Астрономия конца 2019 года: новости из разных уголков Вселенной

Рис. 1. «Классический» подход к определению значения константы Хаббла основывается на как можно более точном измерении расстояний до удаленных космических объектов. До относительно близких объектов, расположенных не дальше нескольких десятков тысяч световых лет (то есть в пределах нашей Галактики), расстояния измеряют при помощи параллакса. На масштабах вплоть до десятков млн световых лет работают так называемые стандартные свечи, например, цефеиды и сверхновые типа Ia. На более далеких расстояниях приходится обходиться оценками через красное смещение. Рисунок с сайта en.wikipedia.org

В ноябре и начале декабря было опубликовано несколько интересных работ по астрономии и астрофизике. Алексей Левин выбрал четыре из них, чтобы рассказать о последних достижениях в самых разных разделах наук о космосе, каждое из которых не тянет на сенсацию, но может иметь немаловажные последствия. Новости пришли из Солнечной системы, где работающий на орбите астероида Бенну аппарат OSIRIS-REx увидел выбросы вещества с поверхности астероида, и из Млечного Пути, где удалось впервые обнаружить крупную планету у белого карлика, и из далеких галактик: в центре галактики, доминирующей в скоплении Abell 85, найдена самая массивная на сегодняшний день черная дыра. Наконец, есть результаты и на космологических масштабах: астрофизики новым способом определили важнейшие космологические параметры — постоянную Хаббла и суммарную долю обычного вещества и темной материи во Вселенной.

Новый метод измерения космологических параметров

Ученые из Испании, Дании, Исландии, ФРГ и США сообщили о еще одном определении двух важнейших космологических параметров — постоянной Хаббла H₀, которая задает темпы расширения Вселенной в современную эпоху, и Ω_m — суммарной доли обычного (барионного) вещества и темной материи в общем масс-энергетическом балансе Вселенной (см., например, What is the Universe Made Of?). Сотрудник Института физики частиц и космической физики Мадридского университета Комплутенсе Альберто Домингес (Alberto Domínguez Díaz) и его коллеги воспользовались вполне новаторским методом, разработанным и опробованным после 2010 года.

Суть его в следующем. Как было предсказано еще в 1960-е годы (впервые — советским физиком-теоретиком Анатолием Никишовым) и доказано наблюдениями уже в нашем десятилетии, гамма-кванты с самыми высокими энергиями (более 30 ГэВ), мигрирующие сквозь межгалактическое пространство, рассеиваются на менее энергичных фотонах в диапазоне от инфракрасных лучей до ультрафиолета с порождением электронно-позитронных пар. Из-за этого рассеяния интенсивность зарегистрированных на Земле высокоэнергетичных гамма-квантов значительно ослаблена. Этот эффект аналогичен более известному эффекту Грайзена — Зацепина — Кузьмина, из-за которого энергетический спектр протонов космических лучей, приходящих с больших дистанций, обрезается сверху вследствие их взаимодействия с квантами микроволнового реликтового фона, которое влечет за собой рождение пионов.

Фотоны, на которых рассеиваются гамма-кванты (так называемый экстрагалактический фоновый свет, Extragalactic Background Light, EBL), возникли преимущественно в ходе звездообразования на разных стадиях истории Вселенной. Их плотность в нашу эпоху связана с этой историей — на формальном языке, космологически зависима. Следовательно, анализ данных о демпфировании гамма-квантов самых высоких энергий, сделанный на основании общепринятых космологических моделей, позволяет заново оценить скорость расширения Вселенной, которая, в свою очередь, зависит от плотности материи. Эта оценка автономна в том смысле, что не связана с использованием таких общепринятых методов измерения постоянной Хаббла, как анализ угловых температурных флуктуаций реликтового излучения или наблюдение сверхновых типа Ia.

В процессе работы ученые из команды Домингеса использовали данные о взаимодействии гамма-излучения сотен далеких и сверхдалеких блазаров с фотонами экстрагалактического фона, полученные в последние годы космическим телескопом имени Ферми. Эта информация уже позволила реконструировать историю звездообразования на разных этапах эволюции Вселенной на протяжении более 90% космического времени (The Fermi-LAT Collaboration, 2018. A gamma-ray determination of the Universe’s star formation history).

Группа Домингеса определила значение постоянной Хаббла с очень большой (девятипроцентной!) погрешностью, что и не удивительно для первого применения принципиально нового метода. Результат таков: \(H_0=67{,}4^{+6{,}0}_{-6{,}2}\) (км/сек) на мегапарсек. Он полностью совпадает с опубликованной в 2018 году оценкой величины H₀, сделанной на основе последней порции данных, полученных европейской космической обсерваторией имени Планка, которая в 2009–2013 годах проводила мониторинг реликтового излучения (за исключением того, что погрешность планковской оценки составляет менее процента; см. статью From an Almost Perfect Universe to the Best of Both Worlds и серию научных публикаций, выпущенных по итогам анализа данных «Планка»). Это совпадение приобретает особый смысл, если учесть, что в последние годы команда Космического телескопа имени Хаббла постоянно публиковала значения постоянной Хаббла, в среднем равные 74 (км/сек) на мегапарсек. Причины столь сильного расхождения в определении величины H₀ еще не нашли объяснения.

Альберто Домингес и его коллеги также представили автономную оценку величины Ω_m, которая оказалась сильно заниженной. Согласно их вычислениям, Ω_m = 0,14, что приблизительно вдвое меньше общепринятого значения (уже упомянутый последний раунд данных с «Планка» дал значение Ω_m = 0,31). Правда, заявленная ими погрешность в измерении этой величины составляет 50%, так что эти результаты можно рассматривать лишь как демонстрацию возможностей нового метода. Но ведь, как известно, первый блин всегда комом.

Всем дырам дыра

Немецкие астрофизики обнаружили черную дыру рекордной массы. Она скрывается в ядре очень яркой (абсолютная звездная величина равна −24,8) эллиптической галактики Holmberg 15A из скопления Abell 85 (см. List of Abell clusters). Сейчас известно множество галактических черных дыр, чьи массы измеряются миллиардами солнечных масс (на этом фоне трехмиллионная дыра в центре Млечного Пути выглядит очень скромной). Однако черная дыра из галактики Holmberg 15A — это не миллиардник, а десятимиллиардник. Сотрудники Института внеземной физики имени Макса Планка оценили ее массу в 32–48 миллиардов масс Солнца. Это кажется скромным по сравнению с суммарной массой звездного вещества галактики Holmberg 15A, которая составляет не меньше двух триллионов солнечных масс, но все же вдвое больше массы черной дыры в галактике NGC 4889, которая с 2012 года занимала первое место в списке исполинских черных дыр.

Галактика Holmberg 15A не так уж далека от нас. При красном смещении, равном 0,055, она отстоит приблизительно на 700 миллионов световых лет от Млечного Пути. Поскольку радиус фотонного кольца (см.: Фотонная сфера и «тень» черной дыры) вокруг ее центральной черной дыры составляет 2100 астрономических единиц, его внутренняя область видна с Земли под углом порядка двадцати угловых микросекунд. Эта величина лишь чуть-чуть не дотягивает до предельного разрешения интегрированной системы радиотелескопов Event Horizon Telescope, которое составляет 25 микросекунд. В 2019 году создавшая эту систему коллаборация опубликовала прогремевший на весь мир «портрет» черной дыры в галактике M87, который на деле был реконструкцией ее фотонного кольца (см. новость Черная дыра галактики M87: портрет в интерьере, «Элементы», 14.04.2019). Поэтому не исключено, что аналогичный «портрет» черной дыры в галактике Holmberg 15A удастся получить уже в следующем десятилетии.

Плюющийся астероид

6 декабря в журнале Science появилось сообщение американских планетологов, которые управляют работой космического зонда OSIRIS-REx, запущенного с мыса Канаверал 8 сентября 2016 года (см. картинку дня OSIRIS-REx). Этот аппарат около двух лет ведет наблюдения за открытым в сентябре 1999 года астероидом 101955 Бенну — пока еще в пассивном режиме. Летом 2020 года зонд опустится на его поверхность, возьмет пробы вещества и три года спустя доставит их на Землю. Стоит отметить, что это первая космическая миссия НАСА с такой программой.

Для начала ознакомимся с ее объектом. Бенну обращается вокруг Солнца по не особенно вытянутой орбите, в максимуме удаляясь от него на 1,4 астрономической единицы и приближаясь на 0,9 а. е. Похожий на юлу астероид невелик и не слишком тяжел, его поперечник не превышает полукилометра, а масса равна 78 миллионов тонн. Малая плотность вещества этого небесного тела позволяет предположить, что оно сложено из смерзшихся кусков твердой породы, между которыми имеются значительные пустоты. По составу он принадлежит к семейству углеродистых астероидов — хондритов. Как и подобает юле, он вращается вокруг продольной оси, совершая один оборот за 4,3 часа.

Еще четверть века назад астероиды считали телами без какой-либо поверхностной активности. Однако в 1996 году у астероида 7968 Эльст — Писарро обнаружили хвост из пылевых частиц, выброшенных в космическое пространство. С тех пор астрономы наблюдали пылевые выбросы еще у пары дюжин астероидов. Получается, что некоторые астероиды теряют вещество, как кометы.

Как оказалось, на это способен и Бенну. Профессор Аризонского университета Данте Лауретта (Dante Lauretta) и его коллеги обнаружили, что в январе-феврале 2019 года он трижды извергал из себя от ста до двухсот частиц сантиметрового размера, причем зоны выброса не перекрывались. Об этом они докладывают на страницах журнала Science. Скорости выброшенных частиц варьировали от нескольких сантиметров в секунду до трех и более метров в секунду. Некоторые частицы осели на поверхность астероида, а некоторые безвозвратно улетели в пространство.

Два выброса материала с поверхности астероида Бенну, произошедшие 6 января (A) и 19 января (C) 2019 года. Снимки сделаны камерой NavCam 1 аппарата OSIRIS-Rex. Каждое изображение — композиция двух кадров: сам астероид снимался с короткой выдержкой (1,4 мс), а частицы — с длинной (5 с). Справа желтыми стрелками показаны направления движения более медленных частиц, красными стрелками — более быстрых, которые за время выдержки успели сдвинуться на заметное расстояние и потому выглядят как штрихи. Голубые крестики — предполагаемые эпицентры выбросов. Рисунок из обсуждаемой статьи D. S. Lauretta et al. в Science

Ученые пока не могут однозначно объяснить эти выбросы, однако рассматривают в качестве возможных три причины. Первая — это термические напряжения. Температура поверхности астероида в его «дневное» время доходит до 400 кельвинов, а в «ночное» опускается до 150. Такие перепады могут привести к появлению трещин и выбросам образовавшихся при этом осколков. Вторым фактором может оказаться потеря воды слоистыми силикатами (филлосиликатами) на его поверхности, обусловленная ее разогревом солнечными лучами. В этом случае давление образовавшегося водяного пара может приводить к отщеплению обломков породы. Третья правдоподобная причина — бомбардировка астероида мелкими космическими частицами, метеороидами. Эти механизмы могут быть независимы друг от друга, но могут и взаимодействовать. Как бы то ни было, есть все основания полагать, что поверхностно-активных астероидов куда больше, чем кажется сейчас.

Спутники белых карликов

Подавляющее большинство ныне существующих звезд, в том числе и наше Солнце, со временем станут белыми карликами. Те, которые обладают планетами, могут сохранить некоторые из них и после этой трансформации. Однако превращение звезды в белый карлик — весьма серьезный катаклизм, которому предшествует потеря ею гидростатической устойчивости и многократное увеличение в размерах. Попадая внутрь сильно раздувшейся звездной оболочки, близкая планета может попросту сгореть или, как минимум, сильно прожариться. Так, Меркурий и Венера наверняка не переживут раздувания Солнца, радиус которого увеличится не меньше, чем в 200 раз. Поскольку послесолнечный белый карлик окажется значительно легче звезды-предшественницы, он может не удержать внешних планет.

До недавнего времени не было известно ни единого белого карлика, имеющего хотя бы один холодный спутник. Однако астрономы наблюдали (впрочем, весьма нечасто) белые карлики, окруженные газо-пылевыми дисками. А в таких дисках могут скрываться и тела макроскопического размера.

Информация о возможном открытии первого такого тела была опубликована в апреле 2019 года. Борис Гензикке (Boris T. Gänsicke) и его коллеги обнаружили периодические сдвиги спектральных линий излучения горячего диска, окружающего белый карлик SDSS J122859.93+104032.9, удаленный от Солнца на 400 световых лет. Они интерпретировали эти сдвиги как возмущения вещества диска, вызванные движением тела диаметром от 4 до 600 километров, которое обращается вокруг карлика на высоте от двух до двухсот километров. По масштабам Солнечной системы это не планета, а лишь астероид, хотя и не из самых малых.

А только что появилось куда более сенсационное сообщение, опубликованное в журнале Nature. Команда астрофизиков под руководством Гензикке заявила о вероятном открытии крупной планеты, обращающейся на близком расстоянии вокруг горячего белого карлика WDJ0914+1914, находящегося в созвездии Рака и отдаленного от нас на полторы тысячи световых лет. Наблюдения в чилийской обсерватории Very Large Telescope, принадлежащей Европейскому космическому агентству, показали, что он окружен газовым диском, состоящим в основном из водорода, кислорода и серы. Карлик стягивает на себя (аккретирует) вещество диска в количестве 3300 тонн за секунду. Ученые полагают, что источником газа служит планета с массой порядка массы Нептуна, которая обращается вокруг карлика по эллиптической орбите с большой полуосью в 15 солнечных радиусов (приблизительно 10 миллионов километров). Излучение карлика испаряет атмосферу планеты, чем обеспечивает устойчивую аккрецию из диска на его поверхность.

Авторы статьи в Nature построили модель будущего этой странной пары. Сейчас поверхность WDJ0914+1914 нагрета до 27 750 кельвинов. Через 350 миллионов лет она остынет столь сильно, что газовая оболочка планеты-спутника практически прекратит испаряться. Интересно, что сама планета за это время похудеет всего на 4 процента первоначальной массы.

Белые карлики относят к классу компактных космических объектов, в который входят также нейтронные звезды и черные дыры. У нейтронных звезд в лице пульсаров тоже найдены планеты, причем даже раньше, чем у звезд главной последовательности. Их искали с начала 1970-х годов, однако долгое время эти усилия разве что приводили к псевдооткрытиям. И только в 1992 году работавшие в США поляк Александр Вольщан и канадец Дэйл Фрейл обнаружили две планеты, обращающиеся вокруг миллисекундного пульсара PSR 1257+12, отдаленного от Солнца на 980 световых лет (подробнее об этом открытии и о том, почему Вольщан с коллегами не получили Нобелевскую премию, можно прочитать в новости Нобелевская премия по физике — 2019, «Элементы», 10.10.2019). Позднейшие вычисления показали, что планет даже не две, а три. Самая легкая из них вдвое тяжелее Луны, массы двух других равны 4,3 и 3,9 масс нашей планеты. Естественно, что они не годятся на роль прибежища жизни любого мыслимого типа.

Эти тела и стали первыми открытыми экзопланетами. В 2000 году планета с массой в две с половиной массы Юпитера обнаружилась у очень экзотической двойной системы, состоящей из пульсара PSR B1620-26 и белого карлика WD B1620-26. В 2014 году две планеты юпитерианской массы были найдены у пульсара PSR B0943+10, а тремя годами позже планета вдвое тяжелее Земли нашлась вблизи пульсара PSR B0329+54. Так что сейчас нейтронные звезды могут похвастаться куда большим числом планет, чем белые карлики.

Источники:
1) A. Domínguez, R. Wojtak, J. Finke, M. Ajello, K. Helgason, F. Prada, A. Desai, V. Paliya, L. Marcotulli, and D. H. Hartmann. A New Measurement of the Hubble Constant and Matter Content of the Universe Using Extragalactic Background Light γ-Ray Attenuation // The Astrophysical Journal. 2019. DOI: 10.3847/1538-4357/ab4a0e.
2) K. Mehrgan, J. Thomas, R. Saglia, X. Mazzalay, P. Erwin, R. Bender, M. Kluge, M. Fabricius. A 40-billion solar mass black hole in the extreme core of Holm 15A, the central galaxy of Abell 85 // препринт arXiv:1907.10608 [astro-ph.GA] (статья подана в The Astrophysical Journal).
3) D. S. Lauretta et al. Episodes of particle ejection from the surface of the active asteroid (101955) Bennu // Science. 2019. DOI: 10.1126/science.aay3544.
4) B. T. Gänsicke, M. R. Schreiber, O. Toloza, N. P. Gentile Fusillo, D. Koester & C. J. Manser. Accretion of a giant planet onto a white dwarf star // Nature. 2019. DOI: 10.1038/s41586-019-1789-8.

Алексей Левин