Для Вселенной, возраст которой составляет тринадцать с лишним миллиардов лет, год проходит как одно мгновение, а вот для астрофизиков это довольно ощутимый промежуток времени, за который можно многое успеть. Мы попытались составить краткий обзор наиболее интересных, на наш взгляд, исследований, проведенных астрономами в ушедшем году.

Поток открытий за последние десятилетия стал столь впечатляющим, что порой не хватает сил удивляться. Даже весьма серьезные работы не всегда воспринимаются как существенные шаги вперед. В одном лишь архиве электронных препринтов arXiv.org за 2008 год появилось свыше 10 тысяч статей. При этом, конечно, туда попадают не все интересные работы.

Переменность сигнала в эксперименте, соответствующая движению Земли вокруг Солнца. Именно такую переменность должны были бы давать частицы темного вещества. Приведены данные как предыдущего эксперимента DAMA/NaI (слева на графике), так и нового DAMA/Libra. Из статьи arXiv: 0804.2741

В основном прогресс в астрофизике связан с появлением новых инструментов. И 2008 год оставил нам два больших вопроса, связанных с обнародованием экспериментальных данных коллабораций DAMA/Libra и PAMELA. В апреле было сделано заявление о том, что аппаратура проекта DAMA/Libra регистрирует сигнал, который может свидетельствовать о первой прямой (т.е. лабораторной) регистрации частиц темного вещества. Это сообщение стало итогом серьезной многолетней работы, и ученые, входящие в эту коллаборацию, уверены в том, что им удалось учесть все возможные источники ошибок. Однако в научном сообществе возобладали все-таки скептические настроения. К сожалению, та область параметров, на которую указывают результаты DAMA/Libra, пока не подтверждается по данным других экспериментов, если не делать дополнительных предположений о свойствах частиц темной материи. Значит, придется ждать новых данных от других групп, чтобы разобраться с загадочными результатами DAMA/Libra.

Детектор PAMELA. С сайта http://hep.fi.infn.it/PAMELA/

Второй интригующий результат получен в космическом эксперименте PAMELA. Приборы зарегистрировали избыток позитронов в космических лучах (arxiv:0810.4995). Происхождение этой особенности пока не ясно. Наиболее волнующей для ученых стала гипотеза, согласно которой лишние позитроны возникают при распаде частиц темного вещества. Однако в принципе есть и другие возможности. Например, близкие пульсары также могут дать наблюдаемый избыток позитронов. Смущает и то, что коллаборация была вынуждена опубликовать результаты ранее намеченного срока, поскольку после выступления одного из представителей проекта на научной конференции с предварительными результатами одна за другой стали появляться статьи, в которых теоретики торопились предложить свои модели темного вещества и альтернативы, способные объяснить данные PAMELA. Значит, опять, как и в случае с DAMA/Libra, нельзя сказать, что открытие уже сделано, надо ждать новых данных как с самой PAMELA, так и от других экспериментов. Если все подтвердится, то этот год войдет в историю как год величайшего перелома в изучении темного вещества.

Логотип проекта GLAST, который сейчас переименован в честь Энрико Ферми

В 2008 году продолжали вводиться в строй и другие новые инструменты. Так, идут работы над совершенствованием лабораторных детекторов частиц темной материи и над созданием установки AMS-02, которая, как и PAMELA, предназначена для изучения космических лучей. В 2008 году состоялся также успешный запуск гамма-обсерватории GLAST, получившей затем имя Fermi. Одной из важнейших задач этого проекта является обнаружение гамма-лучей, возникающих при аннигиляции частиц темного вещества. Не исключено, что именно данные с Fermi сыграют ключевую роль в разгадке тайны темной материи.

Фотография экзопланеты у Беты Живописца (светлое пятнышко левее и выше центра). Фото ESO/A.-M. Lagrange et al. с сайта ESO

Что касается совершенно достоверных результатов, то здесь по итогам 2008 года трудно выделить явных лидеров. Пожалуй, по сумме баллов выигрывают экзопланеты (общее поголовье которых за прошедший год изрядно выросло). В 2008 году было сделано несколько интересных открытий в этой области. Во-первых, появились новые прямые изображения экзопланет, и в некоторых случаях здесь уместно слово впервые. Впервые удалось непосредственно увидеть несколько планет (arxiv:0811.2606 0811.1994), обращающихся вокруг одной звезды HR 8799 из созвездия Пегаса (хотя, конечно, планетные системы были известны и ранее). Появились первые изображения планет около звезд, подобных Солнцу (речь, например, о звезде 1RSX J160929.1-210524). Удалось получить изображение экзопланеты у звезды Бета Живописца, которая расположена к своей родительской звезде ближе, чем какая-либо иная планета на других подобных снимках. Космический телескоп NASA Хаббл сфотографировал планету у края пылевого диска Фомальгаута (HD 216956) - самой яркой звезды в созвездии Южной Рыбы и одной из ярчайших звезд на всем земном небосклоне. Имеется уже две фотографии экзопланеты, полученные в 2004 и 2006 годах, которые свидетельствуют о том, что планета движется по орбите в полном соответствии с законами небесной механики. Новооткрытая планета (Фомальгаут b), вероятно, близка по массе к Юпитеру, но при этом удалена от своей звезды в четыре раза дальше, чем Нептун от Солнца.

Во-вторых, были открыты интересные экзопланетные системы. Например, у звезды HD40307 открыто сразу три так называемые суперземли. Массы этих планет составляют 4,2, 6,9 и 9,2 массы Земли. Правда, сама система вовсе не похожа на Солнечную: орбиты планет очень близки к звезде, и годы там длятся всего лишь 4,3, 9,6 и 20,5 суток (arxiv:0806.4587).

В-третьих, обнаружена система, которая может оказаться похожей на нашу (OGLE-2006-BLG-109L). Пока там с помощью микролинзирования удалось выявить две планеты, которые по своим параметрам (масса, расстояние от звезды) очень похожи на пару Юпитер-Сатурн (arxiv:0802.1920).

Наконец, уже в декабре появилось сообщение об открытии планеты вокруг звезды, обладающей рекордными параметрами. В стандартной картине образования планет звезда оказывается медленно вращающейся. Однако транзитная планета, обнаруженная в рамках проекта OGLE (OGLE2-TR-L9b), обращается вокруг быстровращающейся звезды. Кроме того, это самая горячая звезда их всех, около которых обнаружены планеты (arxiv:0812.0599).

Переменность в оптического транзиента, сопровождавшего гамма-всплеск GRB 080319b, по данным коллаборации TORTORA

В исследованиях гамма-всплесков существенных прорывов может быть и не было, однако, тем не менее, в 2008 году появилось как минимум два весьма интересных результата. Во-первых, это, конечно, всплеск 080319b (arxiv:0805.1557 0803.3215). Он сопровождался очень ярким (потенциально видимым невооруженным глазом) оптическим транзиентом). Впервые удалось с высоким временным разрешением получить данные о первых секундах всплеска в оптическом диапазоне. Обнаружена интересная переменность в течение этих первых секунд.

Показано положение всплеска на диаграмме длительность-жесткость. Серыми точками показаны другие всплески по данным SWIFT. T90 - время, за которое излучается 90% энергии всплеска. Показатель жесткости (hardness ratio), отложенный по вертикальной оси, определяется как отношение потоков в разных энергетических каналах детектора. Чем выше точка смещена по вертикальной оси, тем жестче спектр излучения всплеска. Видно разделение на длинные мягкие (их большинство) и короткие жесткие всплески. Кружок с числом 6.7 отмечает положение всплеска GRB 080913 по данным наблюдений. Тогда он попадает в длинные мягкие. Точка 0.0 отмечает его положение так, как если бы его измерял наблюдатель, близкий к всплеску. Видно, что он был бы жестким коротким. Также отмечены точки для положения всплеска на z=0.5, где в среднем "сидят" наблюдаемые нами короткие жесткие всплески, и 2.0, где "сидят" длинные мягкие. Из статьи arXiv:0810.2107

Второй любопытный результат связан с всплеском 080913 (напомним, что числа означают год, месяц и день регистрации, а если всплесков было несколько за день, то добавляются латинские буквы в алфавитном порядке). Этот взрыв произошел на очень большом красном смещении z=6,7. Но относится он не к классу длинных всплесков, обычно регистрируемых в молодой Вселенной, а к жестким коротким всплескам (arxiv:0810.2107). Впервые удалось увидеть всплеск такого типа на столь далеком (и надежно определенном!) красном смещении, Вселенной тогда было менее одного миллиарда лет отроду. В стандартной модели такие всплески порождаются слияниями двух нейтронных звезд или нейтронной звезды и черной дыры.

Слева рентгеновское изображение пульсара и его туманности в остатке сверхновой Kes 75 в 2000 г. А справа в 2006 году, когда начался период активности. Снимок обсерватории Чандра, NASA

В астрофизике нейтронных звезд самым интересным можно считать исследование поведения пульсара PSR J1846-0258. Эта молодая нейтронная звезда в остатке сверхновой Kes 75, которая ранее демонстрировала типично пульсарное поведение, а затем вдруг резко увеличила свою светимость и начала испускать вспышки, подобные всплескам магнитаров (arxiv: 0802.1242, 0802.1704). Таким образом ученым удалось увидеть превращение обычного пульсара (пусть и очень молодого и обладающего очень сильным магнитным полем) в магнитар. Это открытие делает картину классификации молодых нейтронных звезд еще более запутанной. Только мы начали привыкать к разнообразию молодых нейтронных звезд, как открылось еще и то, что они могут существенно изменять свои астрофизические проявления и переходить из класса в класс.

Причины различий между молодыми нейтронными звездами пока неизвестны. Также неизвестно и происхождение мощных полей магнитаров. В последнее время начала набирать популярность гипотеза, согласно которой мощное магнитное поле нейтронных звезд связано с мощным полем звезды-прародителя. Эта гипотеза имеет ряд недостатков, но, тем не менее, она активно обсуждается. В этом году появилась статья (arxiv:0803.2691), в которой рассказано об обнаружении двух чрезвычайно массивных звезд с гигантским магнитным полем около килогаусса. Авторы полагают, что именно такие объекты после взрыва сверхновой превращаются в магнитары.

Остаток сверхновой Кассиопея А. Изображение состоит из комбинации оптических, инфракрасных и рентгеновских данных, полученных космическими обсерваториями "Хаббл", "Чандра" и "Спитцер"

В исследованиях сверхновых получен очень красивый результат. Исследуя остаток Кассиопея А, ученые смогли определить тип сверхновой, поймав световое эхо (arxiv:0805.4557, см. изображение вверху). Изучая спектр отраженного сигнала, астрономы, по сути, получают спектр сверхновой во время самого взрыва. Согласно выводу, сделанному на основании данного исследования, сверхновая Кассиопея А относилась в классу IIb. Этот результат можно считать весьма существенным, поскольку практически нет случаев, когда нам доступна информация одновременно о типе взрыва, его остатке и о взорвавшейся звезде.

Изучить механизм взрыва сверхновой помогут, вероятно, также и наблюдения рентгеновской вспышки в галактике NGC 2770 (связанной с выходом ударной волны из звезды-прародителя), а также начальных этапов взрыва красного сверхгиганта - событие SNLS-04D2dc (уже в оптическом диапазоне и силами другой группы). Соответствующие работы также были опубликованы в 2008 году, и до последнего времени столь ранних наблюдений развития вспышки не было (arxiv:0803.3596 0802.1712).

Оптические всплески загадочного источника SWIFT J185509+261406. Из статьи arXiv:0809.4231

В процессе поиска сверхновых ученые иногда натыкаются на совершенно загадочные вспышки. Так, буквально на пустом месте (ни до, ни после вспышки там не удалось ничего обнаружить) удалось наблюдать очень длинный оптический всплеск SCP 06F6 (arxiv:0809.1648). В течение примерно ста дней блеск обнаруженного источника возрастал, а затем примерно столько же времени спадал. Это не похоже на микролинзирование. Вообще ни на что не похоже. Поэтому авторы открытия полагают, что ими обнаружено нечто принципиально новое.

Отчет о наблюдениях других непонятных вспышек был опубликован в двух статьях в Nature (arxiv:0809.4231 0809.4043). После обнаружения 10 июня 2007 года спутником Swift одного из гамма-всплесков были проведены его наблюдения в других диапазонах (рентгеновском и оптическом). Оказалось, что мы имеем дело не с обычным далеким космическим гамма-всплеском, а с активностью некоего относительно близкого объекта в нашей Галактике. Самым необычным проявлением его активности являются оптические вспышки продолжительностью в десятки секунд. Сами авторы открытия полагают, что наблюдали необычную активность уже известного ученым объекта - магнитара. Однако, на наш взгляд, оснований для таких заявлений пока явно недостаточно. Например, гипотеза о вспышках сильно замагниченного белого карлика выглядит ничуть не хуже.

А как обстоят дела с черными дырами? В 2008 году появилось несколько работ на эту тему, заслуживающих упоминания.

На рисунке показано два распределения плотности в скоплении. Нижняя кривая соответствует распределению звезд светящегося вещества. Верхняя отражает вклад темной составляющей массы. Эта кривая получена по результатам изучения распределения скоростей звезд в центральной части скопления. Существенная разница между двумя кривыми говорит о том, что в центре скопления присутствует невидимая масса. Из статьи arXiv:0801.2782

В самом начале года появилось сообщение о том, что по данным наблюдений на космическом телескопе "Хаббл" и наземном телескопе "Джемини", в гигантском звездном скоплении Омега Центавра находится черная дыра промежуточной массы (arxiv:0801.2782). До этого ученым было известно лишь о двух типах черных дыр - сверхмассивных черных дырах в ядрах галактик (массой в сотни тысяч, миллионы или даже миллиарды солнечных масс) и черных дырах звездной массы, возникающих в результате коллапса ядер массивных звезд. Черные дыры промежуточной массы (от десятков до десятков тысяч солнечных масс) долгое время находить не удавалось. А теперь все указывает на то, что в Омеге Центавра масса черной дыры составляет 30-50 тысяч солнечных масс, то есть это явно искомая черная дыра промежуточной массы. Как же возник такой объект? Скорее всего, он является родственником сверхмассивных черных дыр, поскольку Омега Центавра - не обычное галактическое скопление. Оно могло бы быть небольшой галактикой, спутником нашего Млечного пути. Однако в свое время было захвачено и ободрано. Теперь мы классифицируем его как скопление, но о временах его былой славы напоминает массивная черная дыра.

Взаимодействие Омега Центавра и нашей Галактики - это взаимоотношения гиганта и карлика. А что будет при слиянии двух примерно равных по массе галактик с массивными черными дырами в их центрах? Черные дыры могут со временем слиться в единую еще более крупную черную дыру. При этом существенным может стать эффект гравитационно-волновой отдачи, в результате которого итоговая черная дыра приобретет довольно заметную скорость относительно центра масс сливавшейся системы. Связано это с несимметричным излучением гравитационных волн, которые и уносят часть импульса (закон его сохранения, конечно, никто не отменял). Слияния галактик в молодой Вселенной происходили довольно часто, поэтому в достатке должны попадаться также и "отскочившие" черные дыры. В 2008 году было опубликовано исследование, посвященное очень хорошему кандидату в такие объекты. Речь идет о квазаре SDSSJ092712.65+294344.0 (arxiv:0804.4585). Дальнейшие наблюдения должны показать, действительно ли мы видим черную дыру, вылетевшую из центра галактики на "гравитационной ракете".

Формирование сверхмассивной черной дыры самым непосредственным образом связано с формированием и эволюцией самой галактики (arxiv:0804.0773). Поэтому неудивительно, что масса черной дыры коррелирует с различными параметрами галактик. В 2008 году к имеющемуся списку корреляций была добавлена еще одна. Оказалось, что масса черной дыры коррелирует с углом закрутки спиралей галактик. В принципе, такая корреляция ожидалась. Тем не менее - интересный результат.

По горизонтальной оси отложены светимости карликовых галактик, находящихся от нас на расстояниях до 300 парсек, а по вертикальной - их массы (включая массу темного вещества). Хотя их светимости различаются почти в сто тысяч раз, массы отличаются не больше, чем на порядок. Из статьи arXiv: 0808.3772

Кроме спиралей, у многих крупных галактик, включая нашу, есть множество карликовых галактик-спутников (очередную рекордсменку Segue 1, самую тусклую из них, заполненную наибольшим относительным количеством темного вещества, нашли в этом году с помощью Слоановского цифрового обзора неба). С ними связано несколько важных и достаточно сложных вопросов. У нашей Галактики сейчас открыто чуть более 20 спутников, а теоретики предсказывают, что их должны быть сотни. Точнее говоря, численные модели говорят не о галактиках-спутниках, а о гало темной материи. Будут ли такие гало проявляться как ядра галактик отдельный вопрос. И вот на пути его разрешения получен важный результат. Были измерены массы 18 карликовых галактик-спутников (arxiv:0808.3772). Оказалось, что вне зависимости от разницы в светимости, массы у них вполне сопоставимы все они находятся вблизи 10 миллионов солнечных масс. Масса галактики в основном определяется темным веществом. Так вот, теперь есть серьезные указания на наличие универсального минимального масштаба масс галактик порядка нескольких миллионов масс Солнца.

Изображение двойной звезды Бета Лиры, полученное с помощью интерферометра CHARA. Из статьи arXiv: 0808.0932

Современная астрономия славится красивыми картинками. И каждый год их появляется все больше и больше. Однако не всегда красивая картинка несет одновременно и существенную информацию для исследователей. И наоборот, не всегда такая содержательная информация представлена в виде красивой картинки. В 2008 году примечательным исключением из этого правила стало изображение двойной звезды Бета Лиры, полученное на оптическом интерферометре CHARA (arxiv:0808.0932). Тут вам и красивая картинка, и интересный результат, непосредственно связанный с качеством этой картинки. Можно разглядеть, как растянута звезда-донор, вещество которой перетекает на второй компонент двойной системы, образуя вокруг него диск. Это связано с тем, что звезда заполняет свою полость Роша. Тут мы имеем дело с самым первым прямым наблюдением такого искажения формы.

Двойные звезды очень полезны для астрономов. Часто в таких системах одну звезду можно рассматривать как некий зонд, позволяющий нам изучать второй объект. Например, в двойных системах можно определять массы входящих в них объектов. Чемпионами по полезности являются двойные радиопульсары. В 2008 году появился еще один интересный результат. Измерение масс нейтронных звезд в пульсаре PSR J1518+4904 показало (arxiv:0808.2292), что с высокой степенью вероятности звезда, наблюдающаяся как миллисекундный пульсар, во-первых, легче своего соседа, а во-вторых, просто имеет небольшую массу. Если эти измерения верны, то такая система ставит интересные вопросы перед теоретиками, изучающими эволюцию двойных звезд.

Чемпион среди чемпионов это система, в которой оба компонента видны как радиопульсары. В 2008 году появились новые результаты, связанные с этой системой. Многолетние наблюдения позволили обнаружить эффект релятивистской прецессии в системе этого двойного пульсара PSR J0737-3039A/B, позволяющий еще одним способом проверить наше понимание теории гравитации (arxiv:0807.2644). В частности, Общая теория относительности в результате этого эксперимента выдержала очередную проверку. Разумеется, наблюдения будут продолжены, точность проверки и в дальнейшем будет возрастать.

...И в один прекрасный день может потребоваться новая теория. Однако пока стандартные модели проверки выдерживают. Вот и в нейтринной астрономии обнаружен один из предсказанных эффектов. Уже доказано, что существуют нейтринные осцилляции. Есть осцилляции в веществе, и есть осцилляции в вакууме. Это несколько разные эффекты. Когда нейтрино летят к нам из недр Солнца, то в начале работают осцилляции в веществе, а затем в вакууме. Первые существенны для нейтрино с энергией выше 5 МэВ, а вторые для низких энергий, меньше 2 МэВ. Значит, должен быть переход между двумя эффектами. И вот на установке Борексино в Италии удалось обнаружить этот переход (arxiv:0808.2868).

Тестирование Phoenix Mars Lander в земной лаборатории. Фото NASA/JPL/UA/Lockheed Martin

В исследованиях Солнечной системы происходили разные события, вызвавшие куда больший интерес у широкой публики, чем многие астрофизические результаты по объектам дальнего космоса.

Снимки, полученные Phoenix Mars Lander на Марсе и демонстрирующие процесс сублимации марсианского льда в вырытой траншее Додо-Златовласка (Dodo-Goldilocks). Фото NASA/JPL

Американский марсианский спускаемый аппарат "Феникс" (Phoenix Mars Lander), проработавший марсианское лето на северном полюсе Красной планеты и прекративший свою деятельность с наступлением зимы, получил и передал немало интересных данных, которые еще ждут своей обработки. Вероятно, в следующем году появится еще немало интересных публикаций, связанных с этой миссией. Удалось, в частности, доказать наличие замерзшей воды под марсианской почвой. Если "Феникс" скорее всего уже не возродится с приходом следующего лета (его электроника не получает достаточного количества энергии от солнечных батарей и за долгие месяцы выйдет из строя), то продолжающаяся пятилетняя одиссея марсоходов Spirit и Opportunity вызывает настоящее восхищение, ну а снимки с американского орбитального марсианского разведчика Mars Reconnaissance Orbiter и европейского аппарата "Марс-Экспресс" (Mars Express) позволяют углубиться в раннюю историю Марса, проследить его эволюцию, узнать нечто новое о периоде, когда на его поверхности могла существовать вода в жидком виде, и восстановить историю катастрофы, приведшей к появлению характерной марсианской дихотомии (то есть существенных геологических отличий, которые демонстрируют разные полушария Марса).

Снимок поверхности Меркурия, полученный MESSENGERом в ходе сближения с этой планетой 14 января 2008 года. Фото NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington

Конечно, исследования Солнечной системы не ограничивались одним лишь Марсом. Несколько значимых результатов было получено европейским аппаратом "Венера-Экспресс", запущенным с Байконура и несущим несколько российских приборов. Была составлена наиболее совершенная на сегодняшний момент 3D-карта ветров Венеры. Исследования Меркурия американским космическим зондом MESSENGER, возобновленные после 30-летнего перерыва, также принесли несколько интересных открытий, связанных, в частности, с природой небольшого собственного магнитного поля Меркурия. В системе Сатурна продолжает трудиться американский зонд "Кассини" (Cassini). Помимо самого Сатурна и его крупнейшего спутника Титана большой интерес ученых вызвала небольшая сатурнианская луна Энцелад, выбрасывающая в космос ледяные фонтаны и, по-видимому, обладающая подледным океаном.

Ледяные гейзеры на Энцеладе. Фото Cassini Imaging Team, SSI, JPL, ESA, NASA с сайта http://apod.nasa.gov/apod/ap071013.html

Как всегда, не обошлось и без потерь. Так, Большое красное пятно Юпитера поглотило пятно-малыша. Процесс этого поглощения могли наблюдать не только профессиональные астрономы, но и любители с помощью относительно небольших телескопов.

На отдаленных рубежах Солнечной системы продолжаются исследования пояса Койпера. Правда, в этом году о поясе Койпера говорили больше не в связи с какими-то принципиально новыми открытиями, а в связи с кодификацией, проводимой Международным астрономическим союзом. Теперь получили свои окончательные наименования крупнейшие из известных транснептуновых объектов Хаумея (Haumea) и Макемаке (Makemake). Продолжает свой полет к Плутону американский зонд "Новые Горизонты" (New Horizons). Продолжились и исследования самой отдаленной границы Солнечной системы - там, где солнечный ветер сталкивается с межзвездной средой, порождая ударную волну: был запущен аппарат IBEX, призванный построить своеобразную карту гелиосферы.

К исследованиям ближайшего к Земле небесного тела - ее естественного спутника Луны - активно подключились азиатские государства: к Японии и Китаю, выславшим на окололунную орбиту автоматические зонды, занимавшиеся картографированием нашей соседки, присоединилась теперь и Индия, запустившая зонд "Чандраян-1". Серьезных успехов достигли астрономы, проводившие мониторинг околоземного пространства на предмет выявления опасных астероидов и крупных метеоритов. В начале октября впервые удалось предсказать падение болида, вошедшего в земную атмосферу над Суданом.

В 2009 году можно ждать начала работы новых инструментов и новых научных результатов. Будем держать кулаки, чтобы запуски спутников "Гершель", "Планк" и "Кеплер" прошли успешно, и чтобы ученые смотрели на небо еще более вооруженным взглядом. Ведь 2009 год, как известно, назван годом астрономии!

Ссылки на оригинальные статьи можно найти в выборке наиболее интересных работ из обзора астрофизической части Архива препринтов
В сокращенном виде статья опубликована в 20-м номере газеты "Троицкий вариант" от 20 января 2009 г.