Как получилось, что шаровое скопление HVGC-1 удаляется от нас на скорости свыше двух тысяч километров в секунду? Какие физические процессы могут отвечать за такой разгон? Что успел открыть уникальный российский телескоп «Радиоастрон»? Как гамма-излучение позволяет искать темную материю? Наконец, что за вспышка была зарегистрирована на Луне? Об этом и многом другом в свежем астрообзоре «Ленты.ру».
Рекордные показатели по скорости
На американских телескопах — десятиметровом кековском и шестиметровом MMT — ученые обнаружили далекое и сверхбыстрое шаровое звездное скопление. Его лучевая скорость (то есть скорость вдоль луча зрения) составляет минус 1025 километров в секунду (минус перед числом означает, что скопление движется на нас). С учетом того, что галактика M87, из которого вылетело это скопление, сама движется от нас со скоростью 1300 километров в секунду, то полная скорость скопления относительно места своего рождения составляет более двух тысяч километров в секунду. Единичные отдельные звезды двигаются столь же быстро, а для целого скопления эта скорость просто беспрецедентна — таких быстрых скоплений мы ранее не знали.
Скопление HVGC-1 (английская аббревиатура означающая «Сверхскоростное Шаровое Звездное Скопление №1») было открыто в рамках спектрального обзора скопления галактик в Деве. Это ближайшее к нам скопление, в центре которого находится гигантская эллиптическая галактика M87. Рядом с ней и был изначально обнаружен точечный объект с необычайно большой, направленной на нас, скоростью. Его спектр соответствовал спектру обычной звезды, поэтому изначально наблюдатели подумали, что имеют дело с одной из звезд нашей Галактики. Однако здесь сразу возникает противоречие: звезда, двигающаяся с такой большой скоростью (тысяча километров в секунду), должна скорее вылетать из галактики, то есть двигаться от нас, а не на нас. Но даже если все-таки принять такую гипотезу, крайне сложно найти механизм, сумевший ее так разогнать.
В то же время предположение о том, что HVGC-1 на самом деле имеет внегалактическое происхождение и является объектом из галактики M87 (рядом с которой он был обнаружен), пусть не на много, но все же облегчает ситуацию. Более того, как показали авторы, характеристики его спектра чуть лучше подходят не для отдельных звезд, а для шаровых звездных скоплений — компактных, сферически симметричных групп звезд, насчитывающих сотни тысяч, а то и миллионы отдельных членов. Правда, тогда приходится признать, что относительно своей родной галактики HVGC-1 движется с еще большей скоростью — более двух тысяч километров в секунду.
Скопление галактик в Деве
Скопление, ближайшее к нашей местной группе галактик, насчитывает несколько тысяч членов. В его центре находится гигантская эллиптическая галактика M87.. Фото: NASA
Но это объяснить, как ни странно, несколько проще. В космосе, в общем, есть только одна сила, которая способна разогнать столь массивный объект до больших скоростей, — это сила гравитации. Основной ускоряющий механизм при этом срабатывает при сближении трех тел — двойной системы и отдельного третьего тела. В конце концов двойная система распадается, и один из трех участников этого действа приобретает очень большую скорость. Благодаря такому механизму возникают отдельные гиперскоростные звезды в нашей галактике — в результате пролета двойной системы рядом с сверхмассивной черной дырой, находящейся в центре Млечного Пути.
Подобный сценарий возможен и с шаровыми скоплениями. Вряд ли существовала двойная система из шаровых скоплений (хотя, в принципе, могло быть и такое), но могла существовать система из двух сверхмассивных черных дыр. Такие системы образуются при слиянии галактик, и на них вполне эффективно могут «рассеиваться» пролетающие мимо массивные тела.
В данном случае именно о сверхмассивных черных дырах приходится говорить вот почему: для того чтобы «рассеять» (разогнать) шаровое звездное скопление, масса которого в десятки и сотни тысяч превышает массу обычной звезды, необходима, с одной стороны, очень сильная гравитация, а с другой — очень тесное сближение с рассеивающим центром. Из известных нам типов объектов, выполнение обоих условий может обеспечить только сверхмассивная черная дыра.
Таким образом, в итоге ученые увидели результат нетривиального космического события, который является дополнительным косвенным доказательством существования тесных двойных систем, составленных из сверхмассивных черных дыр.
Впрочем, говорить о том, что вопрос о природе большой скорости HVGC-1 закрыт, все-таки нельзя.
Мутное дело
C лета 2011 года на околоземной орбите работает международный (но по факту — российский) 10-метровый космический радиотелескоп Радиоастрон. Удаляясь в апогее более чем на 300 тысяч километров от поверхности планеты, он позволяет организовывать синхронные (совместно с наземными телескопами) наблюдения объектов Вселенной, становясь своего рода интерферометром. Синхронность в данном случае приводит к тому, что такая сеть работает как единый телескоп диаметром 300 тысяч километров (речь идет о его угловом разрешении). То есть такой интерферометр позволяет вглядываться во Вселенную особенно пристально и изучать ее с недостижимой ранее детализацией.
После запуска ученые сначала испытывали системы прибора, проводили тестовые наблюдения и накапливали первые данные о конкретных объектах, наблюдая их совместно со своими коллегами из нескольких радиообсерваторий мира. Теперь, после обработки и анализа данных, начинают появляться первые научные публикации — главный итог любого научного проекта. Собственно, первая статья, посвященная конкретному научному результату работы Радиоастрона, увидела свет всего месяц назад.
Ученые изучали свойства межзвездной среды, наблюдая через нее «на просвет» излучения радиопульсара PSR B0950+08 — компактной, быстро вращающейся нейтронной звезды. Наблюдения проводились синхронно вместе с 300-метровой антенной в Аресибо (Пуэрто-Рико) и многоантенным комплексом в Вестерборке (Голландия). Под мерцанием здесь при этом понимаются не последовательные короткие импульсы от этого объекта (за что, собственно, его и ему подобных называют пульсарами), вызванные быстрым вращением и анизотропностью его излучения, — речь идет о преломлении его радиоизлучения на неоднородностях межзвездной среды, так же, как преломляется (и мерцает) свет звезд после прохождения через земную атмосферу.
В этом смысле межзвездная среда представляет собой такую же «атмосферу». Она состоит из частично ионизированного газа (в основном водорода), в ней так же могут дуть ветра и существовать облака. Знание ее свойств составляет важную часть нашего знания о Вселенной.
Наблюдая с высоким разрешением структуру неоднократно преломленного и размытого межзвездным облаком луча от пульсара, ученые хотели прояснить структуру неоднородностей межзвездного газа. Если выражаться простым языком, их интересовал вопрос, как часто встречаются неоднородности разных размеров. Во сколько раз, например, неоднородностей километровых масштабов меньше по количеству, чем метровых? Этот показатель определяется показателем наклона спектра неоднородностей. Для в меру стандартной ситуации, когда среда имеет максимально простые свойства, эта величина равна 11/3 и соответствует так называемому колмогоровскому спектру. В реальной же ситуации, как показали наблюдения, — это и есть первый результат Радиоастрона — спектр неоднородностей другой. Показатель его наклона почти в точности равен трем. Это означает, что физика механизмов, ответственных за неоднородности межзвездной среды, имеет какие-то особенности, хотя какие именно, пока неясно. Анализ полученных результатов выходит за рамки опубликованной работы.
Нетемная материя
Ученые не прекращают попытки пролить хоть немного света на природу темной материи (ТМ). И в некотором смысле даже не просто света, а жесткого гамма-излучения. Именно в этом диапазоне энергий, как ожидается, темная материя может оказаться не настолько темной, но только в том случае, если она при этом представляет собой относительно тяжелые частицы неизвестного типа, участвующие в слабом (ну еще и в гравитационном) взаимодействии. Сталкиваясь, такие частицы могут аннигилировать, то есть превращаться в частицы другого типа, которые, в свою очередь, уже могут распадаться на более легкие составляющие с рождением высокоэнергетичных квантов света — гамма-квантов. И вот последние-то уже можно было бы регистрировать при помощи соответствующих телескопов, типа орбитальной обсерватории имени Ферми.
Значит, если такая гипотеза о природе темной материи верна, то во Вселенной должен существовать дополнительный фон гамма-излучения. Этот фон будет неоднороден и наиболее ярким окажется там, где плотность темной материи особенно высока — в центральных областях галактик. В том числе в центре нашей собственной Галактики.
Космический радиотелескоп Радиоастрон (Спектр-Р)
Изображение: НПО. им. Лавочкина
Поэтому неудивительно, что область нескольких сотен парсек вокруг источника Стрелец А* (центр нашей галактики — сверхмассивная черная дыра) является предметом пристального изучения рентгеновской и гамма-астрономии. Та же обсерватория имени Ферми накопила уже большой объем наблюдений центра Галактики. (Самым знаменитым открытием здесь можно, пожалуй, считать Пузыри Ферми). Там находится множество источников разного типа, в том числе и не разрешенных (речь опять-таки об угловом разрешении).
А кроме того, наблюдения последних лет показывают, что там, по-видимому, присутствует некий дополнительный фон гамма-излучения. Дополнительный в том смысле, что его нельзя объяснить наличием источников известного типа. Возникает большой соблазн списать его на тот самый механизм аннигиляции темной материи, но сделать это обоснованно не так уж и просто. Во-первых, необходимо убедиться, что он действительно существует и это не объясняется некорректно проведенной обработкой наблюдательных данных. Затем нужно удостовериться в том, что обнаруженное свечение симметрично относительно центра Галактики (следуя за распределением темной материи) и имеет протяженные размеры. И, наконец, надо измерить его спектр и сравнить с тем, что предсказывают современные гипотезы о темной материи.
Такой аккуратный анализ провела группа американских ученых. Они проделали довольно большую работу по изучению данных наблюдений обсерватории имени Ферми и практически настаивают на окончательности своих выводов, что, в общем, встречается в научных статьях нечасто. А выводы их таковы: в центре нашей галактики действительно существует протяженная (имеющая на небе размеры до 10 градусов), сферически симметричная область фонового гамма-излучения, свойства которого не меняются в разных частях этой области. Более того, свойства (спектр) этого излучения прекрасно описывается в рамках модели аннигиляции частицы темной материи. Последние в этом случае имеют вполне конкретные параметры — они лишь в 30-40 раз тяжелее, чем протон или нейтрон, а в ходе их аннигиляции образуется один из тяжелых мезонов, быстро распадающийся с возникновением тех самых гамма-квантов.
При этом, отмечают авторы, других механизмов подобного рассеянного фона гамма-излучения, описывающего все его наблюдаемые свойства, просто не существует. Так что, по-видимому, не зря гипотеза о темной материи как скоплении массивных, неизвестных пока, слабо взаимодействующих частиц считается научным сообществом наиболее перспективной.
Вспышка на Луне
Луна — очень хороший природный детектор (ловушка) для метеороидов и (если доведется) астероидов. Их потоки, пронизывая околоземное пространство, сталкиваются, разумеется, не только с самой Землей, но и с нашей ближайшей соседкой.
Эти столкновения способны порождать яркие, во всех смыслах, явления. Особенно когда масса и скорость упавшего на Луну тела достаточно высока. От удара твердые породы и газ выбрасываются с ее поверхности, при этом нагреваясь и излучая. То есть с Земли мы будем видеть (яркую) вспышку на поверхности нашего спутника. Наблюдая за частотой таких вспышек (и их характеристиками), мы сможем больше сказать о плотности и свойствах того межпланетного вещества, тех метеороидов, которые проносятся рядом с Землей и угрожают столкновением уже с нашей родной планетой.
При этом наблюдать за Луной (конкретно за неосвещенной ее частью) выгодно с точки зрения мониторинга околоземного вещества — хотя бы потому, что площадь сечения Луны больше, чем та площадь поверхности атмосферы Земли, которую охватывают наблюдения из одной точки. Автоматизированный мониторинг Луны может осуществляться при помощи небольших телескопов, дешевых приемников излучения и простого программного обеспечения.
К примеру, уже пять лет в испанской Севилье действует наблюдательный проект MIDAS (Moon Impacts Detection and Analysis System), представляющий собой два телескопа диаметром 30-40 сантиметров со стандартными телевизионными цифровыми приемниками, снимающими с частотой 25 кадров в секунду.
В недавней работе, авторы этого проекта рассказали о том, что 11 сентября 2013 года на поверхности Луны была обнаружена вспышка от падения достаточно крупного метеороида. К слову, это было ярчайшее из известных столкновений метеороида с Луной — его яркость сравнима с яркостью Полярной звезды, но длилось оно всего 8 секунд.
Исходя из одного лишь факта вспышки сложно точно оценить размеры и скорость упавшего тела (в этом смысле наблюдения за телами в атмосфере Земли дают все-таки больше информации). Количество энергии, которая выделилась при ударе, позволяет говорить, что на Луну упал камень размером около 1-2 метров и массой в десятки или сотни килограммов (что, как минимум, на порядок меньше по размером и почти в 30 тыс. раз меньше по массе чем знаменитый Челябинский метеорит).
Однако уже одно это событие позволяет оценить темпы выпадения объектов таких размеров на Луну, а стало быть, и на Землю (диаметр которой в 3,5 раза больше). Это можно сделать при помощи простого расчета: общее чистое время наблюдений телескопов проекта MIDAS составило около 300 часов (за 5 лет). За этот период была обнаружена единственная подобная вспышка — следовательно, такие события происходят примерно раз в 300 наблюдательных часов. Если аккуратно перевести это в более универсальные единицы, то окажется, что каждый год с Землей должно сталкиваться от одной до двух тысяч таких тел. Такой результат в несколько раз превышает принятые на сегодня оценки и говорит о том, что мы, возможно, недооцениваем реальную степень опасности, связанную с падением небольших космических тел на нашу планету.