Уходящий 2016-й навсегда останется в истории науки как год, когда было объявлено о первой (а также второй и третьей) регистрации гравитационно-волновых всплесков. Как мы помним, это были слияния черных дыр звездных масс. По-видимому, это главная научная новость за весь год по всем наукам.
Началась эра гравитационно-волновой астрономии.
В Архиве электронных препринтов (arXiv.org) вышло несколько статей, посвященных самому открытию, много работ, в которых содержатся детали эксперимента, описание устройства установок, а также подробности об обработке данных. И, конечно, появилось огромное количество публикаций теоретиков, в которых обсуждаются свойства и происхождение черных дыр, рассматриваются ограничения на модели гравитации и множество других интересных вопросов. А началось все с работы со скромным заголовком «Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger». Об обнаружении гравитационных волн было написано много, поэтому перейдем к другим темам.
Имена — звездам
Год останется в истории не только из-за гравитационных волн. В 2016-м Международный астрономический союз (МАС) впервые начал массово присваивать имена звездам. Первый шаг был сделан, правда, еще в 2015-м, когда впервые были присвоены имена экзопланетам. Вместе с ними официальные наименования получили и звезды, вокруг которых они вращаются. Однако официальные имена у ярких звезд появляются впервые. Ранее это было вопросом традиции. При этом некоторые известные объекты имели по несколько общеупотребимых имен.
Пока начали с 200 с небольшим известных звезд, таких как Поллукс, Кастор, Альтаир, Капелла… Но лиха беда начало! Звезд-то много!
Звезд много, но для астрономов все-таки важны не имена, а данные. В 2016 году вышел первый релиз данных спутника Gaia, основанный на 14 месяцах наблюдений. Представлены данные по более чем миллиарду звезд (интересно, им всем в будущем дадут имена?).
Спутник работает на орбите уже три года. Первый релиз показал, что все идет штатно, и мы ждем от Gaia важных результатов и открытий.
Самое главное — будет построена трехмерная карта половины Галактики.
Это позволит определить все ее основные свойства с небывалой точностью. А кроме этого, будет получен огромный массив данных по звездам, открыты десятки тысяч экзопланет. Возможно, благодаря гравитационному линзированию удастся определить массы сотен одиночных черных дыр и нейтронных звезд.
Со спутниками связаны многие топовые результаты года. Космические исследования настолько важны, что даже удачно отработавший прототип может попасть в топ-список. Речь о прототипе космического лазерного интерферометра LISA. Это проект Европейского космического агентства. Будучи запущенным в конце 2015 года, всю основную программу аппарат выполнял в 2016-м и крайне порадовал своих создателей (и всех нас). Для создания космического аналога LIGO требуются новые технологии, которые и были испытаны. Все прошло удачно, гораздо лучше ожиданий.
Это открывает дорогу созданию полномасштабного космического проекта, который, вероятно, заработает даже раньше изначально запланированного срока.
Дело в том, что в проект возвращается NASA, которое несколько лет назад вышло из него, что привело к упрощению детектора и снижению его базовых параметров. Во многом решение NASA могло быть связано с трудностями и возросшими тратами на создание следующего космического телескопа — JWST.
В 2016 году, видимо, был преодолен важный психологический рубеж: стало ясно, что проект James Webb Space Telescope вышел на финишную прямую. Был проведен ряд тестов, которые аппарат выдержал успешно. Теперь NASA может тратить силы и средства на другие крупные установки. А мы ждем запуска JWST в 2018 году. Этот инструмент даст множество важных результатов, в том числе и по экзопланетам.
Может быть, даже удастся измерять состав атмосфер экзопланет земного типа в зонах обитаемости.
Планеты всякие нужны
А в 2016 году с помощью Космического телескопа имени Хаббла удалось впервые изучить атмосферу легкой планеты GJ 1132b. Планета имеет массу 1,6 земной и радиус около 1,4 земного. Эта транзитная планета вращается вокруг красного карлика. Правда, не в зоне обитаемости, а чуть ближе к звезде. В настоящий момент это — рекорд. Все другие планеты, для которых удалось хоть что-то узнать про атмосферу, гораздо тяжелее, по крайней мере в несколько раз.
Планеты бывают не только тяжелые, но и плотные. По данным спутника Кеплер, который продолжает работу, «мотаясь» по всему небу, удалось измерить радиус планеты BD+20594b. По данным наземных наблюдений на инструменте HARPS была измерена ее масса. В результате мы имеем планету с массой, соответствующей «нептунам»: 13–23 земных. Но ее плотность говорит о том, что она может целиком быть каменной. Уточнение измерений массы может дать интересные результаты о возможном составе планеты.
Жаль, что для BD+20594b у нас нет прямых изображений. А вот для HD 131399Ab такие данные есть! Именно получение прямого изображения позволило открыть эту планету. Используя телескоп VLT, ученые наблюдали тройную молодую систему HD 131399!
Ее возраст составляет около 16 млн лет. Почему наблюдали молодые звезды? Потому что планеты там лишь недавно сформировались. Если это газовые гиганты, то они еще продолжают сжиматься, а из-за этого являются довольно горячими и много излучают в инфракрасном диапазоне, что и позволяет получать их изображения. Так обстоит дело и с HD 131399Ab. Правда, это одна из самых легких (3–5 масс Юпитера) и холодных (800–900 градусов) планет, для которых есть прямые изображения.
В течение долгого времени главным поставщиком планет был спутник Кеплер. В общем-то так оно остается и сейчас. В 2016 году продолжалась обработка данных первых четырех лет работы. Вышел финальный (как обещают авторы) релиз данных — DR25. В нем представлены данные примерно о 34 тыс. кандидатов в транзитные планеты более чем у 17 тыс. звезд. Это в полтора раза больше, чем в предыдущем релизе (DR24). Конечно, данные о некоторых кандидатах не подтвердятся. Но многие окажутся планетами!
Даже так называемых золотых кандидатов в новом релизе около 3,4 тыс.
По оценкам авторов, в данных Кеплера есть еще сотни планет типа Земли в зонах обитаемости.
О некоторых из таких планет рассказано в статье. Авторы представляют два десятка очень хороших кандидатов в маленькие (менее 2 земных радиусов) планеты в зонах обитаемости. Кроме этого, есть еще много больших планет, также в зонах обитаемости. Напомним, что у них обитаемыми могут быть спутники.
Но самым заметным экзопланетным результатом года стало обнаружение землеподобной (масса более 1,3 земной) планеты в зоне обитаемости у ближайшей звезды Проксима Центавра. Планета не транзитная, ее удалось открыть, измеряя изменения лучевой скорости Проксимы.
Чтобы быть обитаемой, обращаясь вокруг красного карлика, планета должна близко подойти к звезде. А красные карлики очень активны. Неясно, может ли на такой планете появиться жизнь. Открытие Проксимы b подхлестнуло изучение этого вопроса.
Что касается самой Проксимы, то, похоже, окончательно доказано, что она все-таки гравитационно связана с парой солнцеподобных звезд, образующих яркую альфу Центавра (кстати, теперь ее официальное название — Rigil Kentaurus!). Орбитальный период Проксимы составляет примерно 550 тыс. лет, и сейчас она находится в апоастре своей орбиты.
Ближе к дому
От экзопланет и их систем обратимся к нашей — Солнечной — и ее обитателям. В 2016 году были опубликованы основные научные результаты проекта New Horizons по Плутону и его системе. В 2015 году мы могли насладиться снимками, а в 2016-м ученые смогли насладиться статьями. Благодаря изображениям, на которых в некоторых случаях разрешение было выше 100 м на пиксел, удалось рассмотреть детали на поверхности, позволяющие впервые начать изучение геологии Плутона. Оказалось, что на его поверхности есть довольно молодые образования.
Например, на Sputnik Planum практически нет кратеров. Это говорит о том, что поверхность там не старше 10 млн лет.
Был и еще ряд интересных работ по телам Солнечной системы. В 2016 году был открыт спутник у карликовой планеты Макемаке. Теперь все четыре занептуновые карликовые планеты имеют спутники.
Лично мне наиболее запомнится результат по наблюдениям Европы. Еще в 2014 году наблюдения на телескопе Hubble позволили заподозрить наличие водяных выбросов на Европе. Свежие данные, также полученные на нем, дают новые аргументы в пользу присутствия таких «фонтанов». Снимки получены во время прохождения Европы по диску Юпитера.
Это представляется важным, поскольку ранее выбросы надежно наблюдались лишь на Энцеладе.
И в 2016-м наконец-то появился более-менее проработанный проект миссии к этому спутнику. Но Европа — гораздо более доступная цель. Да и вероятность существования жизни в подледном океане там, пожалуй, повыше. Поэтому приятно, что не надо посылать на Европу буровую установку, а достаточно лишь выбрать место, где из недр пробивается вода, и посадить туда биохимическую лабораторию. В 2030-е годы это будет вполне возможно.
Тайна девятой планеты
Однако самой нашумевшей темой по Солнечной системе была (и остается) дискуссия о существовании девятой планеты. В течение нескольких лет накапливаются данные, которые свидетельствуют в пользу того, что в Солнечной системе может быть еще одна массивная планета. Орбиты далеких малых тел оказываются особым способом «выстроены». Чтобы объяснить это, можно привлечь гипотезу о существовании планеты с массой в несколько земных, расположенной в десять раз дальше Плутона. В январе 2016 года появилась работа Батыгина и Брауна, которая вывела обсуждение на новый уровень. Сейчас идут активные поиски этой планеты и продолжаются расчеты, призванные уточнить ее местоположение и параметры.
В заключение отметим еще несколько ярких результатов 2016 года. Впервые удалось увидеть аналог радиопульсара, где источником является не нейтронная звезда, а белый карлик в двойной системе. Звезда AR Скорпиона была когда-то классифицирована как переменная типа дельты Щита. Но авторы показали, что это куда более интересная система. Это двойная звезда с орбитальным периодом три с половиной часа. В систему входят красный карлик и белый карлик. Последний вращается с периодом почти две минуты. На протяжении лет удалось увидеть, как он замедляется. Энерговыделение системы находится в согласии с тем, что его источником является вращение белого карлика. Система переменная и излучает от радио до рентгена.
Оптический блеск может возрастать в несколько раз за десятки секунд. Основная часть излучения приходит от красного карлика, но причиной является его взаимодействие с магнитосферой и релятивистскими частицами белого карлика.
С нейтронными звездами могут быть связаны загадочные быстрые радиовсплески (FRB). Их изучают начиная с 2007 года, но природа вспышек пока не ясна.
А происходят они на нашем небе по несколько тысяч раз в день.
В 2016 году было получено несколько важных результатов по этим всплескам. Первый заявленный результат, к сожалению, не подтвердился, что показывает сложности (а подчас и драматизм!) в исследовании подобных феноменов. Сначала ученые заявили, что видят слабый спадающий радиотранзиент (источник с меняющейся яркостью) на масштабе ~6 дней. Удалось отождествить галактику, в которой возник этот транзиент, она оказалась эллиптической. Если этот медленный транзиент связан с FRB, то это очень сильный аргумент в пользу модели со слияниями нейтронных звезд.
Такие события должны нередко происходить в галактиках данного типа, в отличие от вспышек магнитаров, сверхновых с коллапсом ядра и других явлений, связанных с массивными звездами или молодыми компактными объектами. Казалось, ответ на загадку о природе FRB найден… Однако результат был раскритикован в серии работ разных авторов. По всей видимости, медленный транзиент не связан с FRB. Это просто «работает» активное ядро галактики.
Второй важный результат по FRB был едва ли не самым долгожданным. Казалось, что он внесет ясность, так как речь идет об обнаружении повторных всплесков.
Были представлены результаты по первому обнаружению повторных вспышек источника FRB. Наблюдения проводились на 300-метровом телескопе в Аресибо. Сперва обнаружили десять событий. Темп составил примерно три всплеска в час. Затем было обнаружено еще несколько всплесков того же источника, причем как на телескопе в Аресибо, так и на австралийской 64-метровой антенне.
Казалось бы, такое открытие разом отметает все модели с катастрофическими явлениями (слияния нейтронных звезд, коллапс в черную дыру, рождение кварковой звезды и т.д.). Ведь нельзя 15 раз повторить коллапс «на бис»! Но не все так просто.
Это может быть уникальный источник, т.е. он может не быть типичным представителем популяции FRBs.
Наконец, в ноябре нам показали самый яркий из известных FRB. Его поток в несколько раз превзошел поток первого обнаруженного события. Если же сравнивать со средними показателями, то эта вспышка сияла в десятки раз ярче.
Существенно, что всплеск увидели в реальном времени, а не выявили по архивным данным. Это позволило сразу же «навестись» в эту точку разными инструментами. Как и в предыдущем случае всплеска в реальном времени, никакой сопутствующей активности обнаружено не было. Было тихо и после: ни повторных всплесков, ни послесвечения.
Так как всплеск яркий, то удалось неплохо локализовать место вспышки на небе. В область неопределенности попадает лишь шесть галактик, и все — далекие. Так что расстояние до источника не менее 500 Мпк (т.е. более 1,5 млрд световых лет). Яркость вспышки позволила использовать всплеск для зондирования межгалактической среды. В частности, был получен верхний предел на величину магнитного поля вдоль луча зрения. Интересно, что полученные результаты можно трактовать как косвенные аргументы против моделей FRB с участием объектов, погруженных в плотные оболочки.
В 2016 году было выявлено несколько загадочных мощных вспышек, но теперь уже в рентгеновском диапазоне, природа которых неясна. В работе авторы детально изучили 70 архивных наблюдений галактик на рентгеновских обсерваториях Chandra и XMM-Newton. Результатом стало обнаружение двух источников мощных вспышек.
Вспышки имеют максимум с характерным временным масштабом в десятки секунд, а полная продолжительность вспышек — десятки минут. Светимость в максимуме в миллионы раз превосходит солнечную.
А полная энергия соответствует солнечному энерговыделению за десятки лет.
Причина вспышек неясна, но, по всей видимости, источниками являются аккрецирующие компактные объекты (нейтронные звезды или черные дыры) в тесных двойных системах.
Из отечественных результатов в первую очередь выделим эту работу. Обработка данных космического телескопа Fermi для Туманности Андромеды (М31) и ее окрестностей выявила существование структуры, которая очень напоминает Пузыри Ферми в нашей Галактике. Возникновение такой структуры может быть связано с прошлой активностью центральной черной дыры.
В Туманности Андромеды она в десятки раз тяжелее, чем в нашей галактике.
Так что можно ожидать, что мощное энерговыделение в центре галактики М31, возможно имевшее место в прошлом, породило такие структуры.
Известно, что самые массивные черные дыры находят в гигантских галактиках, сидящих в центрах скоплений галактик. С другой стороны, квазары чаще встречаются не в больших скоплениях, а в группах галактик. При этом наблюдения показывают, что в прошлом (скажем, спустя миллиард лет после Большого взрыва) существовали квазары с черными дырами, чьи массы достигают десятка миллиардов солнечных. Где же они сейчас? Было бы интересно найти такую супермассивную черную дыру в относительно близкой галактике, входящей в состав группы.
Именно это и удалось авторам другой работы. Исследуя распределение скоростей звезд в центральной части галактики NGC 1600, они обнаружили некоторые особенности, которые можно объяснить присутствием черной дыры с массой 17 млрд солнечных. Интересно, что если эти данные верны, то при расстоянии до NGC1600, равном 64 Мпк, черная дыра в ней является одной из самых крупных на небе. Как минимум она входит в четверку самых больших по угловому размеру черных дыр вместе с Sgr A* в центре Млечного Пути, дырой в М87 и, возможно, дырой в Туманности Андромеды.
Наконец, расскажем об одном из результатов российского космического проекта «Радиоастрон». С помощью космического радиоинтерферометра был изучен ближайший квазар 3C273. В небольшой области размером менее трех световых месяцев удалось оценить т.н. яркостную температуру. Она оказалась существенно выше, чем считалось ранее и чем предсказывалось моделями: >1013кельвинов. Ждем результатов «Радиоастрона» по другим активным ядрам.
Что нас ждет в 2017 году? Самое главное открытие предсказать несложно.
Коллаборация LIGO (может быть, вместе с VIRGO) заявит об обнаружении гравитационно-волновых всплесков с участием нейтронных звезд.
Вряд ли удастся сразу отождествить его и в электромагнитных волнах. Но если это произойдет, то станет крайне важным достижением. Детекторы LIGO работают на более высокой чувствительности уже с 30 ноября. Так что, возможно, ждать новой пресс-конференции придется недолго.
Кроме этого, выйдет окончательный релиз космологических данных спутника Planck. Вряд ли он принесет сенсации, но для космологии, которая давно уже стала точной наукой, это очень важные данные.
По-прежнему ждем новых данных от команд, занимающихся поиском гравитационных волн низкой частоты от сверхмассивных черных дыр по пульсарному таймингу. Наконец, на 2017 год назначены запуски спутников TESS и Cheops для поисков и изучения экзопланет. Если все пойдет по плану, то уже в конце 2018 году в итоги могут попасть результаты с этих аппаратов.