Те же диски, только в профиль Сверхновые в линзах, рождение планет и пятна на Веге — в астрообзоре «Ленты.ру»

О том, как астрономы увидели в телескоп не одну, а четыре звездочки (и есть надежда, что увидят пятую), о том, как они посмотрели на галактики с разных точек зрения, а также о том, как выглядит невидимая орбита рождающейся планеты — в очередном астрообзоре «Ленты.ру».

Фейерверк

Пятьдесят лет тому назад норвежский астроном Шьюр Рефсдал опубликовал небольшую заметку о том, что неплохо было бы обнаружить изображения (да, именно несколько изображений!) вспышки далекой сверхновой, линзированной более близкой галактикой.

Термин «линзирование» здесь употребляется практически в обыденном смысле: согласно общей теории относительности, луч света под действием тяготения искривляется так же, как и траектории движения межпланетных аппаратов во время гравитационного маневра. Проходя рядом с массивным телом, свет распространяется уже не по прямой, а немного «сворачивает» — и тем сильнее, чем больше масса тела.

Это значит, что достаточно массивный объект может сработать как своего рода линза — направив параллельные лучи света в одну точку. Но чтобы эффект стал наблюдаемым, масса линзы должна быть весьма велика. В быту мы этого не видим. Для первого экспериментального подтверждения Артур Эддингтон измерял отклонение света звезд Солнцем (которое, к слову, в 300 тысяч раз тяжелее Земли).

В космологических масштабах такой линзой вполне может служить галактика. Если за ней достаточно удачно расположился источник света (другая галактика или сверхновая в другой галактике), то мы сможем увидеть его яркое изображение рядом с галактикой-линзой. Получится своего рода телескоп размерами в миллионы (если не миллиарды) световых лет. Сегодня это называется сильным линзированием, а конкретных примеров такого эффекта обнаружены сотни. Они помогают астрофизикам изучать свойства как галактик, так и Вселенной в целом.

Одна из ключевых особенностей этого явления — то, что изображение источника не просто смещается и усиливается, но еще и копируется. В этом отличие гравитационного линзирования от его «стеклянного» аналога: гравитационная линза всегда дает несколько изображений источника. Классический пример — Крест Эйнштейна, возникший благодаря далекому квазару, линзированному более близкой галактикой. Пути, по которым проходят лучи света разных изображений, отличаются по длине. Поэтому если источник переменный, то его изображения меняют свой блеск не синхронно, а с некоторым запаздыванием. Измерение этого запаздывания — уже почти прямой способ изучить распределение материи в галактике-линзе (в том числе и темной материи) и свойства пространства между источником и линзой.

Но вернемся к идее Рефсдала. Вспышка сверхновой — это невероятно яркий (что уже хорошо) переменный точечный источник. А если там еще и сверхновая типа Ia, ход изменения яркости которой в некотором смысле стандартен, то источник с известной кривой блеска — в его собственной системе отсчета. Поэтому, будучи линзированным, такое событие принесло бы массу ценной информации.

Лишь несколько линзированных далеких сверхновых было известно к нынешнему моменту. Но для всех них наблюдалось единственное изображение (остальные либо слишком слабые, либо просто сливаются).

Но теперь (вполне ожидаемый финал) у нас есть разрешенная на отдельные изображения линзированная сверхновая. На снимках безымянной галактики внутри скопления с длинным номером, полученных в период с 3 по 20 ноября 2014 года на космическом телескопе «Хаббл», хорошо видны четыре изображения точечного источника (аналог Креста Эйнштейна). На ранних снимках той же области они отсутствуют и при этом меняют свою яркость — более-менее согласовано и на временах, типичных для сверхновой.

Сама сверхновая вспыхнула в галактике, находящейся в красном смещении z=1.5. Несколько ее линзированных изображений также можно разглядеть на снимках с «Хаббла». Видно, что источник возник в одном из спиральных рукавов родительской галактики. А то, что ее изображений несколько, и в некоторых сверхновой пока не видно, позволяет утверждать, что через обозримое время в них вспыхнет еще одно или несколько изображений той же сверхновой. Авторы открытия (большая группа, в основном американских, ученых) довольно точно указывают координаты будущей вспышки, но не спешат с оценкой времени. По их мнению, это произойдет в течение десятилетия. Хотя в действительности вспышка может себя проявить и через несколько месяцев.

Масамуне Огури (Masamunе Oguri) из Токийского университета рассчитал положение дополнительного изображения, которое может обнаружиться уже в течение года.

Возможность предсказать вспышку сверхновой — отдельный замечательный результат. Напрямую наблюдать самые ранние стадии развития этого взрыва если не вселенских, то галактических масштабов, пока не удавалось — слишком непредсказуемо это явление и слишком быстро оно развивается. Будем ждать.

Кстати, открытой сверхновой дали имя Рефсдала — в память об ученом, которому, к сожалению, не хватило пяти лет жизни, чтобы дождаться этого открытия.

Не те же диски

Активные ядра галактик (АЯГ или AGN — Active Galactic Nucleus) — это очень яркие компактные источники, расположенные в центральных областях некоторых галактик и проявляющие себя во всех диапазонах длин волн.

Из-за своей высокой светимости АЯГ могут наблюдаться с очень больших расстояний, что позволяет изучать с их помощью весьма далекие области (и, соответственно, ранние эпохи) Вселенной. Да и в народном хозяйстве АЯГ играют не последнюю роль: квазары — один из типов этих объектов — сегодня задают наиболее фундаментальную систему пространственных координат, используемую человечеством.

Среди объектов, относимых учеными к АЯГ, есть несколько видов источников, различающихся особенностями спектра излучения и переменности. Условно их можно разделить на два типа (их так и называют: АЯГ типа 1 и 2). Связано это вот с чем: основополагающая идея о физической природе АЯГ говорит, что это — сверхмассивные черные дыры (каковые, по видимому, есть в центре каждой галактики), на которые падает (аккрецирует) окружающее вещество. Этот процесс сопровождается очень сильным энерговыделением, образованием толстого аккреционного диска и джетов — узких струйных выбросов вещества в направлении, перпендикулярном диску. Если наблюдатель смотрит на такой объект почти вдоль оси джета, то он видит яркий блазар (еще один тип АЯГ). Если взгляд несколько отклонен от оси джета, то виден менее яркий АЯГ 1-го типа, а наблюдатель, смотрящий в толщу аккреционного диска — наблюдает совсем «слабый» АЯГ 2-го типа. В общем, астрофизики были уверены, что по своей природе все АЯГ — это один и тот же объект, на который мы смотрим с разных сторон: те же диски, только в профиль.

Но раз так, заявили швейцарские ученые, то не должно быть разницы в ближайшем окружении активных галактических ядер, то есть в свойствах галактик, в которых находится сверхмассивная черная дыра. Эта гипотеза подразумевает наблюдательную проверку — что и было сделано. Используя данные о более чем 50 тысячах АЯГ, зафиксированных в ходе Слоановского цифрового обзора неба, исследователи проверили простую вещь: как соотносятся цвета галактик, содержащих АЯГ разных типов.

Цвет астрономического источника — это, в грубом приближении, его спектр. А спектр — это уже информация о веществе и физических процессах, связанных с этим источником. Результат проведенной проверки сами авторы признали неожиданным — различия в окружении активных ядер обоих типов все-таки есть, и довольно существенные. По характеру обнаруженных различий пока нельзя уверенно сказать, чем они могут быть вызваны, но одно из возможных следствий звучит так: если все АЯГ и один и тот же объект, то мы на него смотрим не с разных сторон в пространстве, а в разные моменты времени. То есть видим одно и то же явление на разных этапах своей эволюции.

Рождение планет

В конце октября 2014 года ученые, работающие на радиотелескопе ALMA — интерферометре, собранном из нескольких десятков небольших антенн, — получили изображение протопланетного диска звезды HL Тельца. Разрешение было настолько высоким, что впервые удалось увидеть, быть может, следы формирования планет — в виде темных «расчищенных» протопланетами концентрических промежутков. Во всяком случае, именно на это надеются авторы открытия.

В последние годы благодаря открытию сотен планет у других звезд изучение экзопланетных систем превратилось в один из основных трендов астрофизики. Разработаны подробные теории образования и миграции планет в протопланетных дисках. Но их наблюдательная проверка сталкивается с простым фактом — планетные системы весьма малы (по космическим меркам) и разглядеть их подробно на большом расстоянии сложно.

Кроме того, протопланетный диск — это весьма плотная структура с большим количеством пыли, не позволяющей заглянуть в его недра в видимом и даже ближнем инфракрасном диапазоне. Для этого необходимо вести наблюдения в миллиметровом диапазоне, а пространственное разрешение повышается интерферометрическими методами. Что как раз и делает комплекс ALMA.

Протопланетные диски изучаются, понятно, давно. И та же молодая система HL Тельца три года назад наблюдалась похожим на ALMA американским комплексом CARMA. Достигнутое тогда разрешение казалось лучшим из возможных, но и оно в несколько раз уступает новому результату.

Главное, что увидел ALMA, — это отчетливые концентрические «пустые» промежутки в протопланетном диске. Интересно то, что они необязательно возникают вследствие процесса планетообразования. Тем более что возраст системы HL Тельца вряд ли больше миллиона лет, что маловато для формирования планет. Причина возникновения таких промежутков до конца не ясна. Да, это может быть и очевидное следствие образования более плотных частиц материи (планетезималей) из разреженного вещества диска. Это может быть и менее очевидный результат излучения центральной звезды на диск, при котором часть диска избирательно «выдувается» излучением — на тех радиусах, где темпы падения и сдувания вещества совпадают. Наконец, разные части диска, разделенные промежутками, вообще могли сформироваться не вместе со звездой, а «упасть» на систему позже и даже вращаться в другом направлении.

А еще мы знаем, что щели в дисках возникают из-за резонансного воздействия ближайших массивных тел, как, например, щель Кассини в кольцах Сатурна. Но если у последнего для этого есть множество спутников, то чем запустить такой механизм в протопланетном диске — непонятно.

И на Веге есть пятна

Группа европейских астрономов опубликовала результаты спектрального исследования одной из ярчайших звезд северного неба — Веги. Казалось бы, самые яркие звезды нашего неба давно детально изучены. Тем не менее та же Вега в последние годы, с развитием прецизионных наблюдений (читай — особо пристального всматривания) принесла ученым несколько сюрпризов.

Вега — типичный представитель звезд главной последовательности, то есть, в целом, таких же, как и Солнца. С той лишь разницей, что Вега горячее, и больше относится к белым звездам. Это настолько классическая звезда, что считается своего рода стандартом при фотометрических и спектральных исследованиях других объектов.

Открытие на ее поверхности пятен не отменяет возможности ее использования в качестве стандарта, но добавляет аргументов в пользу того мнения, что Вега в действительности не такая уж и обычная звезда. И что ее правильно было бы отнести к новому, ранее не выделявшемуся типу объектов.

Пятна на поверхности звезд вообще никакая не экзотика. Главный пример здесь, конечно, наше Солнце (хотя современные методы позволяют увидеть неоднородность дисков и некоторых других звезд). Образуются пятна по разным причинам, но если речь идет о звездах обычного, солнечного химического состава (что верно для Веги), то их возникновение связано с воздействием довольно сильного поверхностного магнитного поля. Пронизывая поверхность звезды, поле замедляет потоки вещества (и энергии, и тепла) из более глубоких слоев к поверхности, из-за чего в данной области звезда становится менее горячей и выглядит более темной.

По умолчанию, Вега не должна обладать сильным магнитным полем. Несколько лет назад, однако, его удалось непосредственно обнаружить и измерить. Оказалось, что это магнитное поле в несколько сотен раз слабее, чем то, которое наблюдается на Солнце и благодаря которому образуются солнечные пятна. И даже это многовато для звезды типа Веги.

Однако в любом случае, уж чего-чего, а пятен на Веге, скорее всего, быть не должно. Но вот новый результат опровергает и это предположение по умолчанию. Авторы работы заметили, что детали спектра Веги периодически меняются с периодом, равным периоду ее вращения (который известен из других измерений). Наиболее разумное объяснение этих вариаций — наличие на поверхности звезды выделенных областей, излучающих иначе, чем вся остальная поверхность. А проще говоря — пятен. Связано ли их происхождение со слабым магнитным полем, а если нет, то с чем именно, выяснится из дальнейшего изучения этой яркой звезды.