13.05.2016. - Тайну черных дыр разгадали

Тайну черных дыр разгадали

Какое небесное тело забрызгало Землю космическими нечистотами? Откуда взялось золото и как с этим жить? Об этом и многом другом в обзоре главных достижений астрофизиков, подготовленном «Лентой.ру».

Золото дождем

Слияния — важный процесс для мировой экономики. Например, слияния нейтронных звезд. Именно в таком событии когда-то возникла значительная часть атомов золота, формирующего сегодня золотовалютные резервы многих государств. Да и во Вселенной в целом слияния компактных объектов (к которым относятся и нейтронные звезды, и черные дыры) связаны с очень разнообразной физикой, поэтому за ними всегда интересно наблюдать. И поэтому хотелось бы знать, где вероятность их обнаружения больше.

Слияния в мире звезд, вообще говоря, редки. Столкнуть в космосе два объекта — задача непростая. Во-первых, поскольку расстояния между звездами в галактиках очень велики, то единственная реалистичная возможность слиться есть только у тех звезд, которые составляют двойную систему. Но с другой стороны, именно компоненты двойной системы столкнуть сложнее всего — мешает закон сохранения момента импульса. Тот самый закон, который не позволяет спутникам упасть на Землю, несмотря на земную гравитацию.

Если нет внешнего воздействия, то изменить орбиту одной из компонент системы так, чтобы она упала на вторую за время существенно меньшее, чем время жизни Вселенной, практически невозможно. Конечно, момент импульса постепенно уносится гравитационными волнами, неизбежно излучаемыми такой системой. Но это малоэффективный процесс, он может длиться миллиарды лет. Именно столько, как мы себе представляем, пришлось ждать той паре черных дыр, гравитационно-волновой сигнал от которых и был зафиксирован в эксперименте LIGO в 2015 году.

Поэтому все-таки нужно искать внешнее воздействие. И первый кандидат на эту роль во Вселенной — конечно же, гравитация дополнительного, третьего, тела. Чем оно массивнее и ближе, тем лучше. Например, сверхмассивная черная дыра в центре галактики. Как влияет ее гравитация на орбиты двойных систем, находящихся в непосредственной близости? Ответ на этот вопрос представили американские астрономы. Вообще-то, этот ответ известен уже более 50 лет и носит название механизма Козаи-Лидова в честь советского механика Михаила Лидова и японца Есихиде Козаи, еще в 1962 году независимо друг от друга решивших такую задачу. Правда, применительно к спутникам планет и астероидам. В новой же работе рассматриваются, в первую очередь, сливающиеся черные дыры (ЧД), что особенно актуально после открытия LIGO.

Механизм Козаи-Лидова приводит к тому, что орбита звезд двойной системы в присутствии третьего тела циклически деформируется, становясь то более вытянутой, то, наоборот, более округлой. А на очень вытянутой орбите звезды могут пройти очень близко друг от друга. Скажем, кометы, отличающиеся вытянутыми орбитами, способны так сблизиться с Солнцем, как ни одна из планет. В двойной системе подобное сближение может закончиться столкновением.

Американцы промоделировали эволюцию системы из двух черных дыр звездных масс, находящихся в пределах одного парсека от другой, тяжелой, ЧД с массой до 104 солнечных. Это не так уж и много — ЧД в центре нашей Галактики в 400 раз массивнее. Речь шла об обычной черной дыре промежуточной массы. Выяснилось, что такая двойная система может слиться уже за несколько миллионов, а то и несколько сотен тысяч лет. То есть относительно близкая массивная ЧД приближает слияние, и в центрах галактик такие процессы идут быстрее. В целом, по оценкам авторов исследования, потенциально мы можем рассчитывать на сотню таких событий ежегодно.

Кроме того, если применить те же результаты к другому типу двойных систем — состоящих из не очень массивной обычной и нейтронной звезд, то становится понятным обилие таких систем в центре нашей Галактики. Когда в таких парах нейтронная звезда подходит близко к своему компаньону (то есть ее орбита достаточно вытянута), то она перетягивает на себя вещество с поверхности обычной звезды. Выпадая на нейтронную звезду, вещество разогревается и излучает в рентгеновском диапазоне. Поэтому такие системы получили название рентгеновских двойных. Недавние наблюдения показывают, что в центре Млечного Пути их несколько больше, чем мы ожидали. Новые результаты помогают продвинуться в решении этой проблемы, если допустить, что орбиты маломассивных рентгеновских двойных дополнительно вытянуты именно благодаря механизму Козаи-Лидова под воздействием нашей сверхмассивной ЧД.

Бомбануло?

Слияния слияниями, но основной механизм обогащения межзвездной среды атомами самых различных элементов — это взрыв сверхновой звезды. Когда массивная звезда только образуется, количество тяжелых элементов в ее составе (а для астрофизиков это все, что тяжелее гелия) очень мало. Но на протяжении последующих миллионов лет в ней идут процессы синтеза элементов посредством многократного соединения более легких ядер. Так образуются жизненно необходимые углерод и кислород, а также железо. В конце, когда легких ядер становится недостаточно, синтез прекращается, происходит взрыв (в ходе которого включаются механизмы синтеза еще более тяжелых элементов, таких как никель или свинец), и все это со скоростью десятков тысяч километров в секунду выбрасывается в пространство. Так что взрыв сверхновой сильно загрязняет природу. Правда, потом из выброшенного вещества образуются новые звезды, планеты, а то и разумные существа.

Помимо прочих, сверхновая поставляет и немало радиоактивных элементов. Время их жизни ограниченно (скажем, несколько миллионов лет) — они полностью распадаются, превращаясь в более устойчивые изотопы. Один из них — изотоп железа 60Fe. В нем 26 протонов и 34 нейтрона, а период его полураспада — 2,5 миллиона лет. За это время половина атомов 60Fe превращается в никель, ненадолго задерживаясь в виде кобальта.

Разумеется, на Земле уже давно не осталось тех атомов 60Fe, которые когда-то попали в молекулярное облако — предшественник Солнечной системы — от одного из «родительских» взрывов сверхновых. Это было более 5 миллиардов лет назад, и все они давно распались. Но в природе этот изотоп 60Fe существует. Своим происхождением он обязан космическими лучам — потокам энергетичных заряженных частиц (тех же протонов), попадающих в атмосферу и иногда даже долетающих до поверхности Земли из космоса. Кстати, по большей части они также возникают в ходе взрыва сверхновых.

Альфа-частица (ядро атома гелия), сталкиваясь с ядром 56Fe — самым распространенным изотопом железа, вполне может дать радиоактивный 60Fe. На самой Земле или на поверхности метеорита, который потом принесет этот изотоп на Землю. Поэтому его количество по умолчанию должно согласовываться с количеством регистрируемых космических лучей. Но на практике это не так.

Около двадцати лет назад геологи заметили, что содержание 60Fe в породах дна Тихого океана выше того, которое можно было бы объяснить космическими лучами. Возникла гипотеза, что около двух миллионов лет назад Земля, как и вся солнечная система, пережила «столкновение» с выбросом от взрыва не очень далекой сверхновой. Проще говоря, где-то рядом бомбануло, и нас забрызгало. Если до поверхности Земли из-за плотной атмосферы долетают немногие атомные ядра, то на поверхности космического тела, лишенного атмосферы, их должно быть гораздо больше. Вывод — для проверки гипотезы необходимо изучить изотопный состав лунного грунта на предмет наличия в нем атомов 60Fe.

Что, собственно, и сделали авторы работы, опубликованной в Physical Review Letters. Исследование образцов, доставленных на Землю экипажем «Аполлона-12», а также нескольких железных метеоритов в качестве опорных образцов, действительно показало, что содержание 60Fe на поверхности нашего спутника примерно в десять раз превышает его «естественный» уровень, определяемый космическими лучами. В общем, идея о взрыве сверхновой, «эхо» от которого дошло до нас 1,7-2,5 миллиона лет назад, пока представляется наиболее продуктивной. Это «эхо» повлияло и на ближайшие окрестности Солнца. Что, по мнению авторов, следует учитывать в исследованиях локальной межзвездной среды.

Расовая чистота

В марте 2016 года в журнале Science была опубликована серия статей американских ученых, работавших с данными New Horizons. В июле 2015 года эта космическая станция пролетела на расстоянии 12,5 тысяч километров от Плутона — самой большой из карликовых планет Солнечной системы — и его спутника Харона. Таким образом человечеству удалось исследовать в непосредственной близости уже три объекта-выходца из пояса Койпера (в 1989 году станция «Вояджер-2» еще изучала спутник Нептуна Тритон). Одно из открытий, совершенных учеными, звучит так: все эти три объекта, скорее, различны, чем похожи друг на друга.

Плутон, по иронии, оказался вполне живой, с геологической точки зрения, планетой. В силу большой удаленности от Солнца его поверхность покрыта льдами — замерзшими азотом (N2), окисью углерода (CO), метаном (CH4). Льды обеспечивают рельефу планеты большое разнообразие — от гористой местности до равнин, самую заметную из которых назвали Равниной Спутника (в честь первого искусственного спутника Земли). Это довольно молодое образование возрастом около десяти миллионов лет, почти без ударных кратеров. В то же время на поверхности есть и сильно кратерированные участки, которые позволяют оценить возраст планеты примерно в 4 миллиарда лет, что несколько меньше возраста Земли.

Также на Плутоне обнаружились возвышенности — предположительно вулканического происхождения. Точнее — криовулканического, то есть связанные с извержением метана, аммиака или даже воды.

В целом, геологические процессы на поверхности Плутона во многом обязаны тому немногому солнечному теплу, которое до него доходит. Под его воздействием льды испаряются, формируют атмосферу (в том числе что-то вроде облаков), которая, в свою очередь, взаимодействует с поверхностью. Однако часть деталей рельефа, по мнению ученых, можно объяснить только внутренним источником тепла радиоактивной природы. То есть тепло выделяется в ходе распада радиоактивных изотопов в мантии планеты, и это еще одна движущая сила геологии Плутона.

К тому же выяснилось, что химический состав поверхности планеты очень сильно варьируется даже на маленьких масштабах. Это тоже аргумент в пользу активности геологических процессов, но что именно вызвало такое перемешивание, пока загадка.

В отличие от самого Плутона, его самый большой спутник Харон предстал довольно старым и с застывшей, в прямом смысле, поверхностью. Четыре миллиарда лет назад на нем еще сохранялась криовулканическая активность. Но с тех пор слои поверхности, способные перемещаться и образовывать новые детали рельефа, вероятно, просто испарились и не сумели удержаться вблизи поверхности в силу слабой гравитации этого тела.

Одной фразой результаты пролета New Horizons вблизи Плутона можно выразить так: все оказалось сложнее, чем мы ожидали.

И о погоде

В 2013 году, французские астрономы, работавшие с данными радиотелесокопа GMRT в Индии, сообщили об обнаружении сравнительно яркого радиосигнала от экзопланеты HAT-P-11b, обращающейся вокруг одного из близких красных карликов. По своим параметрам эта планета похожа на наш Нептун, но расположена в 20 раз ближе к своей звезде, чем Земля — к Солнцу. Так что хоть светимость красного карлика втрое слабее, чем солнечная, на HAT-P-11b, мягко говоря, жарко. Это к тому, что обнаруженный радиосигнал точно не искусственного происхождения. К тому же у планеты, вероятнее всего, нет твердой поверхности. Но от этого открытие французов не становится менее интересным.

Планета «светилась» в радиодиапазоне несколько часов. То, что источник был связан именно с планетой, следует из того, что, когда она скрывалась за диском своей звезды (в силу ориентации орбиты), радиоизлучение прекращалось. Но в общем, что-то похожее ученые и ожидали. Экзопланеты могут (или даже должны) светить в радиодиапазоне из-за взаимодействия потоков плазмы с поверхности центральной звезды и магнитосферы планеты. Там должны идти процессы, близкие к тем, которые вызывают северные сияния. Но идти они должны более-менее постоянно. А сигнал, наблюдавшийся французами, просуществовал недолго. Сложно, однако, сказать, сколько именно, но когда через год у ученых возникла техническая возможность повторить наблюдения той же системы, планета в радиодиапазоне уже молчала. Значит, заключили исследователи, либо никакого сигнала не было, и мы просто имеем дело с ошибками обработки наблюдений (c вероятностью 5 процентов), либо нам удалось зарегистрировать какое-то короткоживущее, транзиентное явление, имевшее место, скорее всего, в атмосфере планеты.

Последняя гипотеза интереснее. Поэтому, предположив, что обнаруженный сигнал все-таки реален и имеет отношение к HAT-P-11b, другие ученые (уже из Великобритании) в свежей статье обосновали идею, что наблюдалось не что иное, как мощная гроза в атмосфере планеты. Точнее, сопутствующие ей молнии.

В пользу этой гипотезы говорят два обстоятельства. Во-первых то, что достаточно мощную грозу вполне можно себе представить. Чтобы обеспечить необходимый уровень сигнала, по оценкам, необходима одна молния на квадратный километр поверхности планеты в минуту. Это где-то в 500 раз чаще, чем самая сильная гроза на Земле. Разница большая, но не колоссальная. А во-вторых, наблюдавшееся радиоизлучение не было поляризованным, как и в случае молний. Если бы радиоволны возникали в магнитосфере планеты, то они как раз должны были бы обладать существенной поляризацией.

Если так, то первое наблюдение грозы за пределами Солнечной системы уже состоялось. И у нас еще есть дополнительный шанс это подтвердить. В атмосфере с преобладанием водорода (а у HAT-P-11b это наверняка так) мощные молнии приводят к образованию молекул синильной кислоты (HCN). В ходе перемешивания с другими газами, года через два-три ее средняя концентрация достигнет максимального значения и, возможно, будет доступна для детектирования с Земли — в инфракрасной части спектра излучения планеты возникнут соответствующие линии. Авторы исследования надеются, что такие наблюдения будут выполнены. Тем более что запуск мощной инфракрасной орбитальной обсерватории имени Джеймса Уэбба запланирован уже на 2018 год.

https://lenta.ru/articles/2016/05/12/astro/