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

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.

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.

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.

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.

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».

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).

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.

«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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 площадь неба по сравнению с «Хабблом», что позволит делать обзоры огромных участков неба и наблюдать за далекими (и не слишком далекими) галактиками.

Продление работы или отсрочка запусков всех этих телескопов вызвана как раз переносами запуска «Джеймса Уэбба» — пока его откладывают, откладывают и откладывают, старые инструменты используют для поиска наиболее приоритетных полей и объектов, которые будет изучать «Уэбб». Это позволит не потерять ни одной минуты из драгоценного времени, которое будет ему отведено.

«Джеймс Уэбб» — это Святой Грааль астрономии 2020-х. Его запуска ждут все, не только исследователи экзопланет. Его приборы будут способны ответить на главные вопросы, сформулированные десятилетия назад: Есть ли планеты, подобные Земле? Когда и как появились первые звезды? На что были похожи первые галактики?

Если про атмосферу экзопланет, которые будет анализировать «Уэбб», мы уже рассказали, то вот про первые звезды и первые галактики нужно написать подробнее.

Время между появлением реликтового излучения (около 380 тысяч лет после Большого Взрыва) и образованием первых звезд, галактик и квазаров (где-то еще миллиард лет спустя) называется Темными Веками Вселенной. В это время не было звезд, галактик, квазаров — ничего, что могло бы осветить пространство.

Современные телескопы могут видеть очень тусклые объекты возрастом в миллиарды лет, но это все-таки не самые первые звезды. Но уже сейчас мы, по крайней мере теоретически, знаем, что если построить телескоп больше, если поставить матрицу лучше, то станет возможным заглянуть еще немного дальше в прошлое. Так вот, «Джеймс Уэбб» как раз и должен стать тем телескопом, который будет способен уловить своим 6,5-метровым зеркалом свет самых-самых первых звезд — тех, раньше которых была только длинная вселенская ночь.

Увидеть этот первый свет очень важно. Прежде всего для того, чтобы ответить на космический вопрос о курице и яйце. Что было раньше — первые звезды, которые под действием гравитации собрались в галактики, или все-таки первичные плотные скопления водорода, которые стали протогалактиками, в которых уже зажглись звезды? И еще: когда в этих галактиках появились сверхмассивные черные дыры? Если уже после зажигания первых звезд, то как они смогли набрать массу в сотни миллионов солнечных за такое короткое время? А если до звезд, то что было для них строительным материалом?

Вся эта эпоха сейчас остается недосягаемой для современных телескопов, и «Джеймс Уэбб» должен пролить на нее свет. Поскольку первые звезды были крайне массивными «бегемотами» (их масса могла превышать сто солнечных), то все они перегорели довольно быстро, а за счет расширения Вселенной максимум их светимости сместился в инфракрасную область. Оборудование, которое будет стоять на «Джеймсе Уэббе», как раз на это и рассчитано. И хотя даже этот гигантский космический телескоп не будет способен рассмотреть отдельные звезды первого поколения, он сможет увидеть их скопления. Кроме того, свет от части скоплений может быть усилен гравитационными линзами — скоплениями галактик, находящимися между нами и этими звездами. Такое линзирование поможет увидеть еще более мелкие детали.

Другие важные цели «Джеймса Уэбба» — это вспышки первых сверхновых, гамма-вспышки и прочие масштабные события ранней Вселенной. Они не только должны рассказать о первых звездах, но и «просветить» межгалактическое пространство, — а значит, и дать какую-то информацию о межзвездном и межгалактическом веществе. Дело в том, что хотя сам космический газ, пыль и плазму в космосе очень трудно увидеть (плотность вещества для этого слишком мала), проходящий сквозь них свет первых звезд получает характерные провалы в спектре. Величина провала указывает на плотность, а его положение в спектре — расстояние до нас.

Все указанные здесь вопросы, на которые должен дать ответы «Джеймс Уэбб», были сформулированы еще в том же Decadal Survey от 2010 года. Но поскольку телескоп, к сожалению, все еще на Земле, то поиск ответов на них перенесен в следующее десятилетие. Мы сейчас стоим на пороге возможности наблюдать «на просвет» всю историю космоса, на всех масштабах масс и размеров. Реализуется ли эта возможность, зависит лишь от одного — насколько успешно пройдет запуск этого долгостроя.

Важно отметить, что задержка запуска «Джеймса Уэбба» образует дыру не только в бюджете NASA, который теряет по миллиарду долларов в год на поддержание телескопа и зарплаты сотрудникам. Прореха неизбежна и в группировке космических инфракрасных телескопов: после выключения «Спитцера» в январе 2020-го и до запуска «Джеймса Уэбба» наступит перерыв в долгой, более чем 25-летней эпохе, когда в космосе постоянно работал хотя бы один полноценный инфракрасный телескоп. И возникновение этой паузы — большая потеря для астрономии. Для тех, кто интересуется тем, как обстоят дела с «Джеймсом Уэббом» сейчас, можно порекомендовать интервью с одним из его создателей.

Новые телескопы, космические и наземные

Впрочем, и до запуска «Уэбба» ученым есть чем заняться. У них уже готово много вопросов на 2020-е годы.

Например, такой: «Как формируются и развиваются космические структуры на больших масштабах?» В новом десятилетии на него будет отвечать запущенный этим летом телескоп «Спектр-РГ». Это российско-немецкая обсерватория, состоящая из двух рентгеновских телескопов — eROSITA и ART-XC, которая должна отработать не меньше шести лет и каждые полгода получать по самому глубокому из существующих в рентгеновском диапазоне обзору всего неба.

Про эту миссию писали достаточно много, так что мы скажем только, что в отличие от «Радиоастрона» (который стал большим событием для российской науки, но был запущен слишком поздно, чтобы стать заметным в мировом масштабе), «Спектр-РГ» — это действительно, тот проект, результатов которого ждут астрономы всего мира и который в следующие 10 лет будет постоянным поставщиком новостей, например, об открытии им нового рентгеновского источника. Напоследок стоит отметить, что у «Спектра-РГ» вполне приличный сайт, на котором можно почитать о его миссии, целях, характеристиках и даже посмотреть весьма познавательное видео.

Рассказав о телескопах космических, давайте скажем пару слов о самых интересных телескопах наземных. И заодно — об общем направлении в их развитии.

Для этого нужно держать в голове две вещи. Первая — это картинка поглощения атмосферой излучения разной длины волны. Вторая — это факт расширения Вселенной. Согласно закону Доплера, свет галактик и квазаров из самых дальних ее уголков будет смещаться в область длинных волн. Поэтому неудивительно, что в свете повышенного интереса к ранней истории Вселенной, в следующее десятилетие особенно много новых телескопов будут работать в инфракрасном, субмиллиметровом или радиодиапазоне.

Значимость наблюдений в этих областях спектра была ясна и раньше, но прогресс сдерживался в основном технологическими ограничениями. Однако в последнее время развитие новых систем передачи и обработки информации привело к прорыву в этих областях. Про «Джейма Уэбба» (который будет как раз инфракрасным телескопом) мы уже рассказали, давайте поговорим про радиотелескопы.

ALMA, Атакамская большая [антенная] решетка миллиметрового диапазона — незаметный герой десятилетия. Этот комплекс телескопов не производит красивых картинок, но он стал одним из важнейших источником данных о Вселенной в прошедшем десятилетии. Он начал работу в 2011 года, уже к 2017 году его данные были использованы для более чем 1000 научных статей, а количество поданных заявок на наблюдения на ALMA сейчас больше, чем на «Хаббл» и в семь раз больше доступного на ALMA времени. Это самый большой показатель востребованности для всех телескопов Европейского космического агенства. В 2010-е ALMA работал в диапазоне волн 0,32-3,6 миллиметра и внес существенный вклад в абсолютно разные области астрономии, приведем всего три примера:

1. Установлено, что джеты радиогалактик в скоплениях эффективно перемещают и перемешивают гигантские облака холодного газа, организуя его «круговорот» — часть газа, совершив круговой путь, возвращается к центру и падает на черную дыру, а часть оказывается выметенной на окраину галактики и там начинает сжиматься под действием самогравитации, образуя область активного звездообразования. Механизмы таких «обратных связей», когда облака газа падают к центру и питают черную дыру, которая в свою очередь выталкивает газ к границам галактик, до сих пор вызывают горячие споры в научной среде.
2. ALMA буквально увидела, как в протопланетных дисках сталкиваются частицы пыли, образуя все большие и большие комочки — зародыши новых планет. Эти комочки служат ловушками для маленьких частиц, которые иначе бы двигались под действием гравитации все ближе к звезде, в итоге падая на нее. Подобное движение возникало во всех симуляциях и теоретикам приходилось искусственно «закрывать» частицы на орбите, чтобы формировать протопланеты. «Пылевые ловушки», обнаруженные ALMA, решают эту проблему — теперь мы понимаем, как из пыли рождаются планеты.
3. ALMA входит в конгломерат телескопов горизонта событий и принимала самое активное участие в накоплении данных для обнаружения тени черной дыры в галактике M87, о которой мы писали выше.

В следующую декаду телескоп получит новые ресиверы, информационные кабели, детекторы и сможет наблюдать в большем диапазоне длин волн, что в два раза снизит время, необходимое для наблюдения одного и того же источника (а для съемки с высоким пространственным разрешением время снизится в восемь раз).

На помощь ALMA должен прийти еще более амбициозный проект — телескоп Square Kilometre Array (SKA). Если уж ALMA со своими 66 телескопами, которые разнесены на десятки метров с прецизионной точностью и работают как единое целое, поражает воображение, то SKA будет проектом совсем умопомрачительным.

Массив радиотелескопов, занимающих суммарную площадь более одного квадратного километра, будет способен уловить сигналы обыкновенного аэродромного радара, расположенного на планете в 10 световых годах от нас! Часть телескопа будет установлена в Южной Африке, часть — в Австралии, а дневной трафик будет в 10 раз превышать трафик интернета.

Все это будет нужно, чтобы начиная с 2022 года открывать пульсары, искать первые галактики и пытаться найти признаки жизни на экзопланетах. После запуска антенн первой очереди SKA должен обнаружить около 10 тысяч пульсаров (сейчас мы знаем всего о примерно 2000 таких объектах), а при выходе на полную мощность — вообще все пульсары Млечного Пути, которые направлены на нас.

Период вращения пульсаров — одна из самых стабильных величин во Вселенной, задержка прихода сигнала от них может быть вызвана только прохождением гравитационной волны (опять волны!). Поэтому, помимо вклада в исследование самих пульсаров, SKA станет еще и новым независимым источником исследования предсказанных Эйнштейном волн.

Кроме того, изучая линию водорода на длине волны 21 сантиметр можно проникнуть в те самые Темные века истории Вселенной. SKA будет способен увидеть, как меняется распределение нейтрального водорода во Вселенной в период времени от 100 миллионов до 1 миллиарда лет после Большого Взрыва — то есть до конца эпохи реионизации, когда первые звезды и квазары превратили нейтральный водород в плазму. Попытки заглянуть в эту эпоху уже предпринимались в 2010-е, но точности инструментов хватало только на едва уловимые детали тех событий.

Наконец, SKA займется поиском обитаемых планет и даже внеземной жизни — анализ излучения околозвездной пыли и органических соединений, по мнению астробиологов, может дать прямое указание на пригодность некоторых планет для жизни или даже на саму жизнь на других планетах (вы удивитесь, как много молекул, в том числе органических, открыто в космосе). Перед входом любого телескопа в строй для него определяют набор ключевых программ, на которые потратится львиная доля времени. SKA — первый телескоп мирового уровня, у которого программе под названием «Колыбель жизни» поставлен высший приоритет. Как мы знаем, большие открытия планируются заранее — похоже, что следующее десятилетие будет интересным.

Поиски темной материи в карликовых галактиках

Раз уж мы заговорили о будущих открытиях, давайте обсудим, какие еще темы будут самыми горячими в грядущем десятилетии. Одной из них, несомненно, будет холодная темная материя.

Мы знаем про темную материю сейчас почти все, кроме самого главного — из каких частиц она состоит? Пока даже непонятно, как подступиться к этой задаче — Decadal Survey осторожно предлагал определить вероятность рассеяния гипотетических частиц темной материи на обыкновенных частицах, в том числе в экспериментах Большого Адронного коллайдера (БАК). Они дали только ряд ограничений на возможные величины параметров, но не сильно приблизились к обнаружению самих частиц.

Это кажется не слишком интуитивно-понятным, но важным звеном в исследовании темной материи является изучение карликовых галактик и галактик с низкой поверхностной яркостью.

Исторически, темную материю обнаружили, сопоставив наблюдаемые кривые вращения звезд (то, как меняются средние скорости вращения звезд вокруг галактического центра по мере удаления от этого центра) в различных галактиках. Категорическое несовпадение наблюдаемых данных с теоретическими заставило ученых ввести новую сущность — ту самую темную материю, существование которое подтвердилось и в других наблюдениях. Поэтому чем точнее мы измеряем кривые — тем больше мы понимаем про плотность и распределение темной материи.

Однако, в больших галактиках помимо упорядоченного движения звезд в диске есть сильное хаотическое движение, которое серьезно искажает наблюдения. А вот карликовые и тусклые галактики имеют на удивление слабую хаотическую компоненту и ведут себя более предсказуемо — поэтому именно для них кривые вращения будут самыми точными. Кроме того, в них почти нет звездобразования и активных галактических ядер, а значит, если все-таки частицы темной материи иногда рассеиваются на обычном веществе (барионах), то наблюдения подобных галактик в рентгеновском диапазоне, например, на телескопе VERITAS, может засечь мистические частицы раньше, чем даже эксперименты на БАКе — им не придется отсекать излучение от новых звезд и активных ядер. Кроме того, в отличие от БАКа, галактики не сильно ограничены в потреблении электричества и им не нужны сверхпроводящие магниты — энергия рассеяния в них может на несколько порядков превышать доступные энергии на ускорителях.

Большую роль в изучении таких интересных галактик ведут российские ученые на телескопе БТА в Нижнем Архызе — самое большое на континенте зеркало диаметром шесть метров улавливает достаточно света, чтобы составлять каталоги из тысяч подобных галактик, надежно определяя кривые вращения.

В 2022 году новый спектрограф PFS на телескопе «Субару» должен подойти к проблеме обнаружения темной материи немного с другого угла и будет изучать самые старые звезды Млечного Пути и близких соседних галактик, пытаясь найти места их наибольшего скопления. Теоретики предполагают, что темная материя не может быть равномерно распределена в нашей группе галактик и у нее должны быть участки повышенной плотности, где такие звезды и должны преимущественно находиться. Помимо новых знаний о темной материи, изучение этих областей поможет восстановить ход слияний отдельных звездных групп и тем самым узнать историю становления нашей Галактики.

Большие данные и астрономия-во-времени

Начало XXI века называют золотыми годами астрономии из-за изобилия новых технологий, которые позволяют проводить невероятные наблюдения. Изменились сами методы научного поиска — мы входим в эпоху больших данных и time-domain astronomy — «астрономии-во-времени».

Большие данные — это не только петабайты собранной информации, но и принципиально новые методы ее обработки с использованием машинного обучения (пример на английском, русском и снова русском языках) на быстрых серверах, которые в режиме реального времени анализируют информацию, отправляя наблюдателям сигналы о важных событиях.

Астрономия-во-времени — это не только красивые гифки, это подход, в котором телескопы становятся достаточно быстрыми и мощными, чтобы видеть не застывшее звездное небо, а его динамическое развитие. Это позволяет рутинно наблюдать даже такие кратковременные события как вспышки сверхновых, гамма-всплески, разрушение звезд вблизи Шварцшильдовского радиуса черной дыры и так далее — все то, что совсем недавно увидеть было фактически невозможно. И, одновременно, уже накопленный массив данных позволяет следить за процессами, которые занимают десятилетия: изменение светимости квазаров, удаленных от нас на миллиарды лет, или разлет остатков сверхновой в нашей собственной галактике.

Ярким примером синергии обоих новых направлений является строящийся большой обзорный телескоп LSST, который каждые 15 секунд будет фотографировать участок неба диаметром 3,5 градуса, что в 50 раз больше угловых размеров Луны. Полный обзор доступного неба он будет совершать за три ночи, съедая при этом 45 терабайт на жестких дисках. Только представьте, сколько даных он получит за те 10 лет, которые будет длиться его первичная научная программа!

Строительство здания на горе Черро Пачон в Чили почти завершено, зеркало и половина детекторов доставлены в Чили в прошлом году — у телескопа есть все шансы уложиться в график и начать полноценную работу в 2023 году. Среди основных задач телескопа будет примерно все то, о чем мы говорили в этой статье — картографирование близких и далеких галактик для изучения распределения в них темной материи, поиск новых астероидов и объектов пояса Койпера, обзор (практически в прямом эфире) сверхновых, гамма-вспышек, переменности квазаров и картирование нашей Галактики.

Система дата-центров, создаваемых в Южной и Северной Америках должна будет молниеносно обрабатывать информацию о 20 тысячах событий каждую минуту, накапливая информацию о примерно 37 миллиардах объектов с пяти миллионов снимков, полученных 3,2 гигапиксельной камерой — вот это по-настоящему большие данные, которые ждут нас в наступающем десятилетии. Интересно, что часть данных будет доступна всем желающим для интерактивного изучения неба на одном из сервисов «Гугла».

Итоги

Вот еще несколько важных вещей, которые совсем не поместились в наш обзор, но за которыми непременно стоит следить в ближайшие годы.

Новые марсоходы. Из четырех марсоходов, успешно изучавших красную планету, три уже отбегали свое и только робот «Кьюриосити» продолжает трудиться. Однако уже в феврале 2021 движение на Марсе станет оживленнее — туда отправляется новый ровер. Этой осенью он проехал первые метры в лаборатории NASA, и за его сборкой можно смотреть на специальном сайте.

Еще больше новых телескопов. Вот они, стройки XXI века: чрезвычайно большой телескоп ELT, который собирается в Чили и должен начать работать после 2025 года и многострадальный тридцатиметровый телескоп TMT на Гавайях. Последний рискует через десять лет снова попасть в наш обзор в статусе строящегося. После того, как местные власти смогли договориться с жителями, протестующими против строительства телескопа на одной из многочисленных священных гор, и проблемы, казалось, исчезли, выяснилось, что сами ученые не укладываются в сроки и просят об отсрочке. Местные власти в ответ немедленно отозвали всех полицейских и сотрудников, поддерживающих правопорядок рядом со строительными площадками. Похоже, что зеркало площадью в две баскетбольные площадки еще не скоро увидит фотоны далеких светил.

Телескоп на борту самолета (да!). Стратосферная обсерватория инфракрасной астрономии (SOFIA) — телескоп, установленный в корпусе Боинга-747. Обсерватория начала регулярные полеты как раз 10 лет назад — выход в стратосферу позволяет подняться над большей частью влажного воздуха, который не пропускает инфракрасное излучение. Спектроскопические наблюдения SOFIA позволяют установить химический состав протопланетных дисков вокруг других звезд и ответить на вопросы о том, из чего они состоят и как из них формируются планеты. Сейчас самолет базируется в Новой Зеландии, а за его полетами можно следить в реальном времени через сервис Flightradar.

***

Напоследок хочется напомнить слова Карла Сагана о том, что «всего одно поколение в истории человечества имеет привилегию жить во времена великих открытий и это поколение — наше». Сказанное было верно раньше, но еще более актуально сейчас. Следите за новостями астрономии в новом десятилетии, ведь ученые уже почти закончили Decadal Survey-2020.