Звезды-пришельцы

Астрономические наблюдения ведутся непрерывно с помощью множества приборов, установленных как в разных регионах нашей планеты, так и в космосе. А значит, заметные открытия, расширяющие наши представления о Вселенной, совершаются регулярно, пусть и не все они доходят до широкой общественности в виде научно-популярных новостей. Мы с помощью старшего научного сотрудника лаборатории космических проектов ГАИШ МГУ Антона Бирюкова решили рассказывать читателям N + 1 о самых интересных статьях, вышедших за прошедший месяц на сайте arxiv.org. В первом материале этой серии речь пойдет о том, что нового ученые узнали об окружающем нас космосе в мае 2018 года. Событием этого месяца стала расшифровка данных, собранных телескопом «Гайя» за четыре предыдущих года, — она позволила определить параметры в шестимерном пространстве координат и скоростей для более чем семи миллионов звезд Галактики.

В прошлом месяце астрономы обнаружили рядом с нашей Галактикой звезды-странники, оказавшиеся у нас, вероятно, из межгалактического пространства. А еще нашли экзопланету, похожую на Меркурий, исследовали остаток вспышки сверхновой 1987 года (и снова ничего не нашли), продолжили наблюдать за послесвечением от слияния нейтронных звезд, а также зарегистрировали одно из самых мощных «звездотрясений» на радиопульсаре.

Но одно из самых интересных событий мая произошло (так бывает) в конце апреля, когда на сайте arxiv.org вышла работа трех астрономов из Лейденской обсерватории (Нидерланды) под названием “Gaia DR2 in 6D: Searching for the fastest stars in the Galaxy” («Gaia DR2 в 6D: Поиск самых быстрых звезд нашей Галактики»). Он ней мы и расскажем подробно.

Млечный Путь в шести измерениях

Сперва небольшая предыстория. Двадцать пятого апреля 2018 года коллаборация европейского астрометрического телескопа «Гайя» (Gaia) опубликовала результаты четырех лет работы этого аппарата в космосе (Data Release 2, DR2). Это была уже вторая публикация данных наблюдений с телескопа — первая (Data Release 1) стала доступна в сентябре 2016 года, но именно она стала наиболее информативной.

Благодаря ей мировому сообществу стали доступны координаты, расстояния (точнее — геометрические параллаксы) более 1,3 миллиарда звезд Галактики, что составляет примерно 1 процент от всего звездного населения Млечного Пути. Для сравнения, предыдущий самый масштабный однородный каталог параллаксов, сделанный спутником «Гиппаркос» почти 30 лет назад, содержал в себе лишь около 120 тысяч звезд.

Помимо пространственных положений звезд, «Гайя» также измеряла их яркости, собственные движения (т.е. скорости поперек луча зрения), а для 7,2 миллиона звезд — еще и лучевые скорости. Последние показывают то, как быстро звезда приближается или удаляется от нас.

Таким образом, для более чем 7 миллионов объектов Галактики были получены их параметры в шестимерном пространстве координат и скоростей, что очень важно для исследования кинематики всего нашего «звездного острова», которая, в свою очередь, определяется распределением материи в пространстве. В том числе — темной материи, природа которой еще до конца не ясна.

Публикация этих данных вызвала к жизни настоящий поток статей других исследователей. Что, впрочем, вполне логично. Научное сообщество в целом давно готовилось к появлению релиза, а многие ученые, непосредственно сотрудничающие с коллаборацией «Гайя», получили доступ к свежим данным заблаговременно. Поэтому в мае 2018 года выходило в среднем три статьи в день, так или иначе использующих результаты «Гайи» (если судить по данным NASA Astrophysical Data System). Каждая статья предлагала решение какой-то одной небольшой, но важной задачи.

Карта звездного неба, построенная по результатам первого релиза данных спутника Gaia в 2014 году. На карту нанесены положения более миллиарда звезд. Вдоль ее средней линии проходит плоскость Млечного Пути с его поглощающими туманностями. В правом нижнем углу видны спутники нашей Галактики — Большое и Малое Магеллановы облака. Большие неоднородные «темные пятна» на карте объясняются особенностью метода наблюдений «Гайи».

Одна из таких задач — поиск самых быстрых звезд в Галактике. Этим и занялись ученые из Лейденской обсерватории. «Быстрыми» в Галактике считаются звезды, которые движутся со скоростями, сравнимыми со скоростью убегания из системы. Это от примерно 400 (на периферии) до примерно 600 (в центре) километров в секунду в инерциальной системе отсчета, связанной с потенциалом Галактики. К слову, большинство звезд нашей Галактике движется в 2-3 раза медленнее.

Стоит, правда, оговориться, что речь здесь идет об «обычных» звездах. Если грубо — звездах, похожих на Солнце (тем, что в их недрах идут термоядерные реакции). Дело в том, что в нашей Галактике имеется также популяция нейтронных звезд — остатков звездной эволюции, которые изначально имеют очень высокие скорости, так что половина из них обречена навсегда покинуть Галактику.

«Обычные» же быстрые звезды, их пространственное расположение и кинематика, — это ключ к понимаю: а) механизмов формирования таких объектов, которое зачастую происходит через взаимодействие со сверхмассивной черной дырой в центре Галактики или за счет выброса из двойной системы вследствие взрыва сверхновой; и б) гравитационного поля Галактики. При этом на сегодня нам известно лишь о нескольких десятках «обычных» быстрых звезд.

Автоматизированный анализ 7,2 миллиона звезд из DR2 «Гайи», проведенный лейденскими астрофизиками, принес улов из еще 28 звезд, которые движутся со скоростями около 500-600 километров в секунду относительно центра Галактики.

Авторы не только рассчитали трехмерные скорости движения этих звезд относительно Галактики (кстати, это тоже далеко не школьная задача, несмотря на то, что «Гайя», казалось бы «все измерила»), но еще и реконструировали их возможные траектории за прошедший миллиард лет. И вот здесь их поджидал сюрприз. Оказалось, что две самые быстрые звезды, чьи скорости близки к 750 километрам в секунду, за последний миллиард лет скорее всего (т.е. с очень большой вероятностью) не оказывались в центральных областях нашей звездной системы. Откуда, по идее, следовало ждать их появления, если эти звезды принадлежат нашей Галактике, то есть гравитационно с нею связаны, — именно в центре находится сверхмассивная черная дыра, способная своим воздействием на близко подлетевшую двойную систему выкинуть один из ее компонентов с настолько большой скоростью.

Решить этот парадокс, утверждают авторы, можно, если предположить, что эти две звезды вообще никогда не были частью Галактики, а родились (и были выброшены) в другой, одной из близлежащих к нам галактик. Например, в галактике Большое Магелланово Облако. И к слову, через два дня после этой публикации вышла и другая (от других авторов), где на тех же данных был найден еще один подобный объект.

Экстраполируя, можно заключить, что в ближайшем межгалактическом пространстве существует своя довольно обширная популяция быстрых звезд. А может, и не только в ближайшем. Это необычно и интересно. И чем-то напоминает открытие планет-одиночек, которые существуют в нашей Галактике без своих «хозяйских» звезд.

Строго говоря, пока еще рано делать какие-то далеко идущие выводы. Пару «звезд-пришельцев», найденных в работе лейденских ученых, следует дополнительно изучить, чтобы прояснить вопрос об их возможном внегалактическом происхождении. И, скорее всего, соответствующая работа выйдет через несколько месяцев. Будем следить за новостями.

Изображение остатка вспышки сверхновой 1987А — расширяющаяся оболочка массивной звезды, сброшенная взрывом. В центре остатка, вероятно, находится компактный объект — нейтронная звезда, образованная в результате коллапса ядра звезды-прародительницы

Аналог Меркурия и необычный глитч

И коротко о других научных статьях, опубликованных за последний месяц.

В работе большого коллектива авторов представлены новые результаты ограничений на поток (в смысле яркости) от гипотетического компактного объекта (скорее всего — нейтронной звезды) в центре остатка сверхновой 1987 года в Большом Магеллановом Облаке. Напомним, что это была самая близкая сверхновая из зарегистрированных в эпоху телескопических наблюдений. Объект так пока и не удается зарегистрировать. Возможно, из-за того, что его излучение экранируется пылевой оболочкой вокруг остатка. Современную модель поглощения в такой оболочке те же авторы опубликовали в сопутствующей работе.

В Nature Astronomy вышла статья про первое обнаружение аналога Меркурия среди экзопланет. Как известно, 70 процентов массы Меркурия обеспечивается его металлическим ядром, в то время как у других планет земной группы на ядро приходится только 30 процентов их массы. Но вот суперземля K2-229b (2,5 земных массы) из-за своей компактности (~1,1 радиуса Земли) имеет такое же строение, как Меркурий. Соответственно, на этой планете можно будет проверять гипотезы образования объектов меркурианского типа.

Авторы другой работы увидели, наконец, спадание яркости послесвечения от слияния нейтронных звезд (GRB170817A) в рентгеновском диапазоне. В прошлом году это стало главным событием в наблюдательной астрофизике. Послесвечение после гамма-всплеска (сопутствовавшего гравитационно-волновому) может затухать и быть видимым сотни дней, однако послесвечение этого объекта через 100-150 дней после транзиента, напротив, по неизвестной причине стало становиться более ярким. Теперь же оно, по-видимому, перевалило через максимум и начало медленно затухать.

Наконец, у пульсара в Крабовидной туманности (пожалуй, наиболее известного из всех) обнаружили самый сильный за всю историю наблюдений глитч — кратковременный сбой в периоде вращения и скорости замедления вращения. Частота вращения пульсара (который является нейтронной звездой) увеличилась на 15 микрогерц, а темп замедления кратковременно увеличился на семь процентов. Природа глитчей пока до конца не изучена, хотя их связывают с особенностями внутреннего строения нейтронных звезд и наличием в их недрах сверхтекучей компоненты. Интересно, что при этом самом большом глитче с самим пульсаром ничего видимого не произошло — только поменялся период его вращения.

Антон Бирюков