Обитаемая экзопланета и океан на Плутоне. Десять астрономических событий года

1. Астрофизики впервые зафиксировали гравитационные волны

Самое грандиозное и фундаментальное открытие года. Гравитационные волны были предсказаны ещё Альбертом Эйнштейном, однако примерно столетие найти их не удавалось. По теории относительности гравитация любого тела искажает пространство — время в своих окрестностях — иногда так, что превращает его в ловушку ("внутренности" чёрной дыры). А если тело движется с переменным ускорением, то в этом искажении начинают возникать неоднородности: гравиволны, рябь на поверхности пространства — времени.

Чтобы измерить эту рябь, нужно взять один пучок света, разложить его оптическими средствами на два или больше и направить их разными оптическими путями. Затем оба луча складываются на фотодетекторе, и разница в их прохождении приводит к изменению тока на нём. Если рядом с интерферометром прошла сильная рябь пространства — времени, его искажение приведёт к тому, что один из лучей достигнет конца своего пути раньше другого. Лазерный интерферометр LIGO разнёс плечи на расстояние в 3000 километров, чтобы понять, откуда именно пройдёт к нему гравитационная волна. Более близкая к её источнику часть интерферометра должна была испытать колебание ряби первой.

В результате в феврале этого года было объявлено о регистрации первого источника гравитационных волн, а середине года — и второго. В обоих случаях источниками была пар сливающихся чёрных дыр. Первый сигнал пришёл от пары массой в 29 и 36 массы Солнца, а второй — от пары в 8 и 14 солнечных масс.

Переоценить значимость этого открытия сложно. До него фактически никаких прямых свидетельств существования чёрных дыр не было: они не излучают свет, и увидеть их в телескопы невозможно. Были наблюдения из их окрестностей, и результаты таких наблюдений в теории нельзя было объяснить другими объектами. Однако речь шла именно что о теории — до открытия гравитационных волн никакие прямые наблюдения существования чёрных дыр организовать было нельзя.

Регистрировать слияние можно с огромной дистанции в миллиарды световых лет, то есть "гравитационный телескоп" оказался ещё и исключительно дальнобойным. Особенно важно то, что метод позволил оценить, какая доля массы чёрных дыр при слиянии превращается в гравитационные волны (примерно 3/65). Основываясь на этих данных, физики Н. Горькавый и А. Васильков предложили довольно необычную гипотезу рождения Вселенной, резко отличающуюся от привычного сценария Большого взрыва. Если она окажется верной, это будет означать, что, по всей видимости, не существует ни тёмной энергии, ни тёмной материи.

2. Впервые удалось заметить процесс образования чёрной дыры из звезды

Красный гигант в 25 масс солнечных внезапно начал угасать прямо на глазах у телескопов, начиная с "Хаббла". Все попытки найти его следы с помощью различных инструментов не принесли успеха. Объект настолько массивный не может угаснуть сам по себе. Он обязан закончить жизнь в мощной вспышке сверхновой. Однако теоретики уже давно предложили сценарий, когда столь массивное тело коллапсирует — падает само на себя, образуя чёрную дыру. Та, естественно, не излучает, в то время как все другие продукты эволюции звезды должны светиться. Таким образом, астрономы за один год дважды подтвердили на практике предсказания относительно чёрных дыр и двумя независимыми способами убедились в их образовании и периодических слияниях.

3. Российский "Радиоастрон" потребовал новой физики

Российский спутник "Спектр-Р" находится на орбите высотой до 350 000 километров. Там он использует свою приёмную параболическую антенну диаметром 10 метров для совместной работы с наземными радиотелескопами. В результате получается телескоп с разносом плеч в треть миллиона километров. За счёт этого получается разрешение, которое в 1000 раз лучше, чем у американского космического телескопа "Хаббл". Этот беспрецедентный для земной астрономии уровень. С его помощью российские астрофизики изучали окрестности далёких чёрных дыр.

В результате удалось сделать ранее немыслимые по детальности изображения областей вблизи далёких сверхмассивных чёрных дыр в центрах других галактик. Оказалось, что эти наблюдения никак не стыкуются с теорией, описывающей происходящее там. От активных чёрных дыр вверх и вниз уходят огромные струи плазмы, разогнанной до околосветовой скорости, тянущиеся на сотни тысяч световых лет. Проект "Радиоастрон" зафиксировал температуру и размер оснований этих струй плазмы. Они оказались много больше ожидавшихся — до трёх световых месяцев в поперечнике. Эффективная температура оснований получилась вообще немыслимой — 20–40 триллионов градусов Кельвина. Выходит, это самые горячие объекты Вселенной, в тысячи раз горячее солнечных недр и в миллиарды раз — поверхности звёзд.

По расчётам, эффективная температура плазмы, из которой состоят струи у чёрных дыр, не может быть выше 500 миллиардов градусов. При большем нагреве электроны плазмы должны быстро отдавать свою энергию окружающим фотонам, разгоняя их и тем самым эффективно охлаждая плазму. Почему этого не происходит, пока неизвестно. Возможно, плазма насыщена протонами, которые начинают охлаждаться таким образом при более высокой температуре. Но для разгона столь тяжёлых частиц, как протоны, энергия плазменных струй у чёрных дыр должна быть намного больше, чем считали теоретики. Ответы на этот вопрос требуют привлечения новой физики. Её поиском сейчас и занимаются учёные.

4. Открыта ближайшая к Земле потенциально обитаемая экзопланета

В 2016 году была открыта Проксима Центавра b — первая и пока единственная планета, обнаруженная в ближайшей к нам звёздной системе Проксимы Центавра. Она отдалена от нас на 4,25 светового года. Ближе звёзд просто нет, как, соответственно, и экзопланет. Что особенно важно, это небесное тело в 1,3 раза массивнее Земли расположено в зоне обитаемости, то есть получает достаточно света, чтобы на нём существовала жидкая вода. Красный карлик, что светит Проксиме b, намного сильнее поливает её ультрафиолетом и рентгеном, чем Солнце Землю. Но и то, и другое излучение легко останавливается атмосферой, поэтому особого вреда её потенциальным обителям нанести не должно.

Более сложен вопрос о том, какой там господствует климат. Проксима b в 20 раз ближе к своему светилу, чем наша планета — к своему. Его гравитация мешает вращению экзопланеты, поэтому там либо вечно дневная и вечно ночная сторона, либо сутки идут по образцу меркурианских, то есть довольно долгие. В теории это означает существенные перепады температур между дневной и ночной стороной.

Впрочем, азотная атмосфера спутника Сатурна, Титана, вчетверо плотнее земной, и вполне возможно, что на планете тяжелее нашей газовая оболочка не менее толстая. А на Титане такая плотная атмосфера практически уничтожает разницу в температуре между полюсом и экватором или дневной и ночной стороной. Кстати, планета на 350 миллионов лет старше нашей, поэтому если жизнь там когда-то возникла, то времени для развития у неё было побольше, чем у земной.

Возможный климат Проксимы b: вариант вечно дневной и вечно ночной стороны.

Возможный климат Проксимы b: вариант меркурианских суток; он заметно мягче первого.

5. "Кеплер" открыл больше 10 000 экзопланет

Хотя известный космический телескоп уже давно не может работать в штатном режиме, данные первых четырёх лет его наблюдений всё ещё не обработаны полностью. Тем не менее обозначено общее количество наблюдавшихся им транзитов — похождений экзопланет между диском своей звезды и земным наблюдателем. Трёхкратных транзитов для одних и тех же тел "Кеплер" зафиксировал более 17 000. Не каждое такое тело является экзопланетой. Примерно 20–25 процентов таких сигналов считаются ошибками наблюдений, когда двойную звезду с тусклым вторым компонентом приняли за планету и так далее. Но и с учётом этого речь идёт об открытии более чем 10 000 экзопланет. Неплохой результат для земной астрономии, четверть века назад не знавшей ни одной планеты за пределами Солнечной системы. Ещё в 2009 году количество известных тел такого рода исчислялось единицами. Сегодня счёт идёт на многие тысячи.

Материал по теме: В поисках новой Земли. Как астрономы ищут планеты за пределами Солнечной системы

6. В Солнечной системе впервые за 170 лет открыли новую планету

В начале 2016 года американские астрономы Батыгин и Браун опубликовали работу, в которой показали гравитационное влияние крупной планеты на объекты пояса Койпера, лежащего за орбитой Нептуна. На протяжении всего года их данные уточнялись, и параметры орбиты загадочной девятой планеты уже неплохо известны из расчётов. Среднее расстояние между ней и Солнцем — 98 миллиардов километров, в 650 раз больше, чем между Землей и светилом.

Сегодня большинство астрономов уверено в скором обнаружении последней неоткрытой планеты системы. Она крайне экзотична по меркам Солнечной. Её масса — 6–12 земных, намного больше, чем у твёрдых планет системы, и меньше, чем у ледяных гигантов Нептуна и Урана. С высокой долей вероятности это так называемая суперземля — твёрдая и при этом очень большая планета. До сих пор их удавалось обнаруживать только вокруг других звёзд. Открытие такого тела в собственной системе позволит астрономам понять, как выглядит один из самых массовых классов экзопланет за её пределами.

7. Опасное сближение

Польские астрономы проанализировали параметры движения звезды Глизе 710 в направлении Солнца и выяснили: через 1,35 миллиона лет она пройдёт в 6250 астрономических единицах от него. Это менее 0,1 светового года. Столь сильное сближение с другой звездой точно ударит своей гравитацией по стабильности облака Оорта, откуда приходят кометы и астероиды, особо опасные для земной жизни. Так что довольно скоро Солнечная система будет весьма оживлённым местом, а без антиастероидной защиты ещё и очень опасным.

Материал по теме: Щит Земли: как защитить нашу планету от удара астероидов?

8. Океан Плутона

До прибытия в окрестности Плутона аппарата New Horizons эта карликовая планета была последним местом, где астрономы стали бы искать океан. Плутон в шесть раз легче нашей Луны, и его ядро должно быть очень небольшим и давно остывшим. Соответственно, водный лёд там должен давно замёрзнуть.

Но снимки показали: там есть равнина Спутник, покрытая ровным азотным льдом, сравнительно молодым, возрастом примерно 100 миллионов лет. Такая равнина могла образоваться лишь в результате падения крупного астероида. После удара большое количество расплавленного подповерхностного материала быстро поднялось с глубины вверх. Затем поднявшийся материал замёрз. Однако быстрый подъём воды с глубины был бы невозможен, если бы там был только лёд. Удар астероида не мог бы быстро расплавить всю ледяную магму, а твёрдый лед не мог бы быстро мигрировать наверх.

Как же быть с тем, что недра Плутона по расчётам слишком холодные, чтобы там могла существовать жидкая вода? Планетологи полагают, что она там существует, но на грани замерзания, в виде сала — смеси кристалликов льда и воды. Впрочем, и для такого сценария тепла надо существенно больше, чем астрономы отводили Плутону раньше. Поэтому одна научная группа предложила совсем другое объяснение: что концентрация соли в подледном океане Плутона равна примерно 300 грамм на литр, как в земном Мёртвом море. Если он действительно такой солёный, то местная криомантия вся может быть расплавленной. За счёт этого она формирует океан, воды в котором больше, чем во всех морях Земли. Так это или нет — мы в ближайшее время не узнаем: новых полётов к Плутону пока никто не планирует.

9. Вода на Церере

Впрочем, удивил в этом году не только Плутон. Карликовая планета Церера в десятки раз легче него, как оказалось, прямо с поверхности богата водным льдом. С учётом ранее открытых на ней выбросов водяного пара (криогейзеры) это означает, что часть её водной мантии также расплавлена и воды там на довольно приличный океан.

10. Ещё один океан в системе Сатурна

Впервые были получены и серьёзные указания на наличие подлёдного океана на Дионе — небольшом спутнике Сатурна. В данных зонда "Кассини", измерявшем гравитационное замедление радиоволн со стороны Дионы, нашли указания на наличие под стокилометровым слоем льда глобального океана глубиной примерно 65 ± 30 километров. Для тела диаметром чуть больше тысячи километров — очень и очень немало. Все вместе эти открытия указывают на большую распространённость жидких водоёмов в Солнечной системе. По аналогии с обитаемым подлёдным озером Восток это дает некоторым учёным надежду на существование простейшей жизни в таких местах.