Астрономы реализовали новый способ прямых измерений видимого размера звезд на основе изучения дифракционной картины при затмении светила астероидом. Для этого ученые воспользовались неожиданным инструментом: вместо обычных телескопов они использовали черенковские, которые созданы для изучения атмосферных ливней частиц. В результате удалось определить угловые размеры звезд с точностью лучше 0,1 угловой миллисекунды, что на порядок точнее других подобных измерений. Результаты опубликованы в журнале Nature Astronomy.
Угловой размер звезд вместе с измерениями потока излучения позволяет сравнить предсказания теории эволюции светил с параметрами реальных объектов. Однако экспериментальное определение этой величины чрезвычайно трудно, так как межзвездные расстояния в большинстве случае настолько велики, что не позволяют непосредственно увидеть размер при помощи отдельных телескопов. На сегодняшний день с достаточной точностью подобные прямые измерения проведены лишь для небольшого количества относительно близких звезд.
Однако существуют и другие методы измерения размера звезд, одним из которых является покрытие Луной. Так как ближайшее к Земле космическое тело равномерно движется по небу со скоростью примерно 0,55 микросекунд дуги в секунду, то, используя измерения с высоким временным разрешением (лучше 0,1 секунды), возможна оценка размера светил на основе спадения блеска при затмении. Тем не менее этот метод также ограничен временем прохождения Луны и покрываемой ей областью на небе.
В работе под руководством Вистана Бенбоу (Wystan Benbow) из Гарвард-Смитсонианского центра астрофизики описаны результаты первого применения подобной техники, адаптированной для затмений звезд астероидами. Длительность подобных событий уже использовалась в течение многих лет для определения величины самих астероидов, но в новой работе удалось оценить размеры звезд на основе измерений интерференционной картины, то есть неравномерных изменений яркости на границе тени. Для проведения данного исследования ученые воспользовались не обычными телескопами, а специфическими приборами, предназначенными для изучения фотонов очень высоких энергий — черенковскими телескопами.
Когда частица прилетает из космоса к Земле, то она реагирует с атомами и молекулами верхних слоев атмосферы. Если исходная энергия частицы была достаточно велика, то в результате такого взаимодействия возникает каскад реакций, в котором рождается множество вторичных частиц — атмосферный ливень. Многие из этих частиц заряжены и при движении со скоростью выше фазовой скорости света в данной среде порождают черенковское излучение, которое регистрируется на поверхности Земли в виде очень коротких вспышек света в оптическом диапазоне продолжительностью около наносекунд.
В зависимости от типа исходной частицы порождаются ливни с разным углом раствора. В частности, это позволяет отделить события, порожденные массивными частицами (космическими лучами), от фотонов очень высоких энергий. Исследованием последних занимается наземная гамма-астрономия, которая использует черенковские телескопы. По сравнению с обычными телескопами, они обладают плохим угловым разрешением, но намного превосходят их по временному, то есть способны собирать данные сотни, а иногда и тысячи раз в секунду.
Обычно черенковские телескопы наблюдают короткие вспышки синего свечения в атмосфере, но в рамках новой работы астрономы напрямую наблюдали ими звезды. Авторы использовали расположенный в США массив черенковских телескопов VERITAS. Ученым удалось измерить размер звезды TYC 5517-227-1 при помощи наблюдений затмений 60-километровым астероидом Импринетта — он оказался равен 0,125 миллисекунд дуги. Так как расстояние до этого светила составляет 2674 световых года, то реальный размер оказывается примерно в 11 раз больше Солнца. Этот результат позволяет отнести данную звезду к классу красных гигантов, в то время как до этого она не была однозначно классифицирована.
Второй изученной звездой стала TYC 278-748-1, которую затмевал астероид Пенелопа диаметром 88 километров. Анализ показал, что диаметр звезды составляет 0,084 миллисекунды, а физически она в 2,17 раз больше Солнца. Это светило изучено намного подробнее. В частности, на основе теории предсказывалось, что его размер должен быть равно 2,173 диаметра Солнца — таким образом, данные двух принципиально разных методов совпали с высокой точностью. Авторы отмечают, что это наименьший угловой размер звезды, когда-либо определенный при помощи прямых измерений — он примерно в 10 раз меньше достигнутых методов лунных затмений и по крайней мере в 2 раза лучше, чем было возможно при помощи интерференции.
Другой пример использования покрытия ярких объектов темными — транзинтный метод поиска экзопланет, который на данный момент является самым продуктивным по количеству обнаруженных объектов. Также марсоход «Кьюриосити» недавно наблюдал затмение Солнца спутниками Красной планеты. Определение радиусов затруднительно также для таких хорошо известных светил как Полярная звезда. Тем не менее, в прошлом году это удалось сделать при помощи косвенных измерений.
Тимур Кешелава