Перейти к материалам
истории

Астрономия прошлого и будущего десятилетий — максимально полный путеводитель Радиовсплески, черные дыры, гравитационные волны, «Джеймс Уэбб» и грандиозные планы на будущее

Источник: Meduza

Альберт Эйнштейн доказал, что время относительно и для каждого наблюдателя движется по-своему. Тем не менее, сейчас всем одновременно хочется подвести итоги и заглянуть в будущее. Астрономы тоже подводят итоги и строят планы, только, может, чуть более обстоятельно, чем представители других профессий. О том, что изменилось за прошедшие 10 лет в понимании Вселенной, что удалось и не удалось ученым, какой астрономы видят следующую декаду и за какими новостями имеет смысл следить, рассказывает сотрудник национальной астрономической обсерватории Китая, астрофизик Марат Мусин. Усаживайтесь поудобнее, этот рассказ — один из самых больших текстов на «Медузе».

Оглядываясь назад, мы будем ориентироваться на обзор Decadal Survey-2010 — 579-страничный документ, выпущенный NASA десять лет назад с подзаголовком «Новые миры и новые горизонты в астрономии и астрофизике». В нем ученые координировали «направления главных ударов» в исследованиях космоса, составляли планы постройки основных телескопов и пытались предсказать, какие крупнейшие открытия должны быть сделаны до 2020-го года.

Сразу следует сказать, что далеко не все прошло по плану. Некоторые объекты так и не построены, некоторые космические телескопы до сих пор не запущены (вы, наверняка, догадались, о каком телескопе идет речь!) и многие планы перенесены на 2020-е. Но, с другой стороны, из космоса пришли и некоторые совершенно неожиданные открытия, о которых мы тоже поговорим. Итак, начинаем.

А можно все то же самое, но короче?

Гравитационные волны — открыты. Черные дыры — засняты. На комету — слетали. Быстрые радиовсплески — нашли, но так и не поняли до конца, что это такое. Инфляция ранней Вселенной — должна быть, но найти не удалось. Как и девятая планета — следов не видно. Вместо нее обнаружены тысячи экзопланет, и даже без космического наследника «Хаббла» — телескопа «Джеймс Уэбб». Если он все-таки окажется на орбите, это будет сильно: ничего подобного пока не было. Но других хороших телескопов тоже много, есть даже российский. А вообще, хоть за десять лет произошло и много, но будущее десятилетие будет не хуже. Разве только вторых гравитационных волн нам не видать — зато есть темная материя!

Открытие гравитационных волн

Самое яркое событие 2010-х, рябь от которого до сих пор идет по миру астрономии, — это, конечно, открытие гравитационных волн. Их поиском занимались с 1960-х, последовательно повышая чувствительность приборов и накладывая все более жесткие ограничения на амплитуду и частоту волн от сливающихся массивных объектов, таких как черные дыры и нейтронные звезды.

Наконец в конце прошлого десятилетия стало понятно, что эти два процесса скоро пересекутся — Decadal Survey-2010 однозначно утверждал, что человечество находится на грани открытия и его следует ждать уже скоро. Авторы не ошиблись: гравитационные волны были зарегистрированы в 2015 году, спустя ровно 100 лет после публикации Общей теории относительности, в которой Альберт Эйнштейн дал математическое обоснование существования подобных волн при движении массивных тел.

Два лазерных интерферометра, расположенных в США на расстоянии трех тысяч километров друг от друга, начали работать еще в 2005-м, но тогда чувствительность приборов была еще недостаточной для обнаружения каких-либо сигналов.

В 2010-м проект закрыли для модернизации, повысившей характеристики детекторов в три раза. И спустя всего две недели после возобновления наблюдений, в сентябре 2015-го, оба детектора зарегистрировали знаменитый chirp — первый в истории человечества зарегистрированный гравитационный сигнал, получивший название GW150914.

Интересно, что форма сигнала полностью совпала с расчетной для слияния двух черных дыр — их массы составили около 30 солнечных масс. Таким образом, первая регистрация гравитационных волн как явления, вообще говоря, стала еще и первым прямым свидетельством существования черных дыр как таковых.

В 2017 году за открытие гравитационных волн была (вполне ожидаемо) присуждена Нобелевская премия по физике. С момента первого события, то есть за неполные два года наблюдений, обсерватория LIGO вместе с новым инструментом Virgo, построенным в Италии, открыла еще девять слияний черных дыр и одно слияние нейтронных звезд. Затем работу приборов приостановили для очередной модернизации.

С апреля 2019 года, когда начался третий этап наблюдений, астрономы регистрируют новый сигнал уже примерно раз в неделю, сейчас их 31 штука. Статус детекторов в реальном времени можно посмотреть тут. Ученые пока не называют сигналы достоверно подтвержденными слияниями, и продолжают анализ данных.

Что нас ждет дальше? Третий этап наблюдений продлится до апреля 2020 года, когда обсерватории снова закроются для обновления оборудования. Вполне вероятно, что еще до закрытия к работающим детекторам присоединится еще один, KAGRA. Он уже построен в Японии и сейчас проходит последние проверки перед включением. Там возникли неожиданные проблемы с отражающим покрытием сапфировых зеркал, которые являются основной частью детекторов. Охлаждение этих зеркал до криогенных температур отличает механизм работы KAGRA от прочих детекторов, и именно эта особенность детектора позволит дополнительно повысить его чувствительность.

Если с KAGRA все пойдет по плану, астрономы станут регистрировать еще больше слияний маломассивных черных дыр и нейтронных звезд вблизи от нас, а также еще больше далеких слияний. Все вместе это поможет накопить более достоверную статистику и астрономы надеются увидеть вообще все слияния объектов массами около 100 солнечных, которые происходят в наблюдаемой Вселенной.

Здесь важно напомнить про еще один редко упоминаемый бонус гравитационной астрономии. Поскольку гравитационные сигналы от объектов одинаковых масс отличаются только по амплитуде, которая зависит от расстояния до нас, то человечество, создав гравитационную астрономию, получило еще один независимый метод определения расстояний в космосе. А это очень важно для понимания истории и структуры Вселенной.

График работы гравитационных детекторов. LIGO участвовала с самого начала и сигнал GW150914 был получен во время первого этапа (O1). В 2017 к совместной работе приступил детектор Virgo. Самый последний детектор — KAGRA. Индийский детектор LIGO сейчас строится и должен начать работу в середине следующего десятилетия

Все бо́льшее число гравитационно-волновых детекторов, работающих примерно с одинаковой точностью, может показаться избыточным, но это не так. Дело в том, что каждый из таких детекторов подобен фотоаппарату с одним-единственным пикселем — несмотря на всю сложность своей аппаратуры, единственный детектор не может ничего сказать о положении предмета «съемки». А вот создание нескольких схожих по качеству работы детекторов в разных уголках планеты позволяет уже не только фиксировать, но и локализовать гравитационный сигнал на небе. И чем больше таких детекторов работает одновременно, тем больше точность ­— здесь все ровно так, как и с GPS-навигаторами: чем больше спутников, тем меньше зона неопределенности.

Поиск координат сигнала необходим для его последующего наблюдения всем корпусом доступных телескопов — от рентгеновских до инфракрасных. Сегодня лишь один гравитационный сигнал, GW170817, сопровождался достаточно мощным электромагнитным излучением, чтобы его увидели обыкновенные телескопы. На самом деле это была уникальная вспышка — первое зарегистрированное слияние нейтронных звезд, и к тому же самая близкая к нам вспышка из всех гравитационных сигналов вообще (а значит и самая поздняя по времени — волнам понадобилось всего 130 миллионов лет, чтобы долететь до Земли). Подобные мультиканальные наблюдения жизненно необходимы для изучения свойств таких удивительных объектов как нейтронные звезды.

Астрофизик Сергей Попов — о жизни нейтронной звезды
Центр Архэ

Из целей, поставленных перед гравитационными детекторами в Decadal Survey 10 лет назад, одна очень важная цель все еще не достигнута: мы не зарегистрировали ни одного сигнала от сливающихся сверхмассивных черных дыр, которые находятся в центрах почти всех галактик. По современным представлениям, массивные галактики образованы слиянием и поглощением галактик меньшего размера, и сверхмассивные черные дыры в центре каждой из них должны притягиваться друг к другу, в конечном итоге сливаясь и высвобождая больше энергии в секунду, чем производит вся Вселенная.

Такие события очень редки и происходят крайне далеко от нас, поэтому современные детекторы скорее всего будут не в состоянии их обнаружить. Остается ждать запуска двух космических приборов нового поколения: обсерватории «Афина» и интерферометра LISA.

Афина — это пятитонный рентгеновский телескоп с чувствительностью приборов в 100 раз выше всех современных аналогов. После запуска, намеченного на 2031 год, он будет целенаправлено искать сверхмассивные черные дыры, попутно картографируя горячие газовые структуры как внутри галактик, так и в пространстве между ними.

LISA — планируемая к запуску в 2032 году миссия, состоящая из трех космических гравитационных детекторов, которые будут располагаться в углах треугольника со стороной 2,5 миллиона километров и вращаться вокруг Солнца по земной орбите, постепенно отставая от нашей планеты. Помимо своей основной задачи, поиска сливающихся сверхмассивных черных дыр, эта обсерватория, заточенная под работу на бо́льших чем LIGO частотах, сможет обнаруживать уже знакомые объекты гораздо раньше. Черные дыры солнечных масс и пары нейтронных звезд станут «видны» ученым за несколько недель до их предстоящего слияния, и это должно дать время для наблюдения слияний с помощью «обычных» наземных и космических телескопов.

Слияния различных объектов приводит к появлению гравитационных волн разной частоты. Существующие и готовые к запуску детекторы (LIGO, Virgo, KAGRA), как показали новые расчеты, даже в теории не могут обнаружить слияние сверхмассивных черных дыр или слияние массивных двойных звезд. Это будет миссией космического детектора LISA
C. J. Moore et al. / arXiv.org 2014

Гравитационные волны — это новое, четвертое окно (после электромагнитных волн, космических частиц и нейтрино), через которое мы получаем информацию о Вселенной. Вполне возможно, что именно это открытие останется самым главным, фундаментальным прорывом в астрофизике всего XXI века — по крайней мере у ученых сейчас нет серьезных предпосылок говорить о каких-то других каналах получения информации о Вселенной. Это четвертое окно стало ярким символом наступления новой, мультиканальной (multi-messenger) эпохи в астрономии.

Тень черной дыры

Второе открытие десятилетия — это тень черной дыры, обнаруженная в апреле этого года телескопом горизонта событий (Event Horizon Telescope, EHT). Это событие имеет колоссальную важность для проверки Общей теории относительности Эйнштейна в экстремальных условиях. С математической точки зрения теория должна работать везде, но чтобы проверить это, надо было понять, как ведут себя объекты на расстоянии 270 тысяч астрономических единиц (всего лишь дистанции от Солнца до ближайшей к нам звезды — Проксимы Центавра) от объекта массой 6,5 миллиардов солнечных. Правда, необходимо уточнить, что во-первых, формально это был не совсем телескоп, а во-вторых, тень он не совсем «увидел».

Ролик о телескопе-коллаборации Горизонта событий
ehtelescope

EHT — это команда из восьми телескопов, работающих в миллиметровом и субмиллиметровом (длина волны меньше миллиметра) диапазонах. Работает он по принципу интерферометра, то есть данные всех телескопов, работающих одновременно, складываются вместе, что позволяет получить картинку с разрешением, пропорциональным расстоянию между телескопами.

Все прошлое десятилетие телескопы, входящие в объединение, получали новые ресиверы (принимающую аппаратуру), работающие на одних и тех же частотах, а команды отлаживали наблюдения в режиме интерферометрии со сверхдлинной базой.

Наблюдения телескопа EHT за двумя наиболее притягательными объектами — черной дырой Sgr A* в центре нашей галактики, и еще более массивной дырой в соседней галактике М87, шли недельными сеансами по несколько раз в год. Чтобы легче можно было понять масштаб задачи, можно сказать, что попытки уловить тень черной дыры на таких расстояниях сродни попытке различить ямочки на мяче для гольфа, находящегося в Лос-Анджелесе, когда наблюдатель находится на Эмпайр-стейт-билдинг в Нью-Йорке.

Наконец, в апреле 2019 команда телескопа EHT опубликовала результаты всех этих непростых наблюдений — снимок, на котором можно разглядеть черное нечто, окруженное чем-то ярко-оранжевым.

Яркое кольцо — это синхротронное излучение электронов, двигающихся вокруг черной дыры в сверхгигантской эллиптической галактике М87. В темной области в центре изображения электроны и прочая материя начинают бесконтрольно падать на черную дыру и свет от них до нас уже почти не доходит — это и называется тенью черной дыры. Сама дыра (точнее — ее радиус Шварцшильда) меньше этой темной окружности в 2,5 раза, но увидеть ее не получится даже в самый-пресамый сильный телескоп.

Весь комплекс данных наблюдений, для публики представленный в виде всего лишь одной фотографии, позволит ответить на вопросы о связи темной и обычной материи, о росте черной дыры со временем, ее излучении и влиянии на окружающее пространство, а так же о некоторых фундаментальных свойствах вещества, находящегося в экстремальных условиях. Подробно о телескопе, черных дырах и научных последствиях от открытия можно прочитать в серии материалов N+1 (1,2,3).

Тень черной дыры. Изображение реконструировано по данным телескопов, входящих в сеть EHT. Метод наблюдений с использованием интерферометрии имеет большой недостаток — между телескопами есть огромные мертвые зоны, откуда у нас нет данных. Даже многочисленные повторные наблюдения, использующие вращение Земли для относительного сдвига телескопов, не могут закрыть все эти зоны. Поэтому используются специально разработанные алгоритмы, позволяющие восстановить полноценное изображение по фрагментарным данным. Кэти Боуман, одна из разработчиков алгоритма, сравнила этот процесс с узнаванием песни, которую сначала играют на пианино, в котором всего 8 работающих клавиш, но постепенно добавляются все новые и новые клавиши. Если вы хорошо представляете себе мелодию, то вам не нужно ждать, пока починят всю клавиатуру — вы угадаете песню намного раньше
Event Horizon Telescope Collaboration

Быстрые радиовсплески

Как это ни странно, но в современной астрономии есть еще место чудесам. В отличие от двух упомянутых выше открытий, которые планировались и готовились десятилетиями, сейчас речь пойдет именно о таком незапланированном чуде — обнаружении быстрых радиовсплесков. Раньше ученые даже не предполагали об их существовании.

Быстрые радиовсплески — это очень короткие (меньше миллисекунды), но очень мощные сигналы в радиодиапазоне. Это пример того, как в эпоху больших данных открытие может прятаться в ворохе уже собранной информации.

Собственно, история радиовсплесков началась с того, что в 2007 году астрофизик Дункан Лоример с аспирантом, анализируя данные аж 2001 года, обнаружил некий очень необычный и мощный радиосигнал. После этого наступила очень длительная пауза, когда ничего не происходило и только в 2010-е началось интенсивное изучение радиовсплесков и была (возможно) открыта их природа.

Эволюцию наблюдений за радиовсплесками, начиная с 2013-го, когда их стали находить уже регулярно, можно вкратце пересказать так: сначала их видели на одном радиотелескопе, потом на нескольких, потом точно установили их неземное происхождение, потом предложили модель сливающихся (а значит взрывающихся) объектов — черных дыр или нейтронных звезд, и почти сразу же обнаружили, что некоторые радиовсплески повторяются в одном и том же месте, что, конечно, закрыло эту «взрывную» модель.

Далее поступило предположение, что эти частые (около 10 тысяч каждый день) события все-таки связаны с нейтронными звездами, но особого типа: либо магнитарами (сильно замагниченными нейтронными звездами), которые выбрасывают часть электромагнитной энергии в виде этих импульсов, либо с пульсарами — быстровращающимися нейтронными звездами, которые, замедляясь, с помощью этих всплесков избавляются от излишков энергии.

Какая модель верна — пока непонятно. Последнее яркое наблюдательное открытие — локализация одного повторного всплеска в конкретной карликовой галактике в 2012 году. Однако пока не удалось ни привязать этот всплеск к конкретному объекту в этой галактике, ни увидеть его в каком-либо другом электромагнитном диапазоне — все телескопы, которые смотрели в эту точку, от рентгеновского до инфракрасного, не смогли увидеть ничего необычного. Похоже, что разгадку природы радиовсплесков приходится отложить на 2020-е. Помощь должна прийти в том числе от канадского телескопа CHIME, который заработал в конце 2018 и после выхода на полную мощность должен открывать десятки гамма-всплесков каждый день.

Сергей Попов — о быстрых радиовсплесках
НаукаPRO

«Открытие» и последующее «закрытие» следов ранней инфляции

Самым грандиозным провалом предыдущего десятилетия (и воистину эталонным примером того, как не надо поступать в науке) стало сенсационное обнаружение в марте 2014 года участниками эксперимента BICEP2 B-моды реликтового излучения.

Это было действительно громкое событие — пресс-конференцию, на которой было представлено открытие, поспешили объявить генеральной репетицией будущей Нобелевской речи. Такие амбициозные заявления вполне понятны, ведь это открытие напрямую связано с историей Вселенной в самые ранние моменты ее существования — в эпоху инфляции. Оно обещало дать ответы на самые фундаментальные вопросы космологии. Впрочем, очень быстро оказалось, что заявления об открытии космической инфляции были космически раздутыми, и вчерашнее «открытие» обернулось позорным «закрытием».

Идея эксперимента BICEP2 состояла в том, чтобы особым образом изучить реликтовое излучение — «остаточное свечение» Вселенной, сохранившееся от той эпохи, когда она впервые стала прозрачной. Так вот, по основным существующим моделям эволюции Вселенной, гравитационные волны (да, опять они!) должны были оставить на реликтовом излучении свой отпечаток — оно должно было приобрести особого рода поляризацию. Обнаружение этого «отпечатка», называемого B-модой поляризации, стало бы неопровержимым доказательством существования эпохи инфляции в первые 10⁻³⁵ секунды существования Вселенной.

Поиском B-моды поляризации занимался микроволновый эксперимент BICEP2, данные для которого собирались специальными телескопами на Южном полюсе Земли. Когда в этих данных удалось обнаружить искомый сигнал, эффект от публикации был очень сильным (хотя часть участников эксперимента, не будучи уверенными в выводах, отозвали свои имена из статьи еще до ее выхода). Оцените, например, хотя бы это трогательное видео, где сотрудник Стэнфордского университета на радостях несется с бутылкой шампанского к Андрею Линде, одному из знаменитейших космологов, вместе с Алексеем Старобинским и Аланом Гутом придумавшем в 1970-х саму идею инфляции в ранней Вселенной.

Но и разочарование научного сообщества после перепроверки данных оказалось очень велико. Как показали наблюдения на космическом телескопе Planck, опубликованные через полтора месяца после злополучной конференции, авторы статьи сильно недооценили в своих расчетах вклад космической пыли. Как оказалось, именно она была ответственна за появление сигналов, интерпретированных учеными как космологическая поляризация.

В результате последовавшего скандала группу BICEP2, занимавшую целый этаж знаменитого Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, существенно сократили и переместили чуть ли не в подвальное помещение. Там сейчас и координируется следующая итерация эксперимента, BICEP3. Установив в пять раз больше сверхпроводящих детекторов в антарктической обсерватории, группа начала наблюдения в 2015 году. Пока астрономы лишь осторожно говорят о верхнем пределе наблюдаемых величин, которые, по крайней мере, уже согласуются с данными телескопа Planck. Есть у этих скромных результатов и некоторые ощутимые последствия: найденные верхние пределы значений поляризации уже позволили отбросить несколько теорий из целого набора существующих инфляционных моделей.

В 2020 году в строй вступит еще более совершенная установка — BICEP array. Она будет работать уже в пяти разных радиодиапазонах и сможет уловить сигнал на пару порядков меньше, чем злополучная BICEP2. Два порядка выбраны не случайно: почти все инфляционные модели предсказывают большее значение поляризации, а значит BICEP array уж что-то да должен обнаружить. Если же и он не справится, это само по себе станет событием. По словам Марка Камионковски из института Джона Хопкинса, «тогда все, чему я учу сейчас студентов, окажется неверным — это не будет означать, что эпохи инфляции не было совсем, но это станет доказательством того, что ее не было в том виде, как мы сейчас ее представляем».

У печальной истории сенсационного «закрытия» BICEP2 есть и неожиданный бонус — о ней написана недавно вышедшая на русском языке противоречивая, но любопытная книга, — «Теряя Нобелевскую Премию». Ее автором стал один из ведущих участников эксперимента.

Великое «закрытие» реликтовых гравитационных волн. Олег Верходанов
ПостНаука

Миссия к комете 67P/Чурюмова-Герасименко

Прошедшее десятилетие подарило нам среди прочего целый кометный триллер — миссию по изучению кометы 67P/Чурюмова-Герасименко.

Как и большинство больших проектов, эта история началась задолго до отчетного десятилетия. Комету открыли советские астрономы еще в 1969 году, решение о подготовке миссии для исследовании одной из короткопериодических комет было принято в 1993 году, а в 2003-м оказалось, что изначальный план отправить аппараты к комете Виртанена срывается из-за неполадок в ракете.

Только в марте 2004 года, наконец, аппарат «Розетта» с зондом «Филы» стартовал с космодрома Куру. Оба первооткрывателя кометы, Клим Чурюмов и Светлана Герасименко, присутствовали при запуске миссии к комете, носящей их имя. Полет продолжался 10 лет, пока в марте 2014 года «Розетта» не вышла на орбиту 67P, став первым в истории человечества спутником кометы.

Конечно, не все пошло по плану: зонд «Филы», который должен был исследовать поверхность кометы, попал в крайне неудачное, темное место и, не будучи в состоянии зарядить свои батареи, проработал совсем немного. Тем не менее, информации в ходе миссии было собрано такое количество, что и сейчас, после публикации десятков научных работ, анализ этих данных все еще продолжается.

Из главных результатов можно выделить отсутствие на комете воды или льда, что противоречит гипотезе о том, что основную часть воды Земля получила во время бомбардировки ее подобными кометами. Удивительным также оказалось обнаружение молекулярного кислорода, который неплотным облаком покрывал 67Р, создавая едва уловимую, но все же самостоятельную атмосферу кометы.

Последние данные по «Розетте»
European Space Agency, ESA

Поиски девятой планеты

Изучение Солнечной системы, конечно, не ограничилось одной кометой. По итогам десятилетия мы можем сказать, что (возможно) у нас (снова) девять планет. Но это не точно.

Что известно наверняка, так это то, что несколько небесных тел за орбитой Нептуна ведут себя очень странным образом — они сгруппировались и двигаются так, будто на противоположной стороне их орбиты есть еще одно массивное тело. Из этого поведения следует, что планет в нашей системе может быть больше, чем сейчас известно.

Если такое предположение не кажется правдоподобным и логично вытекающим из наблюдений, представьте следующую ситуацию. Вообразите, что человек вращается, держа в руках тонкую веревку, на другом конце которой привязан полностью прозрачный пакет, наполненный водой. Издалека вы не видите ни веревки, ни пакета, но отклонение корпуса человека назад подсказывает вам, что он тем самым уравновешивает какую-то скрытую от нас массу. Примерно этими же соображениями руководствовались Майкл Браун и Константин Батыгин, публикуя свою работу о существовании планеты X — только их аргументы снабжены гораздо более конкретными и проверяемыми математическими расчетами.

Имеющиеся сейчас обзоры различных участков неба — они сделаны космической обсерваторией WISE, наземными телескопами Pan-STARRS и Subaru — пока не обнаружили следов предсказанной планеты размером с Нептун. И тем не менее ее существование все еще остается самым логичным объяснением тех фактов, которые приводят в своих работах Браун и Батыгин (подробнее — здесь и здесь).

Возможно, обо всем этом, а также о жизни и хобби ученого с русскими корнями, вы уже все знаете из недавнего выпуска Юрия Дудя. Для тех, кто интересуется, чем Батыгин занимается сейчас и какие же именно дифференциальные уравнения Константин постоянно решает в своей голове, мы скажем, что в январе 2018 вышла его новая статья, в которой предложено описывать характеристики пылевых дисков, таких как протопланеты вокруг молодых звезд, с помощью модифицированных уравнений Шредингера. Это очень сложные системы, где на упорядоченное движение накладываются хаотические столкновения. Точное математическое описание таких систем давно было камнем преткновения для понимания эволюции тех же колец Сатурна. Предложенный Батыгиным новый подход вполне может привести к прорыву в этой области — почитать об этом подробнее можно здесь.

Новости Млечного пути

За прошедшие 10 лет мы узнали много нового не только о нашей планетной системе, но и о нашей галактике. Благодарить за это следует прежде всего прекрасно работающий еще с 2013 года телескоп «Гайя».

Телескоп занимается достаточно скучной, можно сказать бухгалтерской работой, — считает и каталогизирует звезды. Однако это данные, без которых невозможно понимание процессов, происходящих в нашей галактике. Находящаяся на телескопе гигантская фотокамера разрешением в миллиард пикселей генерирует около 50 гигабайт информации в сутки, — объем, который аппарат даже не в состоянии передать на Землю ­- поэтому встроенный компьютер сам определяет количество звезд, их координаты и удаленность, и уже в готовом виде отсылает эти каталоги ученым.

Собранных за прошедшие годы телескопом данных хватило, чтобы, например, описать движение почти полутора миллиардов звезд нашей галактики, открыть самую тусклую галактику-спутник Млечного Пути Насос 2, обнаружить 13 сверхскоростных звезд, которые, возможно, прибыли к нам из других звездных скоплений. Кроме того, работа телескопа позволила обнаружить и кое-что за пределами Млечного пути — например, самую «прожорливую» сверхмассивную черную дыру, съедающую по половине массы Солнца за день.

Карта составлена по данным телескопа «Гайя» — на ней видны не отдельные звезды (напомним, что телескоп не передает картинки на Землю), а плотность звезд в Млечном Пути. Больше всего звезд в центре Галактики, яркие пятна справа снизу — Большое и Малое Магеллановы облака. Оранжевыми контурами отмечены молодые звездные скопления — места недавнего звездообразования, в которых появились звезды одного возраста, которые очень удобно исследовать для понимания процессов звездной эволюции
DPAC / Gaia / ESA

Запаса топлива хватит «Гайе» еще на четыре года, и на середину 20-х запланирован выпуск последнего, третьего каталога — давайте ждать новостей!

Бум открытия экзопланет

Последние 10 лет были бумом открытия экзопланет, то есть планет, вращающихся вокруг других звезд. На последний день 2019 года мы знаем уже о существовании 4104 экзопланет — главная заслуга в этом принадлежит, конечно, телескопу «Кеплер». Телескоп был запущен в 2009 году, и все девять лет вплоть до отключения приборов в ноябре 2018-го делал одно и то же — наблюдал небольшую площадку неба в направлении на созвездия Лебедя, Лиры и Дракона.

«Кеплер» открыл 2682 экзопланеты — больше, чем все другие инструменты вместе взятые. Еще почти три тысячи небесных странников (πλανήτης — странник на древнегреческом) ждут подтверждения другими инструментами.

Если попытаться суммировать результаты всей работы по исследованию экзопланет в одном выводе, он будет таким: Солнечная система в целом и даже наша третья планета в частности ничем не примечательны, в нашей Галактике существует огромное разнообразие и планет и звездных систем.

Описать все экзопланеты, обнаруженные «Кеплером», невозможно. Но все же несколько открытых за прошедшее десятилетие космических тел были настолько удивительными, что не упомянуть их было бы неправильно:

  1. Kepler-186f — первая каменистая экзопланета в зоне обитаемости.
  2. Планеты Kepler-62e и Kepler-62f чуть больше Земли, вращаются вокруг звезды, похожей на Солнце по орбитам, похожим на земную, и, что самое фантастическое, их поверхность скорее всего покрыта водой.
  3. Необычная звезда Табби, которая меняет свой блеск не так, как нужно. Используя бритву Оккама, астрономы не спешат возвещать об открытии «сверхцивилизации», но нерегулярные изменения яркости звезды все также трудно объяснить, и за ними продоложают наблюдать десятки телескопов. Будущие космические «охотники за экзопланетами» WFIRST, TESS и PLATO уже включили звезду в список своих целей.
  4. Kepler-16b — планета, вращающаяся вокруг двух звезд и которую, конечно, прозвали Татуином. NASA в серии шутливых постеров от фантастической туристической компании будущего приглашает вас посетить мир, где у вашей тени всегда есть компания.

Поиск новых экзопланет по принципу «чем больше тем лучше» был задачей на 2010-е, эпоху бури и натиска в этой области астрономии. И за ее успешное решение в этом году была справедливо присуждена Нобелевская премия. Основной упор в наступающем десятилетии будет сделан не просто на открытие новых планет, а на выяснение их характеристик: точных масс, плотности (а значит и, с некоторыми поправками, химического состава ядра), наличия и даже состава атмосферы.

Массой и плотностью должен заняться космический телескоп CHEOPS, который был запущен вот только что — 18 декабря. Он уже занял свое место на гелиосинхронной орбите, идеально подходящей для того, чтобы на солнечные батареи всегда падал свет, а камера при этом всегда смотрела в противоположную от Солнца (то есть темную) сторону. В следующие 3,5 года телескоп будет регистрировать затемнения звезд во время прохода экзопланет по их диску, и по измеренным кривым блеска будет находить массу и размеры сотен и тысяч планет. Новый инструмент в основном сосредоточится на телах, имеющих массы в диапазоне от Земли до Нептуна. В то же время программа наблюдений предусматривает изучение и более крупных «горячих Юпитеров», и многопланетных систем. Подробнее о миссии можно почитать здесь.

Самый недорогой (почти) космический телескоп
Улица Шкловского

CHEOPS должен стать первым звеном в цепочке европейских телескопов, предназначенных для изучения миров у других звезд. В следующем десятилетии ESA планирует запустить два более мощных и дорогих телескопа: PLATO в 2026 году и ARIEL в 2028. PLATO займется поиском экзопланет в системах солнцеподобных звезд, ARIEL изучит атмосферы уже известных миров.

За прошедшее десятилетие у примерно десятка экзопланет удалось измерить состав атмосфер, а для некоторых — даже установить наличие облаков (да-да, мы не можем точно предсказать погоду на неделю вперед, но с 2013 года знаем, что на планете Kepler-7b облачно, а на планете HD 189733b ветрено).

Настоящий прорыв должен наступить после долгожданного запуска телескопа «Джеймс Уэбб» — его спектрометры будут способны получить точнейшие спектры атмосфер экзопланет, просвечиваемых звездой-хозяйкой, а его коронограф сможет делать снимки экзопланет, предварительно закрыв излучение, идущее от ее звезды. Да, эти фотографии будут скорее похожи на размытые точки на черном фоне, но этого должно быть достаточно, чтобы оценить цвет экзопланет, наличие времен года, вращение, погоду. Звучит фантастично, но в следующем десятилетии у человечества будут как никогда высокие шансы обнаружить экзопланету с атмосферой, как у Земли, размером, как у Земли, и которая вращается вокруг солнцеподобной звезды.

Поздравляем! Вы прочитали уже половину текста. Теперь антракт!

Далее речь пойдет про злоключения телескопа «Джеймс Уэбб», о его фантастических способностях, планах на строительство наземных телескопов, надеждах на прекрасный российский «Спектр-РГ» и поисках темной материи в карликовых галактиках.

Новогодний камин, под звук которого хорошо читается продолжение астрономических итогов
TheSilentWatcher

Телескопы десятилетия

Раз уж мы начали говорить о «Джеймсе Уэббе», то его строительство и непрекращающиеся переносы запуска — это тоже часть истории этого десятилетия.

На графике из все того же Decadal Survey-2010 ниже видно, как время существенно скорректировало и сроки запусков новых космических телескопов и ожидаемое время работы уже запущенных. Рентгеновский телескоп «Чандра» на 8 лет превзошел свой ресурс, в этом году отпраздновал 20 лет безупречной работы в космосе и буквально месяц назад его данные были дополнены новым каталогом рентгеновских источников, состоящим из 317 тысяч объектов. Фактически, большая часть того, что мы знаем о рентгеновских источниках во Вселенной, заключена в этих 36 терабайтах данных.

Рисунок из Decadal Survey-2010. Каким простым казалось астрофизикам прошлого наше время — заслуженные телескопы уходят на покой, а им на смену приходит JWST (не запущен), миссия GEMS (отменена) и японский рентгеновский телескоп ASTRO-H (отработал 36 дней и из-за ошибки в расчетах разрядил свои батареи и выключился)
NASA

Или взять, к примеру, инфракрасный телескоп WISE. Он закончил свою работу в 2011 году после исчерпания хладагента и был погружен в глубокий сон. Однако вся его электроника продемонстрировала такую надежность, что в 2013 году его реактивировали и он до сих пор продолжает сканировать небо. Правда теперь его задачи скорректировали — вместо поиска новых маломассивных звезд, далеких квазаров и массивных галактик, два из его изначально четырех работавших детекторов пытаются обнаружить астероиды, которые могут быть потенциально опасны для Земли. Этот возвращенный к жизни телескоп открыл уже 319 околоземных комет и астероидов.

Но не он один продолжает работать сверх срока: гамма-телескоп «Ферми», японский телескоп «Сузаку», обсерватория «Свифт» и старичок XMM-Newton, — все они давно должны были выключиться, но продолжают свои миссии. Даже работу телескопа «Хаббл» предполагалось финансировать только до 2014 года, а он все еще летает. На графике не показан телескоп WFIRST — по изначальному плану он должен был уже давно быть на орбите, однако NASA готовит его к запуску лишь в 2025 году. Когда запуск все-таки состоится, WFIRST будет одним снимком покрывать в сто раз бо́льшую пл