Открытия в астрофизике — это, разумеется, не только наборы чисел, уравнений и сложных графиков (хотя именно в таком виде ученым удобнее воспринимать новое знание, полученное коллегами). Это еще и эстетика космоса, физических процессов в нем протекающих, возможность буквально увидеть (хоть как-то) совершенно нетривиальные, немыслимые для земного опыта, вещи. Наш предновогодний астрообзор — скорее памятный альбом тех важных (без претензии на звание самых-самых) новых открытий, которые были сделаны в уходящем году. Впрочем, не только открытий. Главное — это обновленный, свежий взгляд на мир.
Сверхновая SN2014J была открыта 21 января 2014 года во время практических занятий студентов Университетского колледжа в Лондоне. Она вспыхнула в галактике M82, имеющей собственное имя Сигара (на фото справа). Эта галактика — спутник более крупной M81 (на фото слева), вместе с которой они составляют пару сравнительно близких (к Земле) галактик. И как раз из-за небольшого расстояния до нее, SN2014J оказалась одной из ярчайших сверхновых на небе за последние 20-30 лет. Ее даже можно было увидеть в бинокль.
SN2014J — сверхновая типа Ia, то есть речь идет о взрыве белого карлика, не устоявшего под тяжестью атаковавшего его вещества звезды-соседки. Другой обсуждаемый учеными вариант — слияние двух белых карликов, образующих двойную систему. Вопрос о природе SN Ia еще обсуждается.
Но важно то, что сверхновые такого типа являются так называемыми стандартными свечами, то есть имеют примерно одинаковую светимость, а значит, позволяют измерять расстояния до очень далеких галактик. Вывод об ускоренном расширении Вселенной и существовании темной энергии сделан в большой степени именно благодаря наблюдению сверхновых типа Ia (в основном, при помощи космического телескопа «Хаббл»). Теперь вы знаете, как они выглядят.
Выход на экраны фильма «Интерстеллар», пожалуй, тоже можно приравнять к достижениям науки. В смысле ее популяризации, конечно. Несмотря на широкую известность черных дыр и прочих темных субстанций, общая теория относительности, которая, собственно, и описывает физику этих объектов, как правило, остается в тени. Это не самая простая для понимания теория, и редко когда удается красочно показать какой-либо из ее конкретных выводов.
Символом фильма стал аккреционный диск вокруг черной дыры (ЧД), искаженный ее гравитационным полем. Консультировал съемочную группу признанный классик этой теории — Кип Торн. В результате спецэффект получился почти точно «по науке».
Аккреционный диск образуется из вещества, падающего на ЧД. Например, из-за перетекания оболочки с обычной звезды-компаньона (как на этой иллюстрации двойной системы Лебедь X-1). Если бы гравитационное поле ЧД не влияло на свет, то такая двойная система (вернее диск — раз уж речь идет только о нем) выглядела бы так, как показано на этом рисунке.
Однако, согласно общей теории относительности, луч света в сильном гравитационном поле может очень сильно отклониться от прямой линии. Получится своего рода «шляпа»: часть диска, находящаяся за дырой, как бы приподнимается и формирует верх шляпы, а ближняя часть диска — ее поля. Кроме того, ЧД позволяет заглянуть и на нижнюю сторону находящейся за ЧД части диска.
Но даже «сделанное по науке» изображение ЧД в «Интерстеллар» не совсем верное. Аккреционный диск должен очень быстро вращаться, чтобы удерживаться около ЧД, не падая в нее. В результате из-за эффекта Доплера, приближающийся (левый) и удаляющийся от нас (правый) край диска выглядят по-разному. Последний гораздо тусклее, как видно на рисунке. Это изображение — результат точного численного моделирования, проделанного (и любезно предоставленного) российским астрофизиком Павлом Аболмасовым.
Другой пример того, на что способны гравитационные поля, — слияние двух ЧД. Такие события возможны, например, в ядрах галактик (там речь идет о сверхмассивных черных дырах). Черная дыра, вообще-то, не совсем «тело»: на самом деле это особенная область пространства-времени, которое вблизи ЧД искривляется — как схематически показано на рисунке.
Если перед цветной координатной сеткой типа той, что изображена на левой картинке, поместить ЧД, то сетка будет выглядеть так, как показано в центре. А если взять две сливающиеся ЧД и посмотреть на плоскость их общей орбиты сверху — то сетка изменится так, как показано справа.
Но, конечно, интереснее, если фоном послужит что-то более типичное для космоса, нежели цветные квадратики. В приведенном ниже видео ЧД сливаются на фоне Млечного Пути. То есть как бы у нас в Галактике, а мы на них смотрим с Земли в телескоп (и перпендикулярно плоскости их орбиты).
А здесь наоборот — с ребра.
Это единственный «строго научный» рисунок в подборке, главная иллюстрация открытия, сильно взбудоражившего академическую общественность. Могло бы стать главным событием в астрофизике уходящего года и претендентом на Нобелевскую премию по физике года грядущего, если бы не сильные (и обоснованные) сомнения других ученых в корректности полученного результата. Проще говоря, открытие закрыли. Но послевкусие осталось.
На рисунке изображена карта участка неба площадью около 1500 квадратных градусов (примерно как созвездие Большой Медведицы). Цвет отражает распределение температуры фона реликтового микроволнового излучения, заполняющего всю Вселенную и доставшегося нам от времен, когда Вселенная была еще очень молода и существенно теплее. Синий — где чуть холоднее, красный — где чуть горячее. В данном случае «чуть» это лишь несколько десятимиллионных долей градуса!
Но главное — это короткие черные линии, показывающие направление поляризации этого микроволнового излучения. Точнее, одной из компонент поляризации — вихревой, или B-компоненты. Видно, что в районе пятен направление поляризации как бы закручивается в своего рода водоворот. Для космологов это означает наличие реликтовых гравитационных волн, которые, в свою очередь, подтверждают правильность теории инфляции (о самых ранних этапах жизни Вселенной).
Однако при получении этого результата авторы не учли ряд факторов, которые наверняка на него сильно повлияли.
Миссия космического аппарата «Розетта» и мягкая посадка зонда Philae на поверхность кометы 67P/Чурюмова-Герасименко, наверное, была самым громким космическим событием уходящего года (у зонда появился даже собственный блог в Twitter!). Этот снимок сделан «Розеттой» при подлете к ядру кометы 3 августа 2014 года с расстояния 285 километров. Размер самого этого гигантского (и грязного) «снежка» всего около 5 километров — не так уж и много по земным меркам.
Люди сразу кинулись сравнивать комету с объектами на Земле. В сети можно найти немало таких коллажей, сделанных как участниками миссии «Розетта», так и просто неравнодушными к космосу. Кстати, в Дармштадте находится европейский Центр управления космическими полетами, из которого и посылались команды «Розетте».
А эта фотография сделана с расстояния 8 километров. Разрешение — около 70 см/пиксель, так что самые мелкие, вполне различимые камни на поверхности — размером с легковой автомобиль.
Первый научный результат миссии уже опубликован — доля тяжелой воды во льду кометы в три раза больше, чем на Земле. Что несколько озадачивает, так как, по сложившимся представлениям, большая часть воды на Землю была занесена именно кометами такого же типа, что и 67P/Чурюмова-Герасименко.
Кстати, кроме Twitter-аккаунта зонда Philae, у самой миссии «Розетта» есть и своя страница в Instagram. А раз так, то без селфи не обошлось. Этот кадр сделан 7 октября 2014 года, когда аппарат был на расстоянии 16 километров от ядра 67P/Чурюмова-Герасименко. На переднем плане — солнечные панели космического корабля.
Еще в 1970-х годах Кип Торн (тот самый физик, который помогал команде «Интерстеллар» делать кино «по науке») и Анна Житков — английский астроном польского происхождения, выдвинули гипотезу о существовании своего рода звездных химер. Представьте вроде бы обычную звезду, только в качестве ее ядра — нейтронная звезда или даже черная дыра. Такие объекты могут образоваться в ходе слияния обычной звезды и компактного остатка звездной эволюции (например, в двойной системе). Внешне объекты Торна-Житков похожи на обычные звезды. Однако, процессы в их недрах отличаются от классических. И в частности, там могут идти редкие ядерные реакции, порождающие некоторые тяжелые элементы. Источник HV 2112 из Малого Магелланова Облака (основная картинка), по видимому, первый обнаруженный объект такого типа. Нашли его как раз по нестандартному химическому составу.
На врезке изображение HV 2112 (в центре каждого рисунка), полученные разными телескопами: «Спитцер» (a), 2MASS (б) — инфракрасный диапазон; DSS2 (в, г) — оптический.
В мае 2014 года представили свои результаты ученые, работающие по проекту исследования галактик Illustris. Проект посвящен моделированию эволюции галактик разного типа на основе наших представлений об этих процессах. В компьютерную программу закладывается информация о распределении материи, звезд, законы звездной эволюции, гравитации, о механизмах излучения. А затем, пошагово, рассчитывается эволюция целой галактики в координатной сетке из более чем десяти миллиардов ячеек. На картинках показан результат моделирования — как выглядят галактики разной массы в разные эпохи. Все рисунки приведены в одном масштабе.
Если смоделированное изображение галактики для разных эпох совпадает с тем, что мы реально наблюдаем, значит, предполагаемые законы эволюции верны. В целом моделирование Illustris действительно соответствует наблюдениям. Видно, что если вначале в галактиках больше голубых (массивных и горячих) звезд, то со временем остаются, в основном, желто-красные звезды типа нашего Солнца, которые живут существенно дольше. Галактика в правом верхнем углу по своим параметрам схожа с нашей — Млечным Путем. Так мы можем увидеть, как выглядел наш звездный дом миллиарды лет назад.
И наконец — самое масштабное (в буквальном смысле, особенно если считать в сантиметрах) открытие уходящего года — выделение локального сверхскопления галактик, к которому принадлежим и мы. То есть галактика Млечный Путь. И не просто выделение, но и выяснение трехмерной структуры этого объекта, получившего название Ланиакеа (в переводе с гавайского — «необъятные небеса»).
Размеры сверхскопления — более 500 миллионов световых лет (в 5 тысяч раз больше Млечного Пути). Объект был выделен по согласованным траекториям движения галактик (белые линии на рисунке) — как вода в русле реки. Наш звездный дом — это черная точка в центре рисунка. Белые точки — другие галактики, в том числе и из соседних сверхскоплений. А фоновым цветом показана плотность материи: синие (и даже черные) области — это пустоты или войды, как их называют астрофизики.