Телескоп «Джеймс Уэбб»

Поиски далеких галактик

Прежде всего 2022 год запомнится началом работы телескопа «Джеймс Уэбб» (James Webb Space Telescope). Он был запущен в самом конце 2021 года. После того как телескоп долетел до своей рабочей орбиты и провел все необходимые тесты, началась рабочая программа. Стоит отметить, что программы наблюдения для таких инструментов всегда разрабатываются заранее. У «Джеймса Уэбба» был отдельный конкурс заявок и обсуждение того, какие самые первые результаты хотят получить ученые. По этой причине первые данные появились очень быстро: к их обработке уже готовились. Так, было обнаружено, что дисковых галактик, похожих на нашу, в молодой Вселенной было больше, чем ранее предсказывали теоретические модели. После стадии ранних научных наблюдений началось выполнение программы, составленной на основе многочисленных заявок, которые подавались учеными из разных стран. Разумеется, все заявки проходили очень строгий отбор. Специальные комитеты отбирают только самые интересные и перспективные предложения. Когда появляется новый инструмент, подобный этому телескопу, конкуренция всегда велика, а написание заявки на исследование — отдельный вид искусства.

Химия экзопланет

Одна из новых заявок касалась экзопланет. С помощью инфракрасной спектроскопии были получены интересные результаты по изучению состава их атмосферы. На одной из таких планет (WASP-39b) обнаружили молекулы диоксида серы, участвующие в интересных химических процессах, например в фотохимическом процессе. Это значимый результат для тех, кто изучает химию экзопланет.

Экзопланета WASP-39b глазами художника. Источник: NASA, ESA, G. Bacon and A. Feild (STScI), and H. Wakeford (STScI/Univ. of Exeter)

Телескоп «Гайя»

Скорость движения звезд

«Джеймс Уэбб» не единственный орбитальный астрономический прибор. В космосе летает много других телескопов. Один из давно и успешно работающих инструментов — это европейский телескоп «Гайя» (Gaia). Его основная задача — измерение точного положения звезд в течение долгого времени. Дело в том, что видимое положение звезд на небе постоянно меняется. Это происходит в первую очередь из-за двух эффектов.

Первый: Земля вращается вокруг Солнца, и если непрерывно смотреть на какую-нибудь звезду, то можно увидеть, что она описывает маленький эллипс на небе. На самом деле звезда стоит на месте, а это мы вместе с телескопом на Земле движемся вокруг Солнца и описываем эллипс. Соответственно, измерение такого периодического изменения положения звезды на небе позволяет определить расстояние до нее, поскольку эффект тем сильнее, чем ближе к нам звезда, и тем больше будет размер этого видимого эллипса совмещения положения звезды.

Второй: Для наблюдателя положение звезд меняется, просто потому, что они имеют скорость относительно Солнца. Измерение такого смещения позволяет определить скорость звезд.

«Гайя» измеряет положение и скорость более миллиарда звезд, а также получает много другой информации: измерение их блеска, спектральные характеристики и т.д. Кроме звезд, телескоп наблюдает другие тела Солнечной системы и далекие внегалактические объекты. Такая информация востребована во всех областях астрофизики.

В 2022 году вышел третий полный релиз данных с телескопа «Гайя» за 34 месяца его работы.

Космический телескоп Gaia. Источник: ESA/Gaia/ DPAC

Поиски двойных звезд

«Гайя» позволяет открывать очень интересные типы двойных систем. Звезды, особенно массивные, любят рождаться в двойных системах, а закончив свою эволюцию, они вспыхивают как сверхновые и могут «давать» нейтронные звезды и черные дыры. Черную дыру можно породить и без взрыва сверхновой, но это финальная стадия эволюции звезды.

Довольно часто двойная система «выживает» после вспышки сверхновой или после образования черной дыры без вспышки. Тогда у нас возникает компактный объект — нейтронная звезда или черная дыра. Мы знаем множество таких систем: вещество с обычной звезды может перетекать на компактный объект — и тогда зажигается видимый рентгеновский источник. Однако вещества может быть недостаточно, и в этом случае яркого рентгеновского источника нет и открыть такую систему довольно трудно. Вплоть до настоящего времени надежного способа обнаружения таких систем не существовало. Спутнику «Гайя» удается выделять такие системы.

Два типа движений, которые видит «Гайя», это видимые движения вследствие того, что Земля вращается вокруг Солнца (это собственное движение, потому что звезды имеют скорость относительно друг друга). Но если звезда входит в двойную систему, то она еще вращается вокруг центра массы этой системы — это еще одно движение, которое «Гайя» может заметить. Соответственно, в данных «Гайи» ученые искали двойные системы, где второй компонент системы достаточно массивный, но невидимый.

Нейтронные звезды имеют массу больше массы Солнца, черные дыры могут быть еще более массивными объектами. Обычные звезды с такими массами достаточно хорошо заметны. Если мы открываем двойную систему, обнаружив движение звезды, измеряем по движению звезды массу второго объекта и получаем две с небольшим массы Солнца, а второй объект невидим, то у нас остается лишь такой выбор: либо это нейтронная звезда, либо черная дыра, то есть компактный объект. Если мы получили три массы Солнца, то перед нами точно черная дыра, а полторы массы Солнца — точно нейтронная звезда.

Благодаря «Гайе» теперь можно выделять много таких систем, где, по всей видимости, невидимым спутником звезды, наблюдаемым телескопом, является нейтронная звезда или черная дыра. Ученые выделили 24 подобные системы.

Траектории движения звёзд в галактике Млечный путь в течение следующие 400 000 лет. Источник: ESA/ Gaia/DPAC

Новые экзопланеты

Помимо основных наблюдений, астрономические приборы видят много разных объектов, и это позволяет делать дополнительные открытия. Так, «Гайя» может открывать новые экзопланеты необычным способом. Мы уже говорили о том, что, наблюдая видимые движения звезды, можно определить массу спутника этой звезды. С помощью этого метода телескоп находит и экзопланеты. Пока этот метод еще не заработал в случае Gaia, зато удалось применить обычный транзитный метод наблюдений. С его помощью обнаруживаются планеты, которые для земного наблюдателя закрывают часть диска звезды, периодически уменьшая ее блеск. В 2022 году «Гайя» представила данные о некоторых из них. Теперь официально существуют планеты Gaia-1b и Gaia-2b. Это два горячих юпитера, обнаруженных транзитным методом.

Открытия и рекорды

Эволюция нейтронных звезд

В новости нередко попадают результаты открытий, которые определяются как «самые-самые», при этом иногда речь идет о довольно посредственных результатах. Однако бывают и открытия, где действительно поставлен рекорд, который ставит людей в тупик. В 2022 году появилась публикация, где речь идет о радиопульсаре с самым длинным периодом вращения. Это не самая медленно вращающаяся нейтронная звезда. В том, что нейтронные звезды могут вращаться очень медленно, в целом нет ничего удивительного, но в данном случае речь идет именно о радиопульсаре. Это ставит перед учеными несколько вопросов.

Первый вопрос относится к механизму излучения: почему он все-таки светит, еще и так ярко? Второй вопрос связан с его происхождением. В эволюции нейтронных звезд остается много белых пятен. Открытие радиопульсара с самым длинным на сегодняшний день периодом вращения ставит перед нами еще одну задачу: узнать, как у не самого молодого пульсара (ему больше пяти миллионов лет) может быть такое сильное магнитное поле.

В стандартной картине эволюции магнитные поля очень трудно сохранить настолько большими в течение долгого времени. Мы можем предположить, что в силу каких-то причин нейтронная звезда родилась с таким продолжительным периодом. Возможно, она замедлилась, взаимодействуя с веществом, оставшимся после взрыва сверхновой. Точного ответа мы не знаем, а это очень существенно для моделей эволюции нейтронных звезд.

Рекорд по массе нейтронной звезды

Второй интересный результат, полученный в прошлой году, — это рекорд по массе нейтронной звезды. Все нейтронные звезды имеют предельную массу. Если мы возьмем нейтронную звезду и будем увеличивать ее массу, в конце концов она сколлапсирует в черную дыру. Точное определение этой предельной массы — важный вопрос для ядерной физики, и ближайшие десятилетия он будет стоять на повестке дня. Поэтому так важно искать все более массивные звезды, подбираясь ближе к этому пределу.

В прошлом году появилась статья, где авторы представили нейтронную звезду, масса которой равна примерно 2,35 массы Солнца. Точность определения массы не рекордная, но в пределах ошибок это самая массивная нейтронная звезда на сегодняшний день.

Быстрые радиовсплески

Наконец, были интересные результаты, связанные с быстрыми радиовсплесками. Напомню, что быстрый радиовсплеск — это феномен, открытый только в 2007 году: на земном небе несколько тысяч раз в день вспыхивают очень яркие, но короткие радиовспышки, их длительность всего несколько миллисекунд. Первые годы велись очень бурные споры об их происхождении. В 2020 году была обнаружена вспышка от галактического магнитара — нейтронной звезды с сильным магнитным полем. Вспышка была отмечена и в радиодиапазоне, и в рентгеновском. Это доказало, что радиовспышки в основном связаны именно с магнитарами. Тем не менее остается много вопросов, связанных с природой быстрых радиовсплесков и происхождением объектов, которые порождают эти вспышки.

В этом году появилась интересная публикация. Ее авторы обнаружили периодичность в таком сложном, изрезанном импульсе быстрого радиовсплеска. Период составил примерно половину миллисекунды, это очень мало. Нейтронная звезда не может вращаться с такой скоростью, это более двух тысяч оборотов в секунду; звезду просто разорвало бы таким быстрым вращением, а вещество начало бы истекать из экваториальной части нейтронной звезды. Теперь мы знаем, что такая периодичность связана с чем-то иным, и это содержит ключ к пониманию того, как возникает излучение быстрых радиовсплесков. Мы получили новую астрофизическую загадку. Если найти решение одной такой загадки, можно решить целую большую проблему! В данном случае — понять, как работают источники быстрых радиовсплесков.

Мощный гамма-всплеск

Еще одна загадка прошлого года — это мощный гамма-всплеск, который наблюдали в октябре. Но существенен не всплеск сам по себе, а то, что от него зарегистрировано гамма-излучение невероятно высокой энергии. Коллаборация «Ковер-2» (гамма-детектор «Ковер-2» Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН) заявила, что они увидели частицу очень высокой энергии, возможно связанную с этим всплеском. Так это или нет, окончательно неясно, пока что ученые занимаются обработкой данных. Если все-таки окажется, что это действительно гамма-квант от гамма-всплеска, у нас появится явление, которое трудно объяснить с точки зрения стандартной физики.

Наука консервативна, и пока ожидания многих людей сводятся к тому, что это был не гамма-квант, а частица космических лучей. Событие выглядело очень похоже на взаимодействие гамма-квантов высокой энергии с атмосферой Земли.

С нетерпением ждем, чем закончится эта история, оставленная нам в наследство 2022 годом.