) находится почти полностью в нейтральном состоянии, поэтому возможности исследовать его собственное свечение нет. Однако если есть возможность посмотреть через него «на просвет» на более далекий источник, спектр которого мы знаем или можем смоделировать, то по спектру прошедшего через газ света можно восстановить основные характеристики падающего вещества.
Так, по счастливой случайности совсем близко к одной галактике, находящейся на красном смещении z = 2,33, на небе располагается еще более далекий квазар HE 2243-60. Его свет, как показали наблюдения, явно проходит через массу газа, расположенного на расстоянии около 30 килопарсек от центра данной галактики. Судя по скорости движения облака, оно оказывается гравитационно связанным с галактикой и не является веществом, выброшенным из галактики. Последнее следует из того, что в этом облаке содержится мало тяжелых (тяжелее гелия) элементов, которыми оно должно было бы обогатиться, если бы зародилось в диске галактики.
Исследователи заключают, что газ, через который прошел свет от квазара, и есть тот самый холодный газ, подпитывающий — в гипотезе — звездообразование в галактике. Более того, авторам удалось оценить темп его выпадения на галактику, и оказалось, что он составляет десятки солнечных масс в год — как раз столько, сколько и требуется для поддержания наблюдаемого темпа звездообразования в данной галактике.
Вот так еще одна из важных гипотез об эволюции галактик нашла свое экспериментальное подтверждение.
Антиглитч
Строение нейтронной звезды
Brooks/Cole Thomson Learning, перевод А. Бирюков
Наблюдения нейтронной звезды 1E 2259+586, проведенные орбитальной обсерваторией Свифт (Swift) в 2012 году, принесли астрофизикам неожиданный сюрприз: звезда резко изменила скорость своего вращения. Такие события, в принципе, присущи нейтронным звездам и даже имеют хорошее (как казалось) теоретическое объяснение. Однако неординарность данного конкретного случая заключается в том, что вращение звезды не ускорилось, как мы того ожидаем, а замедлилось. Как говорил Шерлок Холмс, это мелочь, но она может оказаться существенной. Детали наблюдений, последствия и возможные физические причины обсуждаются в статье, написанной девятью учеными из четырех стран.
Слова о том, что «дьявол кроется в деталях», к экспериментальным наукам вроде астрофизики, пожалуй, применимы в первую очередь. Даже один небольшой эксперимент способен пусть не перевернуть наши представления об изучаемом явлении, но уж точно заставить очень сильно задуматься. Что-то подобное произошло и в этом случае.
В 2012 году астрономы наблюдали далекую нейтронную звезду (НЗ) 1E 2259+586 при помощи рентгеновского телескопа, установленного на борту орбитальной обсерватории Swift. Объект — компактная (размером около 20 километров) релятивистская звезда, совершающая один оборот вокруг своей оси за 7 секунд. Ее излучение не изотропно, то есть распространяется не во все стороны, а только в некотором выделенном направлении. Можно сказать, что так звезда превращается в космический маяк, и в результате мы ее наблюдаем как переменный источник с периодом, равным периоду ее вращения. Стало быть, мы можем изучать эволюцию вращения НЗ и, тем самым, ее инерционные свойства. Последние, в свою очередь, зависят от характеристик сверхплотного вещества, из которого состоит нейтронная звезда.
Вообще, в некоторых вопросах НЗ — единственная «лаборатория», в которой мы можем исследовать материю, находящуюся в экстремальных (во всех смыслах) условиях.
Внутреннее строение НЗ довольно сложно и описывается квантовыми законами и законами теории относительности. Считается, что под твердой внешней оболочкой (корой) этих звезд находится так называемая сверхтекучая нейтронная жидкость. Она иначе участвует во вращении НЗ и, скорее всего, вращается несколько быстрее, чем кора. Однако время от времени кора нейтронной звезды «трескается», инерционные свойства звезды меняются, и благодаря взаимодействию с внутренним сверхтекучим веществом период ее вращения на некоторое время уменьшается на какие-то миллионные доли секунды.
Подобные события, наблюдавшиеся уже неоднократно, получили названия глитчей (от английского слова glitch — сбой). И то, что произошло со звездой 1E 2259+586 в апреле 2012 года, было полностью аналогично классическому глитчу, с той лишь разницей, что период звезды не уменьшился, а увеличился. Для астрофизиков это оказалось полной неожиданностью и заставило задуматься о корректности существующих представлений о внутреннем строении нейтронной звезды.
Авторы обсуждают возможные причины такого неожиданного поведения 1E 2259+586, но «по горячим следам» объяснения, закрывающего вопрос, найдено не было. Скорее всего, причина этого явления кроется в том, что звезда, о которой идет речь, относится к классу так называемых магнетаров — редких нейтронных звезд с особенно сильным магнитным полем. Последнее из-за своей величины в гораздо большей степени влияет на вращение и свойства звезды в целом, чем в случае «обычной» НЗ, и, в принципе, может способствовать дополнительному замедлению вращения во время глитчей. Тем более что обсуждаемому событию сопутствовала вспышка рентгеновского излучения от магнитара, энергия для которой с большой вероятностью образовалась именно из энергии магнитного поля.
Однако единичного события еще не достаточно для того, чтобы строить уверенные теории. Будем надеяться, что подобные явления еще попадут в поле зрения наших телескопов.
Как ориентироваться по звездам. Нейтронным.
Ориентация космического аппарата по нескольким радиопульсарам (в представлении художника)
Becker et al. 2013
Возможно, после предыдущей заметки, придирчивый читатель спросит: «Хорошо, ну а какая реальная польза от изучения этих ваших нейтронных звезд?» Один из вариантов ответа на этот вопрос содержится в следующей статье. Она посвящена вполне практической задаче автономной навигации в космическом пространстве. Три немецких физика весьма подробно анализируют возможность ориентации космических аппаратов не просто по звездам, а по нейтронным звездам. Ученые предлагают использовать ключевое свойство этих объектов — строгую периодичность приходящих от них импульсов.
Без сомнений, проблема навигации является одной из базовых при любых перемещениях человека на большие расстояния. Но если на Земле с этим успешно сегодня справляются спутниковые навигационные системы, то как ориентировать космические корабли, когда они находятся далеко от родной планеты?
Сегодня навигация межпланетных станций осуществляется комбинированным методом. С одной стороны, расстояние до них и их скорость можно измерить прямой радиолокацией с Земли. С другой же стороны, аппараты могут сами более или менее точно ориентироваться по обычным звездам. Для этого на их борт устанавливают несколько маленьких автономных телескопов, в память которых заложена карта звездного неба и соответствующие программы обработки. Однако уже при удалении аппарата на несколько астрономических единиц от Земли такой метод позволяет вычислить его положение с точностью лишь несколько километров. И чем дальше находится аппарат, тем эта точность ниже. Так, положение станции «Вояджер 1», самого далекого искусственного корабля, нам известно с точностью лишь плюс-минус 500 километров. Считается, что в перспективе этого недостаточно.
Уже в весьма обозримом будущем может встать задача более точной навигации в пределах нашей Солнечной системы. Причем навигации автономной. Ведь непрерывно «вести» корабль с Земли очень сложно: в нужный момент наша планета вообще может оказаться вне поля зрения принимающих устройств станции. Более того, с увеличением расстояния мощность радиолокационного сигнала будет только падать, что приведет к увеличению ошибки.
Поэтому еще в начале 1960-х годов появилась идея о том, что космические аппараты можно ориентировать по природным импульсным, периодическим источникам, если таковые будут открыты. И эта надежда оправдалась — в 1968 году были открыты радиопульсары, являющиеся как раз нейтронными звездами. А в 1974-м в NASA уже обсуждалась возможная схема ориентации в пространстве по радиопульсарам. Правда, долгое время к этой идее не возвращались.
Ориентация по этим объектам (и вообще по любым периодическим источникам) устроена следующим образом. Если мы знаем, как движется фронт конкретного импульса в пространстве, то можем предсказать момент его прохода t0 через некую реперную точку в солнечной системе. Например, через барицентр. Если измеренный на корабле момент прохода t того же импульса отличается от предсказанного, значит, положение корабля смещено относительно реперной точки на расстояние, равное скорости фронта, умноженного на разность t – t0. Наблюдая параллельно несколько пульсаров и анализируя то, как соотносятся между собой разности t — t0 для них, мы можем вычислить полное пространственное положение корабля относительно этой самой реперной точки.
Это очень похоже на спутниковую ориентацию посредством всем известной системы глобального позиционирования. Только в роли спутников здесь выступают нейтронные звезды.
Почему же сегодня об этой идее опять заговорили? Дело в том, что за прошедшие сорок лет наше знание о пульсарах существенно расширилось. И если в 1970-х годах состояние науки не позволяло обосновать даже практическую реализуемость такого метода навигации, то сегодня это уже возможно. И именно этим занимаются авторы статьи.
Сегодня нам известны более двух тысяч нейтронных звезд. Мы гораздо лучше знаем свойства их импульсного излучения и в состоянии указать на конкретные пульсары, которые лучше подойдут для задачи навигации. (Ведь, как часто бывает в природе, эти объекты не идеальны — период их пульсаций меняется со временем и не всегда легко предсказуем.)
Более того, теперь мы знаем, что пульсары излучают не только в радиодиапазоне, но и в других диапазонах длин волн. А это может оказаться принципиальной деталью. Дело в том, что поставить на каждую межпланетную станцию пару десятиметровых радиотелескопов, мягко говоря, сложно. А именно такая аппаратура требуется, чтобы уверенно принимать сигнал от обычных радиопульсаров. Возможность же регистрировать от них импульсы в, скажем, рентгеновском диапазоне сильно упрощает ситуацию. Авторы статьи подробно обсуждают конкретные типы возможных детекторов, которые могли бы для этого применяться. Вообще, статья во многом похожа на обоснование к техническому заданию, от которого уже недалеко до конкретной реализации.
Так что кто знает — может, именно изучение экзотических нейтронных звезд поспособствует тому, что «на пыльных дорожках далеких планет останутся наши следы».
Космическая струна
Два японских физика написали небольшую заметку о том, как можно было бы обнаружить так называемую космическую струну — экзотический объект, который представляет собой гигантских масштабов складку пространства-времени, обладающую огромной плотностью и исчезающе малым диаметром.
О космических струнах в популярной литературе говорится мало. Во всяком случае, точно меньше, чем о черных дырах, хотя они имеют схожую природу и являются локальными особенностями в структуре пространства-времени. Если коротко, то космическая струна — это «складка» пространства-времени, обладающая аксиальной симметрией. То есть она вытянута подобно тонкой струне, за что и получила свое название. Сам термин принадлежит британскому физику Томасу Кибблу, который теоретически исследовал такие объекты в ряде своих работ, начиная с 70-х годов прошлого века.
Смоделированные на компьютере космические струны
David Daverio, Université de Genève
О космических струнах имеет смысл говорить только в рамках теорий ранних этапов жизни Вселенной. В ранней, более плотной Вселенной, заполненной веществом, испытывающим массу превращений, структура пространства-времени была более сложной, чем та, которая окружает нас сегодня. И в качестве отголосков тех превращений сегодня во Вселенной могут существовать вытянутые (длиной в десятки парсек) и тонкие (диаметром 10-29 сантиметров) дефекты пространства-времени. Это и есть cтруны.
Эти объекты очень массивны. Они обладают гигантской удельной плотностью — более 1020 граммов на каждый сантиметр длины. То есть часть струны длиной в сотню километров уже весит как вся наша планета. Их наблюдательное обнаружение помогло бы проверке наших представлений о пространстве-времени зарождающейся Вселенной. Но в любом случае идея о существовании подобных объектов привлекает по меньшей мере тем, что она просто красива во всей своей экзотичности.
Традиционно космические струны предлагалось искать по эффектам гравитационного линзирования, аналогичным тому, которое наблюдается для массивных галактик. Проходя рядом с массивным объектом, луч света отклоняется. А для космической струны у такого отклонения будет весьма характерный вид. Однако сегодня мы не знаем ни одного твердо подтвержденного случая линзирования на струне, несмотря на то что несколько сообщений об открытии подобного явления все же были опубликованы.
Японские физики же теоретически рассчитали иную ситуацию. Они задались вопросом: что будет, если подобная струна пройдет сквозь нашу планету? Разумеется, это не останется незамеченным. Нет, Землю, конечно, не разрежет пополам, но гравитационное воздействие от струны заставит нашу планету несколько «поколебаться» с характерным временем в десятки минут и ощутимой амплитудой в десятки километров. Ускорение, с которым при этом будет двигаться поверхность планеты, по оценкам японцев, может достигать нескольких метров в секунду за секунду. А это сравнимо с ускорением свободного падения 9.81 метра в секунду за секунду и может быть обнаружено без всяких приборов.
Однако ждать, что нам «повезет» и такое событие действительно случится, не очень резонно. В масштабах Вселенной наша планета имеет исчезающе малые размеры, и вероятность ее встречи с «заблудшей» космической струной очень мала. Но такая вероятность повышается, если мы рассмотрим звезды нашей галактики — они существенно больше в размерах и их очень много. Прохождение космической струны сквозь звезду приведет к ее слабой кратковременной переменности и к колебаниям ее поверхности, которые можно отследить методами астросейсмологии. Наконец, прохождение струны через систему нескольких тел также приведет к вариациям расстояния между ними, что тоже можно пытаться измерить. Хотя бы в системе Земля-Луна, расстояние между которыми нам известно с субсантиметровой точностью благодаря лазерной локации.
Возможно, статья японцев вдохновит кого-то на проведение соответствующих экспериментов и в случае успеха кунсткамера нашего зоопарка известных объектов Вселенной пополнится еще одним экспонатом.