Вселенная, как всегда, не такая, какой мы её долгое время представляли. Или нет?
Одним из базисных предположений современной космологии является идея об однородности Вселенной: каждый наблюдатель в один и тот же момент независимо от места и направления взгляда обнаруживает во Вселенной в среднем одну и ту же картину. Кажущиеся противоречия (звёзды, галактики и их скопления) на масштабах свыше нескольких сотен миллионов лет должны сглаживаться, считает современное научное сообщество, в том числе и потому, что нет известных физических причин, которые сделали бы разные регионы Вселенной неоднородными.
Увы, наблюдения космического телескопа «Планк» не подтверждают этого: реликтовое излучение в разных полусферах неба оказалось различным, и в его спектрах явно обнаружились аномальные отклонения, а это вроде бы противоречит космологическому принципу. Ранние теории о том, что если мы перейдём к очень большим масштабам, превышающим, скажем, несколько сотен миллионов световых лет, то все неоднородности должны исчезнуть, не сработали. Кроме того, иной оказалась и плотность материи (в том числе и тёмной), и даже скорость расширения Вселенной как будто спорит с другими источниками данных.
Вселенная может быть неоднородна, и наполненные материей регионы — перемежаться огромными пустотами. (Иллюстрация NASA.)
Как всегда, один клан удивлённых теоретиков отправился на поиски объяснений, а другой, не менее шокированный, попытался отыскать в наблюдениях «Планка» неточности. Что характерно, сторонники обоих подходов уже записали на свой счёт определённые успехи.
Первые посчитали, что неоднородность параметров реликтового излучения легко может быть вызвана тем, что наша Вселенная и впрямь описывается не метрикой Фридмана — Леметра, согласно которой она в конечном счёте не «плоская», однородная, а скорее напоминает швейцарский сыр, где насыщенные материей участки соседствуют с крупными пустотами. Гравитация в не насыщенных веществом районах слабая, а в насыщенных — сильная, поэтому они искажают, линзируют лучи света, идущие к нам от дальних объектов. Это, понятно, создаёт и наблюдаемые аномалии реликтового излучения.
Оппоненты в долгу не остались, найдя у «Планка» диапазон, в котором его детекторы были «недостаточно откалиброваны». Впрочем, всё это мы уже проходили с более ранним аппаратом WMAP, который тоже увидел аномалии в реликтовом излучении, а затем их пытались списать на технические проблемы. Поэтому часть теоретиков скептически относится к новым попыткам найти кривизну в зеркале вместо её поиска во Вселенной, которую зеркало отражает.
Галактики и их скопления: дальше, древнее, плодовитее
Немало странного удалось обнаружить в далёких и близких галактиках. Так, космический рентгеновский телескоп «Сузаку» нашёл, что в скоплении Персея, включающем тысячи галактик, тяжёлый элемент по имени железо распределён исключительно равномерно. Чтобы выяснить это с такой точностью, потребовались уникальные условия: скопление очень ярко в рентгеновском диапазоне, и лишь поэтому там получилось увидеть то, что ранее не удавалось заметить в других уголках Вселенной. Только странно всё это: железо в вашей крови (да и по всему мирозданию) в основном наработалось во вспышках сверхновых типа Ia — звёзд, взрывающихся при превышении пороговой массы, что чаще всего случается при слиянии двух белых карликов. Для наблюдаемой в скоплении Персея плотности нужно было всего-то 40 млрд взрывов такого рода, хотя обычно они случаются не чаще раза в год на галактику. А равномерность в распределении железа указывает на то, что все эти десятки миллиардов вспышек произошли до возникновения галактик скопления — то есть от 10 до 12 млрд лет назад.
Сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики NGC 3783 отталкивает от себя больше материи, чем поглощает. Может быть, это общая черта чёрных дыр? (Илл. ESO, Digitized Sky Survey 2.)
Это сурово расходится с сегодняшними представлениями о ранних галактиках и скорости процессов их образования и наработки тяжёлых элементов. Если выводы астрономов верны, то получается, что тяжёлые элементы, нужные для формирования планет земного типа, имелись уже в очень-очень ранней Вселенной, что опять-таки не вписывается в нынешние воззрения.
Частично на загадку может ответить другая находка — галактика z8_GND_5296, мегаакселерат, являющийся, с одной стороны, древнейшей из известных на сегодня (мы видим её такой, какой она была 13,1 млрд лет назад), а с другой — самой плодовитой для близких по массе галактик. Оцените: будучи в тысячу раз легче Млечного Пути, она создаёт звёзды в 150 раз быстрее него! Причём звёзды уже довольно сильно обогащены тяжёлыми элементами (вспомните скопление Персея), что чертовски странно для объекта, возникшего через 700 млн лет после начала времён. С такой скоростью звездообразования вся z8_GND_5296 могла появиться за жалкие 3 млн лет, а это совершенно ненормальный темп для столь крупного образования.
Как будто этого мало, немецкие астрономы поставили ещё и рекорд по дальности обнаружения и регистрации гравитационного линзирования галактик: гравилинза усилила свет от объекта в 9,4 млрд лет. Линзой была компактная галактика, и усилила она свет другой такой же — а значит, уже в столь давнем прошлом Вселенной галактики должны были встречаться чрезвычайно часто — настолько, что Вселенная, по сути, кишела ими.
Чтобы объяснить всё это, следует признать, что либо в наши наблюдения самых разных объектов вкрались какие-то систематические ошибки, либо нам надо браться за поиски механизма сверхбыстрой эволюции галактик в самом начале времён.
Впрочем, и с нашими современниками не всё всегда ясно: галактика M60-UCD1, находящаяся в 54 млн световых лет от Земли, оказывается, при массе в 200 млн солнечных имеет всего 80 световых лет в диаметре. То есть она непредставимо меньше Млечного Пути, а звёзды там расположены в 15 тысяч раз плотнее, чем вокруг Солнца. При этом чёрная дыра в её центре в 2,5 раза тяжелее аналога в центре нашей Галактики. Как полагают открывшие странный объект товарищи астрономы, перед нами остаток старой, некогда огромной галактики, которая в ходе гравитационного взаимодействия с другими потеряла свои внешние части, а оставшийся центр под влиянием тяготения СМЧД со временем стал очень компактным, создав самую плотную из известных галактик. Что ж, быть может, её жителям стоит позавидовать: в среднем их межзвёздное путешествие длится в 25 раз быстрее, чем у нас с вами.
Но не факт, что там есть кому путешествовать. Как показало другое исследование, центр Млечного Пути, уж простите, малопригоден для спокойной жизни. В частности, тамошнее межзвёздное пространство в триллионы раз насыщеннее ионизирующим излучением разных длин волн, и даже без периодических вспышек сверхновых и прочих объектов центральные 500 парсек Галактики — чрезвычайно агрессивная среда. В случае M60-UCD1 (80 световых лет) один-другой мощный катаклизм, вероятно, способен стерилизовать все миры этой крошки...
Чёрные дыры: фонарь, зоопарк и межгалактические путешествия
В последнее время разделить новости о чёрных дырах от вестей о самих галактиках становится всё сложнее: подавляющее большинство известных ЧД — сверхмассивные, находящиеся в центрах своих галактик и играющие ключевую роль в их эволюции. И тем не менее подвижки, случившиеся в наших знаниях о ЧД, слишком велики, чтобы не упомянуть о них отдельно.
Блазар PKS 1424+240: либо мы чего-то не понимаем во внегалактическом фоновом излучении, либо не разбираемся в самих блазарах. (Илл. NASA.)
Сначала — о делах, сравнительно близких к Земле. Как оказалось, скорее всего, представители рода Homo (habilis и erectus) относительно недавно наслаждались ночным освещением поэффектнее, чем в нынешних городах, да ещё и повсеместным. Стрелец А*, сверхмассивная ЧД массой в несколько миллионов Солнц, 2 млн лет назад поглотила большое количество вещества, что привело к образованию двух мощнейших струй-выбросов, так называемых релятивистских джетов, выстреливших в разные стороны от галактического диска. И мы так и не узнали бы о этом, когда б из соседних малых галактик (Магеллановы Облака) не вырвался некогда одноимённый поток газа, который ультрафиолет от струй Стрельца А* ионизировал, причём так, что следы этого явления ещё не успели исчезнуть. Интересно, охотились ли H. erectus ночью? И как восприняли появление на ночном небе странного свечения, которое, по оценкам авторов открытия, сияло ничуть не меньше, чем полная Луна, только продолжалось это 365 дней в году?..
Но при всём местном значении этого события самые интересные новости про чёрные дыры всё же пришли к нам из куда более отдалённых локаций. Так, удалось зарегистрировать гамма-излучение от блазара PKS 1424+240, свет от которого добирался до нас 7,4 млрд лет. Новость поистине шокирующая, поскольку гамма-лучи в космосе взаимодействуют с фоновым излучением (ВФИ) внегалактических объектов. При столкновении фотона гамма-излучения с фотоном ВФИ пара частиц аннигилирует и образует электрон и его античастицу. Чем дольше гамма-фотон путешествует, тем выше вероятность его аннигиляции — а значит, гамма-излучение от блазара просто не может пройти более 3–4 млрд световых лет. А тут речь идёт о куда большем расстояния. И, по всей видимости, наши представления о вероятности столкновения гамма-квантов с ВФИ надо как-то корректировать — или же признать, что сам блазар PKS 1424+240 излучает как-то не так.
Наконец, серьёзно пострадало само представление о чёрных дырах, коих мы считаем этакими монстрами, занятыми лишь превращением окружающей материи в собственную массу. Как показали мультидиапазонные исследования окрестностей чёрной дыры в центре галактики NGC 3783, она отталкивает от себя намного больше материи, чем затягивает в аккреционный диск, откуда «питается». По всей видимости, разогрев материи, вращающейся на сумасшедших скоростях в аккреционном диске, нагревает окружающие газопылевые облака сильнее, чем считалось, и тем самым выталкивает их из окрестностей СМЧД. Следовательно, слишком быстрый набор массы чёрной дырой в таких условиях затруднителен и может случиться только при сближении двух чёрных дыр.
И это далеко не всё: впервые удалось отыскать галактику сразу с двумя активными чёрными дырами, ЧД промежуточных масс; в соседней Туманности Андромеды нашлись буквально десятки чёрных дыр звёздных масс, а в Млечном Пути обнаружена и вовсе самая молодая из известных ЧД... Но читатель и так понимает: тема эта слишком обширна, чтобы быть исчерпаемой.
Звёзды и сочувствующие: сверхъяркие и сверхтусклые
Давно беспокоившие астрономов сверхъяркие сверхновые давали такие мощные вспышки, что просто обязаны были находиться поблизости от нас. Только вот красное смещение показывало, что иные удалены аж на десяток миллиардов световых лет. Подробное исследование SNLS-06D4eu, одной такой сверхъяркой сверхновой, предпринятое в этом году, показало, что на её месте некогда была сверхмассивная звезда, сбросившая оболочку и из-за этого начавшая чрезвычайно быстро вращаться. В итоге коллапс звезды в сверхновую откладывался, а в момент, когда светило-юла всё же чуть теряло скорость вращения и коллапсировало, огромная энергия его магнитного поля одномоментно высвобождалась, порождая те самые чрезвычайно яркие вспышки.
Сверхъяркая сверхновая SNLS-06D4eu и галактика, в которой она находится, показаны стрелкой. (Илл. Supernova Legacy Survey.)
Не обошлось без сюрпризов и среди объектов, которые, строго говоря, звёздами не являются. Речь о коричневых карликах, по массе промежуточных между гигантскими планетами и красными карликами. Как показал 2013 год, представление о сравнительной редкости этих объектов может быть ошибкой, порождённой лишь тем, что формируются они не столько как другие звезды, сколько как планеты — то есть после или помимо возникновения звезды в системе, а не вместе с ним. В итоге коричневые карлики очень редко соседствуют со звёздами, зато часто удалены от них на большое расстояние или вовсе самостоятельно «плавают» во Вселенной, словно планеты-бродяги.
Как будто для подтверждения таких идей, в уходящем году была открыта система из пары коричневых карликов, отстоящая на 6,6 световых года от Солнца, — третья по удалённости от нашей.
WISE 1049-5319, она же «Лахман-15» (по имени открывшего её астронома), тоже показала, что и планеты могут формироваться вокруг коричневых карликов без участия «нормальных» звёзд, образуя настоящие планетарные системы без привычных нам светил.
Планетные системы: разнообразие множеств
Да и вообще в этом году планетарные системы «удались». Чего стоят хотя бы находки «суперюпитера» HD 106906 b, находящегося в 650 а. е. от своей звезды! Таким образом, эта сверхэкзотическая система, отстоящая от нас на 300 световых лет, в двадцать с лишним раз «размашистее» Солнечной.
Впрочем, бывает и по-другому. KOI-351, например, напротив, в двадцать раз компактнее нашей системы: там семь экзопланет умещаются в пространстве, меньшем, чем то, что отделяет Землю от Солнца!
Впечатлили и физические особенности ряда экзопланет. Так, земные астрономы нашли две планеты, по массе близкие к Земле (всего в 6–7 раз тяжелее). Вот только размерами Кеплер-87 c находится между Нептуном и Сатурном, что делает его по плотности равным бальсе, а ещё менее плотный KOI-152 d подобен (по той же плотности) вспененному пластику. Как это могло случиться, если учесть, что температуры атмосфер обеих планет невелики, то есть перед нами не жертвы перегрева? Авторы открытий полагают, что, по причинам, не определяемым внешним воздействием, те или иные планетные системы могут оставить своим планетам при равной стартовой массе совершенно разное количество газа, что и приводит к возникновению типичных «суперземель» с габаритами типичных газовых гигантов.
Наконец, выяснился ещё один немаловажный факт: как и коричневые карлики, обычные планеты тоже могут формироваться без участия звёзд — прямым схлопыванием из газопылевого облака. Следовательно, огромное их количество может быть не «отбившимися от стада», а изначально одиночными планетами, дрейфующими в межзвёздном пространстве и при этом значительно более многочисленными, чем считалось. Отдельные оценки говорят, что бродячих планет в Млечном Пути порядка 200 млрд — то есть столько же, сколько и звёзд вообще.
Подобное разнообразие известных планетарных орбит и параметров — притом что мы пока знаем лишь тысячи планет из неизвестного количества миллиардов, скрывающихся только в нашей Галактике, — говорит о том, что стоит приготовиться к ещё более странным мирам, характеристики и расположение которых пока и вовсе трудно себе представить.
Если вы представите весь этот сервиз внутри земной орбиты, то узнаете о жилищных условиях в системе KOI-351. Правда, бывает и наооборот. (Илл. Shutterstock.)
Что же до самых интригующих на сегодня вопросов к экзопланетам — например, как там у вас с обитаемостью? — то здесь прошедший год особой ясности не принёс. Единственное, что действительно прояснилось, — планеты в зоне обитаемости вокруг красных карликов вполне могут быть обитаемыми даже без магнитного поля (которого у захваченной планеты почти наверняка нет), поскольку, как оказалось, это поле вовсе не главный хранитель «жителей» планет от космической радиации. Основную роль тут играет атмосфера, точнее — её плотность, поэтому-то резкие периодические ослабления магнитного поля Земли в недавнем прошлом и не вели к массовым вымираниям.
Хуже с конкретными цифрами: хотя ближайшую землеподобную планету в зоне обитаемости нам обещают в среднем в 12 световых годах от Земли, астрономы по-прежнему спорят: двадцать, сорок или сколько там ещё миллиардов таких экзопланет есть в нашей Галактике. А те, что не так осторожны, по-прежнему спрашивают: где их обитатели, и не означает ли отсутствие их следов в космосе существование некоей группы факторов, рано или поздно убивающей любой разумный вид?
Что ж, время покажет.
