Астрономы обнаружили новые загадочные объекты — вспышки электромагнитного излучения, источники которого находятся за пределами нашей Галактики. Неизвестный процесс — возможно, взаимодействие с черной дырой промежуточной массы — выбросил двойную систему, состоящую из пары белых карликов, за пределы нашей Галактики. Наконец, астрофизики обнаружили «лишнее» излучение, ответственность за которое может нести темная материя. Об этом и многом другом в новом астрообзоре «Ленты.ру».
Команда европейских, американских и австралийских астрономов заявила об открытии явления нового типа — коротких всплесков радиоизлучения, приходящих к нам, по-видимому, из отдаленных уголков Вселенной.
История этого открытия началась более десяти лет назад. Тогда, 24 июля 2001 года, на 64-метровом радиотелескопе, расположенном неподалеку от австралийского города Паркс, был зарегистрирован короткий, длиной менее 5 миллисекунд, мощный всплеск радиоизлучения. Всплеск пришел со стороны Малого Магелланова Облака — карликовой галактики, спутника нашего Млечного Пути.
Всплеск был замечен учеными только шесть лет спустя — в 2007 году, во время дополнительного просмотра архивных данных наблюдений за предыдущие годы. Выяснилось, что этот радиоимпульс, зарегистрированный на длине волны около 21 сантиметра, по-видимому, пришел к нам с очень далекого расстояния — на это указывала большая дисперсия (здесь этот термин означает пространственное размытие или расползание) составляющих его радиоволн.
В космической среде, пусть не очень плотной, но все же не пустой, электромагнитные волны разной длины распространяются с разными скоростями. Поэтому если радиоимпульс не полностью монохроматичен (то есть состоит из волн разной длины, испущенных одновременно), то по мере его путешествия по пространству его длинноволновая часть будет понемногу отставать от коротковолновой. И чем дольше длится путешествие импульса, тем больше это отставание. В целом импульс как бы размывается и растягивается в пространстве.
Это явление, в принципе, позволяет оценивать расстояния до некоторых радиоисточников. Например, до радиопульсаров — быстро вращающихся нейтронных звезд, наблюдаемых с Земли как источники импульсного излучения. Измерив задержку между моментами прихода к наблюдателю длинноволновой и коротковолновой частей импульса, мы можем сделать вывод о том, какое расстояние ему пришлось преодолеть. Разумеется, для этого необходимо знать и свойства межзвездной (или межгалактической) среды, в которой он двигался, но эти знания у нас есть из других областей современной астрономии.
Так вот, измеренная дисперсия всплеска 24 июля 2001 года (названного всплеском Лоримера, по имени руководителя группы первооткрывателей) показала, что он возник существенно дальше границ нашей Галактики. Возможно, в том же Малом Магеллановом Облаке.
Но это, пожалуй, и все. Помимо расстояния, направления, интенсивности и характерной длины волны, никакой другой информации об этом единичном событии у ученых не было. Поэтому очень сложно было делать какие-либо выводы о его природе. Тем не менее в течение нескольких лет исследователи обсуждали несколько вариантов происхождения этого всплеска. В том числе солнечное или даже земное.
Теперь же в новой статье авторы заявили об открытии еще четырех подобных всплесков, зарегистрированных в 2011-2012 годах.
Ученые использовали для этого тот же 64-метровый австралийский радиотелескоп. На нем была реализована программа целенаправленного поиска новых радиопульсаров и вообще любых коротких радиотранзиентов (так по-научному называются всплески). Все четыре зарегистрированные события имели также продолжительность в несколько миллисекунд и очень сильное запаздывание между коротковолновой и длинноволновой составляющими.
Обнаруженные всплески были очень похожи на всплеск Лоримера — центральная длина волны, на которой проводились наблюдения, также составляла примерно 21 сантиметр. Они были зарегистрированы далеко от плоскости нашей Галактики. Это указывает на то, что их источники находятся, скорее всего, за ее пределами, то есть имеют космологическое происхождение. А если учесть, что межгалактическая среда существенно менее плотная, чем межзвездная, то для того, чтобы обеспечить наблюдаемые величины дисперсии всплесков, их источники должны находиться на очень далеких расстояниях, почти в десяток миллиардов световых лет. Это вывод, сделанный авторами работы.
Но раз мы наблюдаем столь далекое событие, то его источник должен быть очень мощным. Не так много мы знаем астрофизических систем, способных генерировать очень мощные и притом очень короткие вспышки излучения. Как правило, они все связаны с релятивистскими объектами типа нейтронных звезд или черных дыр. Именно их «жизнедеятельность» сопровождается экстремальными гравитационными и магнитными полями, потоками частиц сверхвысоких энергий.
Авторы открытия при этом практически исключают гипотезу о земном или солнечном происхождении этих всплесков. Во-первых, по своей структуре они совершенно не похожи на известные типы радиовсплесков в земной атмосфере. А во-вторых, их положение на небе никак не коррелирует с положением солнца на момент их обнаружения. Поэтому, говорится в статье, мы имеем дело с новым классом космологических явлений — короткими радиовсплесками (Fast Radio Burst, FRB).
Оцененная авторами частота таких событий составляет примерно один всплеск на галактику за тысячу лет. Это больше, чем частота возникновения так называемых космологических гамма-всплесков (Gamma Ray Burst — похожих событий в гамма-диапазоне, которых, правда, известно уже несколько тысяч), но близка к частоте взрывов коллапсирующих сверхновых. Что, возможно, говорит о связи последних с FRB.
С другой стороны, подобные всплески могут возникать в магнитосферах особенно сильно намагниченных нейтронных звезд, известных как источники повторяющихся мягких гамма-всплесков (Soft Gamma Repeaters, SGR). Такой вариант не исключают авторы открытия, и в его пользу уже высказались российские астрофизики Сергей Попов и Константин Постнов из МГУ, опубликовав небольшую заметку-комментарий к данной работе. Почти одновременно с россиянами японец Томонори Тотани опубликовал небольшую статью, в которой он приводит аргументы в пользу другого механизма возникновения FRB: это может быть результатом слияния двух нейтронных звезд, входящих в двойную систему.
В общем, дискуссия началась. Правда, пожалуй, пока количество известных FRB меньше количества гипотез, их объясняющих.
Северо- и южноамериканские астрономы рассказали о результатах детальных наблюдений необычной двойной звезды. Ученые обнаружили систему двух белых карликов, улетающую из нашей галактики со скоростью почти в тысячу километров в секунду. Это очень быстро, и наиболее разумная идея, способная объяснить столь быстрое движение заключается в том, что когда-то эта пара была выброшена из какого-то шарового звездного скопления в результате гравитационного влияния черной дыры массой в несколько тысяч масс солнца. То есть черной дыры «промежуточной массы», идея о существовании которых давно занимает умы астрофизиков, но пока еще не нашла своего экспериментального подтверждения.
Объект с обозначением LP 400-22, слабая звездочка в созвездии Пегаса, привлек внимание ученых в 2006 году, когда удалось подробно измерить спектр его излучения. Это позволило лучше понять его физические характеристики, оценить расстояние до него и, соответственно, его скорость. Оказалось, что мы имеем дело с маломассивной компактной звездой — белым карликом, двигающимся со скоростью в несколько сотен километров в секунду. На тот момент это был самый быстрый из известных белых карликов.
Еще через три года другие наблюдатели обнаружили, что на самом деле система LP 400-22 двойная. А ее второй компонент также имеет малые размеры. Кроме того, вычисленная, в первом приближении, орбита этой системы, как оказалось, не проходит через центр Галактики. А именно оттуда, в принципе, можно было бы ожидать эпизодических «вылетов» быстрых звезд из-за взаимодействия со сверхмассивной черной дырой. Однако, даже если бы орбита и прошла через центр Галактики, выброшенная из этой области звезда, скорее всего, была бы одиночной (что мы реально и наблюдаем в виде так называемых гиперскоростных звезд). А вот разогнать до большой скорости двойную систему уже гораздо сложнее.
Вся эта загадочная ситуация привела к необходимости масштабных детальных наблюдений этой системы, что и было предпринято группой авторов данной статьи. Они провели астрометрические и спектральные наблюдения сразу на нескольких телескопах — в радио, оптическом и даже рентгеновском диапазоне. Последние — посредством космических обсерваторий XMM-Newton и Chandra.
Рентгеновские наблюдения были необходимы затем, чтобы выяснить природу второго компонента LP 400-22. Он, напомним, также оказался явно небольших размеров, и был шанс, что он окажется нейтронной звездой — остатком взрыва (в виде сверхновой) массивной звезды. Такие взрывы, как предполагается, не вполне симметричны и поэтому могут как бы «выстреливать», словно колоссальные пушки, образующимися нейтронными звездами. И действительно, известные нейтронные звезды имеют скорости в сотни километров в секунду, что делает их одними из самых быстрых объектов Галактики.
Случись взрыв сверхновой в двойной системе, он также мог бы разогнать ее как целое, при условии, конечно, что система переживет взрыв и не распадется. Последнее, как показывает моделирование эволюции двойных звезд, в принципе, весьма возможно.
Но от нейтронной звезды стоило бы ожидать пульсирующего рентгеновского излучения, обязанного быстрому вращению этого объекта. В то же время в наблюдениях LP 400-22 ничего подобного найдено не было, и авторы заключили, что второй компонент — такой же белый карлик, как и первый. Этот результат только добавил загадочности исследуемой системе.
Дело в том, что белые карлики — это тоже продукты эволюции звезд, только не очень массивных, типа нашего Солнца. Они являются, по сути, ядрами звезд, обнажившимися после «тихого» (по сравнению со сверхновой) сброса внешней оболочки. Такой процесс не может добавить системе скорость. Поэтому причины столь быстрого движения LP 400-22 необходимо искать в другом явлении.
Наиболее вероятный «разгонный» механизм заключается во взаимодействии звездной системы с очень массивным объектом — типа черной дыры (ЧД) массой в тысячи или даже миллионы солнечных. Если некая система подойдет очень близко к черной дыре, то может совершить своего рода гравитационный маневр, подобный тому, который совершают межпланетные станции в поле тяготения планет. Это добавит системе дополнительную скорость. Или же, в другой ситуации, приливные силы черной дыры смогут разорвать подлетевшую к ней тройную систему на двойную и одиночную звезды. Каждая из них при этом также получит дополнительную скорость.
Очень массивная черная дыра в нашей Галактике есть. Она располагается в ее центре и имеет массу в четыре миллиона солнечных. Но, как было показано в предыдущих исследованиях и подтверждено теперь, орбита LP 400-22 не проходит через центр Галактики. Однако она проходит через несколько шаровых звездных скоплений. Это плотные компактные скопления, содержащие иногда сотни тысяч звезд. По существующим гипотезам, в их центре может находиться черная дыра с массой «лишь» в несколько тысяч масс солнца. Говорят, что такие ЧД имеют промежуточные массы (между звездными и сверхмассивными) и их существование позволило бы объяснить, например, существование некоторых очень ярких источников излучения во Вселенной, природа которых еще не до конца понятна.
Однако хорошего наблюдательного подтверждения существования ЧД промежуточных масс пока нет. Но если предположить, что они действительно существуют в центрах шаровых скоплений, то свойства LP 400-22 легко находят свое объяснение. Эта система тогда предстает как двойная (или бывшая тройная) система проэволюционировавших звезд типа Солнца, выброшенная из одного из шаровых скоплений вследствие гравитационного взаимодействия с черной дырой промежуточной массы.
Кстати, после своих детальных наблюдений авторы смогли уточнить скорость движения этой системы, и она оказалась не менее 830 километров в секунду, то есть почти в два раза больше, чем предполагалось изначально.
Поскольку никакая другая разумная гипотеза не может объяснить весь имеющийся набор наблюдений, то существование такого объекта пусть косвенно, но все же уверенно говорит в пользу существования черных дыр промежуточных масс. Во всяком случае авторам в это хотелось бы верить. Ведь если исключить все заведомо невозможные гипотезы, то та, что останется, и будет наверняка истинной, какой бы невероятной она при этом ни казалась.
На интересный парадокс обратили внимание четверо европейских ученых из Германии, Франции и Швейцарии. Интенсивность рентгеновского излучения от скопления галактик в созвездии Волосы Вероники существенно больше, чем то, которое можно объяснить имеющейся там горячей плазмой. Или наоборот — плазмы в скоплении меньше, чем необходимо для наблюдаемой яркости его рентгеновского свечения. И поскольку большую часть массы скопления составляет темная материя, то напрашивается вывод, что именно ее частицы ответственны за часть рентгеновских квантов. Излучая их, например, во время собственного распада.
Наличие условно свободных быстрых заряженных частиц в межгалактическом пространстве делает скопления галактик весьма заметными рентгеновскими источниками. Жесткие рентгеновские кванты излучаются заряженными частицами тогда, когда они проходят в поле друг друга, двигаясь при этом с ускорением. Или же фотоны реликтового микроволнового фона приобретают большую энергию при «столкновении» со сверхбыстрыми частицами горячей плазмы.
Таким образом, с одной стороны, по интенсивности рентгеновского излучения можно оценить количество энергетичных частиц в далеких скоплениях галактик. А с другой, это же количество можно оценить по тому, насколько сильно уменьшается интенсивность реликтового микроволнового фона при наблюдениях в направлении скопления. Ведь часть реликтовых фотонов приобретают другую энергию и так «уходят» из своего диапазона. Последний эффект носит имя Сюняева-Зельдовича (в честь Рашида Сюняева и Якова Зельдовича, описавших его в семидесятых годах прошлого столетия) и играет большую роль в современной наблюдательной космологии.
В данной работе речь идет о наблюдении относительно близкого большого скопления галактик в созвездии Волосы Вероники (скопление Кома, или Abell 1656). С одной стороны, оно наблюдалось на космических рентгеновских обсерваториях ROSAT и XMM-Newton, что позволило оценить его рентгеновский поток. А с другой — в рамках космической же миссии Планк по изучению микроволнового реликтового фона. В последнем случае измерялась величина эффекта Сюняева-Зельдовича для этого скопления.
И выяснилось, что эти два эксперимента дают неодинаковые, с разницей где-то в 20 процентов, оценки количества горячей плазмы. Однако это так, только если предположить, что все рентгеновское излучение от скопления обеспечивается именно процессами в горячей плазме. К тому же эффект Сюняева-Зельдовича позволяет более уверенно оценить ее количество, в отличие от метода, основанного только на суммарном потоке рентгеновских квантов. Поэтому, говорят авторы, необходимо предположить, что в скоплении работает как минимум еще один механизм генерации высокоэнергетичного излучения. И тут же добавляют, что не исключена его связь с темной материей.
Темная материя — загадочная субстанция, проявляющая себя в движении звезд в галактиках и галактик в скоплениях. Нам приходится постулировать ее существование для того, чтобы объяснить, например, очень большие наблюдаемые скорости звезд в галактиках. Настолько большие, что если не будет дополнительной гравитирующей материи, то галактики просто «развалятся» за короткое время.
Природа темной материи на сегодняшний день неизвестна. Но ученые в большинстве соглашаются с тем, что она состоит из тяжелых элементарных частиц неизвестного нам типа, нечувствительных к электромагнитному взаимодействию. (Возможно, подобные частицы удастся обнаружить в будущих экспериментах на Большом адронном коллайдере.)
Темная материя, в смысле массы, составляет до 90 процентов скопления галактик. Поэтому, говорят авторы, если какие-то неизвестные процессы на уровне элементарных частиц там и происходят, то, скорее всего, они затрагивают частицы темной материи. Например, эти частицы совершенно необязательно должны быть стабильными. Они вполне могли бы со временем самопроизвольно распадаться на более легкие, «стандартные» осколки. Причем процесс распада может сопровождаться рождением рентгеновского кванта. Нам известно, что подобная ситуация типична для мира элементарных частиц — мы знаем много нестабильных его представителей (тот же нейтрон в свободном состоянии).
Поэтому, вопрошают авторы, не является ли избыток рентгеновского излучения скопления Волос Вероники следствием распада частиц темной материи? Они даже оценивают характерное время жизни одной такой частицы, и оно оказывается в несколько миллионов раз больше возраста Вселенной (который составляет 13 миллиардов лет). То есть это весьма медленный процесс, но из-за того, что частиц темной материи много, он дает заметный вклад в рентгеновское излучение скопления.
В результате авторы построили стройную и красивую гипотезу, которая, однако, требует своей дальнейшей проверки на примере других скоплений галактик. Если этот эффект окажется систематическим, тогда, возможно, у нас появится еще одна крупица знания о свойствах частиц темной материи. По крайней мере мы будем знать, что они не стабильны. Ну и получим дополнительное подтверждение того, что темная материя состоит именно из неизвестных элементарных частиц.