Щось стало холоднішати

У чому подібність абсолютно чорного тіла і реліктового випромінювання - фотонів, що залишилися після Великого вибуху? Як саме астрофізика допомагає перевірити уявлення фізиків про наш світ - зокрема, сталість фізичних констант? Чи існують блукаючі планети і якщо так, то як їх шукати? Чому одні галактики - червоні, інші - сині, а галактик проміжних кольорів майже не буває? Нарешті, чим науці може допомогти звичайний мобільний телефон?

Холоднішає

За фізичним терміном « абсолютно чорне тіло » ховається ідеалізація - об'єкт, який однаково добре поглинає і випускає електромагнітні хвилі будь-якої довжини. Хороший приклад такого тіла - нагрітий металевий брусок (до слова, зовсім не чорний ). Колір випромінювання бруска залежить від температури - з її ростом метал з темного стає червоним, а потім і біло- блакитним. Цей же ефект характерний і для абсолютно чорного тіла. Він дозволяє приписати кожному кольору якусь температуру.

Зокрема, такий підхід дозволяє приписати температуру реліктовому випромінюванню - фотонам, іспущенний на ранньому етапі існування Всесвіту. Благо характеристики цього випромінювання дуже схожі на характеристики абсолютно чорного тіла. Зараз ця температура становить 2,7 Кельвіна (результат був безпосередньо отриманий обсерваторіями COBE, WMAP і Planck ).

Мільярди років тому ця температура була вище. Те, як саме за ці роки « остигнув » Всесвіт, пов'язано з багатьма фізичними процесами, теоріями і гіпотезами. Якщо нам вдасться виміряти реліктове випромінювання не тільки поблизу Землі, але і в області далеких галактик і скупчень, ми отримаємо дані про те, як Всесвіт « остигаэ » в реальності. Порівнявши ці дані з теоретичними передбаченнями, ми зможемо на практиці, за допомогою астрофізики, перевірити ці фізичні теорії. Наприклад, таким чином можна відповісти на питання : чи завжди фізичні постійні (як, наприклад, постійна тонкої структури) мали ті ж значення, що і зараз?

Саме такий вимір температури реліктового випромінювання й проробила міжнародна група із понад 70 вчених.

Як саме вони вимірювали температуру реліктового вимірювання в далеких від Землі областях? У далеких скупченнях галактик, крім самих галактик, присутня ще і велика кількість дуже гарячого газу з вільних електронів. Стикаючись з цими електронами, фотони реліктового випромінювання розсіюються і при цьому набувають додаткову енергію. Швидкі електрони їх як би підштовхують (це так званий зворотний ефект Комптона ).

Через це спектр реліктового випромінювання, а значить і його температура, локально змінюється: реліктовий фон поруч зі скупченням галактик починає виглядати для нас інакше, ніж в тих областях, де галактик мало ( ефект Сюняева - Зельдовича ). При цьому відношення відповідних зрушень в температурі реліктового фону, виміряних на різних довжинах хвиль, залежать від температури реліктових фотонів в районі скупчення але не залежать від властивостей самого скупчення! Тобто ми можемо не знати в деталях якихось характеристик скупчення, але при цьому вимірювати температуру реліктового фону в його околиці.

Вчені спостерігали 158 скупчень галактик на червоних зсувах ( в астрофізиці відстані до позагалактичних об'єктів прийнято характеризувати червоним зміщенням ) від z = 0,05 до z = 1,35. Останнє зміщення відповідає відстані більше восьми мільярдів світлових років (при віці Всесвіту в 13,7 мільярда років). Для роботи дослідники користувалися телескопом South Pole Telescope, встановленим на Південному полюсі. Справедливості заради треба відзначити, що подібний експеримент - в принципі, не перший. Проте цього разу він зроблений на великій вибірці скупчень галактик - і в тому діапазоні червоних зсувів, для яких подібних даних раніше не було.

Проаналізувавши зібрані дані, вчені визначили залежність температури реліктового випромінювання від червоного зсуву z. Вона виявилася пропорційною величиною 1 + z. Саме це і пророкує сучасна космологія. З одного боку приємно, що правильність наших уявлень про еволюцію Всесвіту в черговий раз підтвердилася. Але з іншого боку, все ж трохи шкода, що не вдалося відкрити щось нове.

Бездомна планета

Екзопланети зазвичай виявляють або за варіаціями радіальної швидкості зірки- господині планетної системи, або по затьмаренням тієї ж зірки планетою, що проходить по її диску. В обох випадках саму планету ми майже ніколи не бачимо і всю інформацію про неї отримуємо з спостережень центральної зірки.

Але є і третій метод, в якому ми можемо собі дозволити не розглядати навіть центральну зірку. Він заснований на так званому мікролінзування.

Якщо якесь масивне тіло виявляється майже строго на прямій, що сполучає спостерігача на Землі і віддалене джерело світла (зазвичай - далеку зірку), то світ цього джерела, заломлюючись в гравітаційному полі масивного тіла, стає для земного спостерігача яскравіше. Тобто гравітаційне поле масивного тіла працює точно так само, як звичайна лінза. Порівнюючи видиму яскравість далекої зірки під час події лінзування і до нього, ми, в принципі, можемо визначити масу об'єкта - лінзи. Сама подія мікролінзування звичайно триває від кількох днів до кількох місяців.

З метою пошуку таких подій розгорнуті кілька спостережних програм (наприклад, OGLE і MOA ). За своєю суттю всі вони зводяться до щоночі моніторингу великої кількості зірок - в надії на те, що якась із них раптом збільшить свою яскравість.

За допомогою таких програм вдалося виявити близько десяти об'єктів масою в кілька юпитерианских (тобто це можуть бути або маломасивні зірки- карлики, або планети - газові гіганти ), для яких не вдається вказати зірки, навколо яких вони обертаються. Можна припустити, що це планети - бродяги : в ході гравітаційної взаємодії зі своєю зіркою і іншими планетами вони виявилися викинуті за межі своїх зоряних систем і тепер поневіряються по галактиці.

Кандидата на роль такої планети-скитальца вдалося знайти групі астрофізиків з різних країн. 26 червня 2011 в Університетській обсерваторії Маунт Джон (Нова Зеландія) вчені виявили підвищення яскравості однієї з зірок, хід якого точно відповідає картині мікролінзування. Аналіз кривої блиску показав, що, по-перше, в якості лінзи може виступати тіло з масою близько чотирьох мас Юпітера, а по-друге, у цього тіла є супутник, який за масою не дотягує навіть до Землі.

Головне слово тут - « може». Природа не дозволила авторам повною мірою насолодитися чудовим відкриттям. Справа в тому, що відстань до системи - лінзи (яку ми безпосередньо не бачимо ) невідомо. І це вносить істотну невизначеність інтерпретацію спостережень.

Точніше, існують дві моделі, які можуть пояснити спостережні дані однаково добре. Перша припускає ситуацію, описану вище - і тоді ми маємо справу з самотньо блукаючою по Галактиці екзопланетою, газовим гігантом і її супутником. Це дивно ще й тому, що виявити супутник у екзопланети поки не вдавалося. Зрозуміло, ми очікуємо, що супутники існують - просто наші пошукові методи ще не настільки чутливі, щоб їх виявити.

Друга модель говорить, що обидва тіла істотно важче і складають систему з маломасивних (близько 0.12 маси Сонця ) зірки і планети, в десятки разів важчою, ніж Земля. Правда, у другому випадку необхідно, щоб далека зірка - джерело і лінзірующая система рухалися один щодо одного з дуже великою швидкістю. А це здається малоймовірним, оскільки зірки, що рухаються дуже швидко, давно б вилетіли за межі Галактики. Це ще один аргумент на користь першої версії. До того ж у статистичному сенсі перша модель виявляється краще другої.

Але все ж автори, залишаючись максимально консервативними (і убезпечивши себе від можливих помилок і претензій колег ), в якості фінального результату пропонують вважати відкриту систему саме маломасивних зіркою з планетою. Обгрунтовуючи це тим, що таких систем в космосі все ж таки більше, ніж одиночних планет з супутниками - і, стало бути, апріорна ймовірність їх виявити - більше. Не виключено, що додатковий аналіз отриманих даних все ж ще переважить чашу терезів на користь блукаючої самотньої планети.

При уважному розгляді (у прямому сенсі цього слова) далеких галактик, точніше, властивостей їх випромінювання, з'ясовується, що всі вони переважно або червоного, або блакитного кольору. Галактик проміжних кольорів ( зелено -жовтих ) істотно менше.

Деталі механізму такого поділу зоряних систем на дві групи не дуже-то відомі. Більш-менш очевидно, що цей ефект пов'язаний з особливостями еволюції зірок в галактиках, адже саме їх світло становить те випромінювання, яке ми спостерігаємо. У свою чергу, різні кольори зірок означають їх різний вік. Велика кількість молодих зірок буде додавати блакитного відтінку галактиці, а старих - червоного.

Таким чином, робиться висновок, що процес зореутворення в блакитних галактиках триває мільярди років і навіть «зараз» там продовжують народжуватися нові зірки. У червоних же цей процес досить швидко згасає, і зірки, що утворилися в них до якогось моменту, просто починають старіти і червоніти. Але що змушує зореутворення в одних галактиках підтримуватися протягом довгого часу, а в інших - швидко затухати?

Найбільш правдоподібною здається гіпотеза про те, що в першому випадку - з синьо -блакитними галактиками, запаси газу (тобто будівельного матеріалу для зірок) в галактиці постійно поповнюються з міжгалактичної середовища. А в другому випадку - з червоними галактиками - велика частина газу була з якихось причин викинута з галактики. Ця гіпотеза - давня, вона активно вивчається.

У липні 2013 року група вчених представила просто пряме наглядове підтвердження тому, що на далеку галактику дійсно випадає достатня кількість міжгалактичного газу . Так підтвердилася перша частина гіпотези.

Тепер інша група астрономів (із США ), дослідивши пару взаємодіючих галактик, що знаходяться на відстані близько мільярда світлових років від нас, виявила в їх найближчій околиці явний істотний недолік того газу, який згодом міг би хоч трохи продовжити процес зореутворення. Цей факт, кажуть автори, можна пояснити саме взаємодією (по суті - зіткненням ) пари галактик. Грубо кажучи, від удару легкий газ у внутрішніх частинах галактик « вибивається » в межгалактическую середу. Зрозуміло, частина його з часом впаде назад. Але, можливо, цього вже буде недостатньо для того, щоб відновити процес зореутворення.

Безпосередньо побачити і вивчити потоки газу в околицях далеких галактик дуже складно - в силу його малої світності. Проте вченим пощастило в тому, що майже в тому ж напрямку, що і ця пара галактик, ми бачимо більш далекий квазар. Його світло як би підсвічує міжгалактичний газ, що дозволяє нам вивчити його властивості. Як мінімум, оцінити його кількість на промені зору за ступенем поглинання випромінювання квазара. Що, власне, і було зроблено.

У результаті сьогодні у нас є прямі (правда, поодинокі, і про це треба пам'ятати ) підтвердження того, що саме потоки газу в околиці галактик впливають на еволюцію їх зоряного населення, а так само того, що зіткнення зоряних систем може бути пов'язано з викиданням газу із систем і освіти тієї самої групи червоних галактик.

Вже не в перший раз любителі астрономії та просто небайдужі люди допомагають професійним ученим робити відкриття. При цьому імена першовідкривачів нерідко приховані за мережевими псевдонімами.

У нашому випадку за цими іменами ховаються користувачі системи розподілених обчислень Einstein @ Home з Канади, Франції та Японії. Вони брали участь у пошуках нових гамма- пульсарів за даними спостережень космічної міжнародної гамма- обсерваторії "Фермі" і причетні до відкриття двох з них. А всього було відкрито чотири нових об'єкти, про що йдеться в статті німецьких і американських вчених.

Протягом останніх п'яти з половиною років обсерваторія "Фермі" проводить огляд усього неба на таких коротких довжинах хвиль електромагнітного випромінювання, що відповідні фотони мають енергії в сотні мільярдів разів більші, ніж фотони видимого світла ( тобто кількох сотень гігаелектронвольт, ГеВ ). Випромінювання настільки високих енергій генерується у Всесвіті в процесах, яким супроводжують екстремальний стан матерії - рух частинок зі швидкостями, близькими до швидкості світла, найпотужніші магнітні та електричні поля, найсильніша гравітація та інше. Джерелами гамма- променів, зокрема, є і деякі нейтронні зірки, четверо з яких якраз були відкриті. Власне, гамма- пульсари - один рідкісних типів нейтронних зірок. Вони являють собою стислі до розміру всього в 20 кілометрів замагніченій ядра колись масивних, але закінчили своє життя у вигляді спалаху наднової зірок.

Фізика явищ, супутніх цим об'єктам ( відкритим не так давно) багато в чому незрозуміла. Так, наприклад, досконалою несподіванкою для вчених було недавнє виявлення квантів дуже високої енергії (більше 100 ГеВ ) від нейтронної зірки, що знаходиться в надрах туманності. У рамках сучасних теорій складно пояснити походження таких квантів. Ми розуміємо, що вони зобов'язані своїм існуванням потокам заряджених релятивістських частинок в магнітосфері нейтронної зірки, але як саме працює такий надефективний механізм добування енергії з руху частинок - залишається загадкою.

Тому нейтронні зірки, що випромінюють в гамма - діапазоні, привертають підвищену увагу астрофізиків. Не завжди вчені володіють достатніми ресурсами, щоб обробити всі вступники спостережні дані. З цієї причини і народжуються проекти типу Einstein @ Home. Це проект ( добровільних) розподілених обчислень, задуманий спочатку для обробки даних з гравітаційно -хвильової антени LIGO ; сьогодні він включає в себе з десяток наукових завдань для різних обсерваторій і об'єднує більше 300 тисяч користувачів. Зокрема, користувачі надають свої комп'ютери для пошуку пульсацій у випромінюванні якого-небудь джерела з тих, які бачить телескоп ім. Фермі

Строго періодичні ( з періодом порядку секунди ) пульсації якраз і є сильною ознакою того, що ми маємо справу, що швидко обертається нейтронна зірка. Чотири знову відкритих гамма- пульсара мають періоди в діапазоні 0,1-0,5 секунди. Це, мабуть, типові гамма- пульсари, що, втім, не применшує значущості зробленого відкриття.

Що примітно, програмне забезпечення проекту Einstein @ Home призначене для роботи не тільки на « повноцінних » персональних комп'ютерах, а й на андроїд - пристроях. Тому хтось, можливо, може сказати, що його телефон настільки розумний, що вже відкрив кілька нових нейтронних зірок (до речі, радиопульсаров, на відміну від гамма- пульсарів, в рамках Einstein @ Home було відкрито більше сотні ). При цьому варто обмовитися, що користувачі, чиї комп'ютери (телефони? ) вчинили це відкриття, що не були удостоєні місця в списку співавторів наукової статті. Вони були згадані в розділі « Подяки » ; як стверджується, їм вручили пам'ятні сертифікати.