Детективная история звезды Табби

В январе этого года появилось сразу несколько исследований, касающихся тайны звезды KIC 8462852, более известной как «звезда Табби». Необъяснимые ранее колебания яркости этой звезды заставили даже профессиональных астрономов всерьез обсуждать версию, что вокруг нее находятся циклопические сооружения, построенные высокоразвитой цивилизацией. Редакция N + 1 решила разобраться в хитросплетениях этого астрофизического детектива и поговорила с Андреем Плаховым, руководителем отдела функциональности Поиска Яндекса и одним из соавторов статьи о звезде Табби, опубликованной в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Одно из основных отличий астрономии от других областей науки состоит в том, что методы исследования интересующих нас объектов и явлений являются пассивными и часто требуют больших временных затрат. Мы не можем «пощупать» или как-то повлиять на небесные тела, ставить эксперименты над ними, как это происходит, например, в физике. Некоторый простор для активных исследований космоса предоставляет космонавтика, в частности автоматические межпланетные станции и аппараты, однако применимость таких методов ограничена размерами Солнечной Системы. Основным же способом получения информации о Вселенной является регистрация и анализ электромагнитного излучения или потоков частиц (например нейтрино) от других объектов, а с недавнего времени — еще и гравитационных волн.

Как узнать больше о далекой звезде? Можно, например, проследить за изменением ее яркости в течение определенного промежутка времени. Если яркость звезды будет периодически кратковременно падать, то это может говорить о наличии у нее планеты и позволяет определить ее размеры. Именно такой метод, получивший название «транзитная фотометрия», использует космический «охотник за экзопланетами» — телескоп «Кеплер». Запущенный в 2009 году, он в течение четырех лет наблюдал более 150 тысяч звезд. Архив накопленных данных оказался огромен, и для его обработки астрономы создали проект Planet Hunters, в рамках которого любой желающий мог принять участие в поиске экзопланет.

Странности звезды KIC 8462852

Среди сотен проанализированных кривых блеска была одна, не поддававшаяся объяснению. Она принадлежала звезде KIC 8462852 спектрального класса F, расположенной на расстоянии в 1280 световых лет в созвездии Лебедя, и демонстрировала частые, непериодические падения яркости с разной амплитудой (от 8 до 22 процентов) и длительностью (от нескольких часов до недель).

В сентябре 2015 года в свет вышла статья «Where's the Flux?», в которой были описаны результаты наблюдений и их анализа, а также возможные версии столь странного поведения звезды Табби. Итогом публикации стало не только возросшее внимание к KIC 8462852, но и ее новые названия — «WTF star» (по первым буквам названия статьи) и «звезда Табби» или «звезда Бояджян» (по имени ведущего автора статьи, американского астронома армянского происхождения Табеты С. Бояджян). Астроном Брэдли Шефер проанализировал исторические данные и выяснил, что звезда первый раз наблюдалась в 1890 году и попала в несколько астрономических каталогов. Было определено, что в период с 1890 по 1989 год яркость звезды упала примерно на 20 процентов, что было беспрецедентным поведением для любой звезды подобного типа. Возникло даже предположение об артефактах на старых фотопластинках, однако эта версия была проверена и отвергнута.

Получалось, что мы имеем дело с реальным астрофизическим объектом, который терял яркость в течение десятков лет, что казалось практически нереальным. Дело в том, что звезды сохраняют почти одинаковую яркость на протяжении миллиардов лет, за исключением периодов молодости или финала своей жизни, а также ряда других случаев. Звезда Табби не находится на стадии формирования, не молода и не стара, не является переменной, не показывает аномальной активности и не входит в двойную систему и, за исключением аномальных затемнений, кажется совершенно обычной.

В 2016 году вышла еще одна работа, посвященная новому анализу данных телескопа «Кеплер», результатом которой стало обнаружение аномально быстрого понижения яркости звезды — за 3,5 года почти на три процента, что не наблюдалось у других звезд (правда, потом выяснилось, что это не единственный случай такого поведения). В дальнейшем падение яркости звезды удавалось даже предсказать, однако она вновь удивила исследователей, которые обнаружили в архивах случаи повышения ее яркости.

Тайна звезды Табби оказалась настолько интригующей, что в 2017 году более 1700 человек пожертвовали около 100 тысяч долларов в рамках кампании на Кикстартере, чтобы наземные телескопы, входящие в систему LCOGT обсерватории Лос-Кумбрес, наблюдали за звездой в течение года. К наблюдениям также присоединились множество астрономов-любителей и других обсерваторий по всему миру. Итогом работы стала опубликованная в журнале The Astrophysical Journal Letters статья за авторством более двухсот исследователей во главе с Табетой Бояджян.

Какие же версии предлагались учеными для объяснения столь необычного поведения этого объекта? Одной из первых появилась гипотеза о наличии у звезды роя огромных кометных тел на орбите вокруг нее или околозвездного диска. Однако избытка инфракрасного излучения обнаружено не было, а сама звезда не находится в стадии формирования.

«Кроме того, чтобы получить наблюдаемые колебания яркости, эти гипотетические кометы должны двигаться не хаотически, а странными симметричными формациями, поскольку график некоторых затмений похож на трезубец — сначала наблюдается небольшое понижение яркости, затем чуть более сильное, а потом снова небольшое, почти зеркально симметричное первому», — говорит Плахов.

Версия, связанная с пятнами на поверхности звезды или циклами ее активности, также не подтвердилась — на некоторых участках наблюдений были четко видны короткопериодические колебания, связанные с пятнами и вращением с периодом 0,88 земных суток. Но часть изменений светимости, вызванная этим эффектом, хорошо отделяется от «основных событий», продолжающихся по несколько дней, и в целом совершенно ничего не объясняет.

Было признано маловероятным и влияние черной дыры звездных масс, окруженной диском из холодной материи и находящейся на промежуточном расстоянии между нами и звездой, и полностью отброшена гипотеза наличия у звезды черной дыры-компаньона.

Не было найдено никаких свидетельств в пользу самой необычной версии, по которой звезда Табби окружена астроинженерными сооружениями, например роем Дайсона. Так, в октябре 2015 года Институт SETI «прослушал» звезду при помощи антенной решетки Аллена в радиодиапазоне, однако не нашел никаких доказательств существования там развитой цивилизации, способной создать такой объект. В дальнейшем некоторые астрономы выказывали недовольство такой политикой первоочередного поиска внеземной жизни в аномальных астрофизических объектах и следующей за ним шумихи в СМИ.

По версии астрономов во главе с Табетой Бояджян, данные наблюдений согласуются с оптически тонкими облаками, состоящими из мелкой (менее 1 микрометра) астрофизической пыли, без следов ионизированного газа, и не связаны с непрозрачными макроскопическими объектами (такими как мегаструктуры, планеты или звезды), активностью звезды или аномалиями, связанными с инструментами и методами наблюдений. Однако необходимы дальнейшие наблюдения и их сопоставления с моделями, чтобы прийти к какому-то более конкретному заключению.

Странности графика

График колебаний яркости звезды Табби совершенно сбил астрономов с толку. «Упрощенно говоря, на графике встречаются несколько «трезубцев» — сначала одно небольшое падение яркости, потом подъем (но не до исходного уровня), потом более существенное снижение, новый подъем, снова небольшое снижение, а затем возвращение к исходному значению», — рассказывает Андрей Плахов.

Несмотря на большое количество версий достаточно внятного объяснения этим колебаниям ученые не находили. Можно было бы представить себе некий непрозрачный предмет, периодически затмевающий звезду, но его размер должен в несколько раз превышать диаметр звезды, а форма должна быть настолько причудливой, что в его реальность верить отказывались.

Плахов и его соавторы создали алгоритм, который подбирал по графику колебаний яркости возможные геометрические формы затеняющего тела. В результате перебора множества вариантов астрономы смогли найти достаточно реалистичный и при этом с нужной точностью укладывающийся в наблюдаемую картину.

Основная сложность в решении этой задачи, объясняет Плахов, состояла в том, что для восстановления вида затемняющего объекта по кривой светимости не хватает данных. «Данные, которые нам доступны, это, грубо говоря, одномерный сигнал. Если временно забыть о спектральном анализе, то для каждого момента времени нам известно единственное число: то, на сколько процентов сейчас звезда темнее относительно максимума своей светимости. А восстановить мы хотим форму объекта, проходящего по диску звезды, то есть его двумерный профиль. Иными словами, нам нужно восстановить «двумерное событие» по «одномерным данным», свободных параметров в задаче гораздо больше, чем данных. Это, в частности, означает, что математически корректных решений много. Но большинство из них совершенно нефизичны (хотя инопланетянам построить такой объект, наверное, было бы под силу)», — говорит он.

Вот так могут выглядеть такие нефизичные объекты, порождающих затмения, по форме чем-то похожие на участки кривой светимости звезды Табби:

Соавтор Плахова Рафик Бурн (Rafik Bourne) предложил рассматривать коричневые карлики и газовые гиганты, окруженные пылевыми кольцами, и эта идея оказалась очень плодотворной.

«Вторая проблема состоит в том, что телескоп «Кеплер» сломался в самый неподходящий момент! Новые, но столь же точные и информативные замеры кривой светимости без запуска в космос нового космического телескопа получить абсолютно нереально. Мой соавтор Брюс Гэри, к счастью, отличный астроном-наблюдатель. Он сумел провести наблюдения с поверхности Земли с хорошей точностью, позволившей установить, что кривая светимости в ходе очередного «современного» затмения очень похожа на одно из затмений, зарегистрированных «Кеплером». Таким образом был определен предполагаемый период обращения возможного коричневого карлика, что, в свою очередь, позволило оценить и параметры его орбиты», — отмечает Плахов.

В результате ученые пришли к выводу, что на орбите вокруг звезды Табби может находиться коричневый карлик с массой порядка 15 масс Юпитера, с системой гигантских колец, которые вызывают колебания яркости, проходя по диску звезды. «Эта гипотеза с достаточной точностью объясняет часть странных затмений», — говорит Плахов. Сам карлик можно было бы обнаружить методом Доплера, но это было бы возможно, если бы карлик был сильно ближе к звезде. Засечь транзит карлика по диску звезды также очень трудоемкая задача из-за его небольших (по отношению к звезде) размеров и кратковременности события — необходимо непрерывно следить за звездой несколько лет при помощи достаточно мощных космических телескопов.

Проблема, однако, состоит в том, что внешние границы колец должен быть значительно дальше предела Роша, зоны вокруг планеты, где все тела разрушаются за счет приливных сил. Кольца Сатурна, например, представляют собой перемолотые внутри предела Роша спутники. Кольца, чей радиус больше предела Роша, теоретически должны под действием собственного тяготения собраться в спутник, поэтому существует нижний предел массы «окольцованного» объекта, определяемый сферой Хилла. Правда, отмечает Плахов, у того же Сатурна есть очень «прозрачные» по сравнению с остальными, но все же вполне существующие кольца и за пределами Роша. Но такие объекты и их динамика совершенно не изучены, а известные нам примеры единичны. И в любом случае они намного меньше и менее плотны, нежели предполагаемые кольца коричневого карлика у звезды Табби.

«Можно предположить, что какое-то явление постоянно подпитывает эти кольца, один из вероятных источников — это сублимация замерзшего спутника коричневого карлика. В любом случае, пока для нас это единственная гипотеза, которая позволяет объяснить поведение странной звезды без привлечения инопланетян. Хотя наша работа их и не исключает. Может быть, это действительно процесс строительства неких мегаструктур, но, как известно, любая достаточно развитая технология неотличима от явления природы», — говорит исследователь.

Александр Войтюк