Удивительно, но в относительной близости к Земле скрывалась необычно большая чёрная дыра звёздной массы. Открытие сделано на основе данных европейского астрометрического спутника «Гайя» (Gaia). В двойной системе вместе со звездой-гигантом обнаружена чёрная дыра массой 33 солнечных масс. Это самый крупный такого рода объект, обнаруженный в Млечном Пути и это вторая по близости к Земле чёрная дыра в нашей галактике.

Художественное представление системы Gaia BH3. Источник изображений: ESA

Ранее в каталоге «Гайи» внимание астрономов привлекла гигантская звезда Gaia DR3 4318465066420528000 (Gaia BH3). Звезда находится на удалении 2000 световых лет от Солнечной системы в созвездии Орла. Наблюдение за звездой с помощью эшелле-спектрографа UVES на наземном телескопе VLT Южной европейской обсерватории в Чили показало, что у звезды есть невидимый партнёр, параметры которого оказались достаточно необычными, что позволило прийти к выводу, что это чёрная дыра с рекордной звёздной массой.

Расчёты показывают, что звезда и чёрная дыра совершают один оборот по орбите за 11,6 года. Спектральный анализ показал, что звезда бедна металлами и, следовательно, чёрная дыра также образовалась из звезды-гиганта с низкой металличностью. Это первое такое открытие. Именно звёзды с низкой металличностью потенциально способны образовывать рекордно массивные чёрные дыры после своей смерти, так как они в процессе жизни не так активно «разбазаривают» вещество, как звёзды с высоким содержанием металлов.

До обнаружения чёрной дыры в системе Gaia BH3 самой массивной чёрной дырой звёздной массы считался объект Лебедь Х-1 массой 21 солнечная на удалении около 7000 световых лет от нас. Самая близкая к нам чёрная дыра солнечной массы расположена в 1500 световых годах — это чёрная дыра Gaia BH1 с массой в 10 солнечных. Также была найдена ещё одна чёрная дыра подобной массы — Gaia BH2, которая расположена на удалении 3800 световых лет от Солнечной системы. Новое открытие затмевает предыдущие находки и делает его крайне интересным.

Некоторое время назад в журнале The Astrophysical Journal вышла статья, в которой приводятся обоснования методики поиска пригодных для жизни землеподобных экзопланет. Разработчики проекта LIFE (Large Interferometer For Exoplanets) на примере спектральных сигнатур Земли в ближнем инфракрасном диапазоне доказали, что они смогли бы определить пригодность нашей планеты к жизни с расстояния в 30 световых лет.

Источник изображения: ETH Zurich / LIFE initiative

Космическая обсерватория Large Interferometer For Exoplanets или, по-русски, большой интерферометр для экзопланет разрабатывается учёными под руководством специалистов из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich). Это должна быть четвёрка примерно 3-метровых инфракрасных телескопов, разнесённых друг от друга на расстояние до 600 м, что эквивалентно одному зеркалу диаметром до 600 м. Телескоп LIFE будет базироваться в точке Лагранжа L2 — там же, где сейчас работает «Джеймс Уэбб». Проект должен быть реализован в начале 30-х годов.

Свежей работой учёные из Цюриха доказали, что лежащая в основе интерферометра LIFE методика будет надёжно работать. По крайней мере, с её помощью они смогли обнаружить пригодные для зарождения жизни условия на Земле. Это была не имитация, а проверка на самом высоком уровне — на реальных спектрах. Данные об инфракрасных спектрах Земли учёные получали с космического зонда NASA Aqua и затем анализировали с использованием соответствующих фильтров.

Учёные понимали, что с расстояния в десятки, а то и сотни световых лет экзопланеты будут выглядеть для инструментов человечества как точки или, в лучшем случае, как размытые пятна. Поэтому опираться надо будет на усреднённые показатели. «Наша цель — обнаружить химические соединения в спектре света, которые указывают на жизнь на экзопланетах», — пояснила Саша Куанц (Sascha P. Quanz), руководитель LIFE initiative.

Исследователи специально ограничили экспериментальные данные, чтобы они напоминали спектры экзопланет, полученные из глубин Вселенной. Также были проанализированы спектры, полученные с разных сторон Земли — с полюсов и экватора. Ведь мы вряд ли узнаем об ориентации экзопланеты, поэтому важно было понять, как отличаются спектры с разных точек обзора. К счастью, отличий не оказалось. Если экзопланета будет пригодна для жизни земного типа (а другой мы не знаем), то без разницы каким боком она будет обращена в нашу сторону.

Зато сезонные изменения, как выяснилось, повлияли на показания достаточно неопределённым образом. Наблюдения в январе и июне не дали чётких различий, и судить по полученным данным о климате и атмосфере было затруднительно.

Ключевой вывод исследования обнадёживает: если бы подобный LIFE космический телескоп наблюдал за планетой Земля с расстояния около 30 световых лет, то он обнаружил бы признаки обитаемого мира с умеренным климатом. Команда смогла определить концентрацию в атмосфере CO₂, воды, озона и метана в инфракрасных спектрах атмосферы Земли, а также такие условия на поверхности, которые способствовали появлению воды. Признаки наличия озона и метана особенно важны, поскольку эти газы производятся биосферой Земли.

Космическая обсерватория им. Джеймса Уэбба помогла сделать ещё одно интересное открытие или вернее будет сказать предположение. В процессе наблюдения за галактикой JWST-ER1g на удалении примерно 3,7 млрд лет после Большого взрыва выяснилось, что она может содержать намного более плотную тёмную материю, чем обычно. Учёные доказали это используя моделирование и данные наблюдений и это редкий шанс взглянуть на мифическую субстанцию под новым углом.

Сделавшие открытие американские физики из Калифорнийского университета в Риверсайде

Галактика JWST-ER1g была открыта «Уэббом» в сентябре 2023 года. Она оказалась идеальным примерном кольца Эйнштейна — явления гравитационного микролинзирования, когда дальний объект оказывается размазан по кольцу вокруг гравитационной линзы. Определив этот далёкий объект и учтя все другие параметры можно вычислить силу гравитационной линзы. В данном случае это означает, что галактика JWST-ER1g может быть взвешена и оценена как с позиции массы видимого вещества, так и с точки зрения находящейся в ней массы тёмной материи. Сложив одно и другое, должна получиться сила, преломляющая свет в соответствии с известными нам законами.

Наблюдения и расчёты показали, что свет от далёкого объекта преломляется сильнее, чем это допускала бы масса видимого вещества и расчётная масса тёмной материи в составе гало галактики JWST-ER1g. Поскольку с видимым веществом — звёздами и газом — всё просто, то выходит, что тёмной материи в гало JWST-ER1g явно больше, чем это допускают наиболее распространённые гипотезы и образованное галактикой гало. Сложившаяся ситуация позволила учёным предположить и позже математически доказать, что тёмная материя в галактике JWST-ER1g уплотнилась под воздействием видимого вещества и самой тёмной материи.

Это сделало случай наблюдения за JWST-ER1g уникальным и удобным для дальнейшего изучения свойств тёмной материи, которой, по принятым расчётам, примерно 85 % от всего находящегося во Вселенной вещества.

Согласно наблюдениям и моделям, звёзды в семь и более раз массивнее нашего Солнца не должны обладать магнитными полями. Несмотря на это, около 7 % массивных звёзд имеют сильные магнитные поля, что долгие годы было поводом для научных дискуссий. Серия новых наблюдений европейских астрономов позволяет уверенно разгадать эту загадку. Всему виной «звёздный каннибализм», считают они.

Источник изображения: ESO/VPHAS+

Исследователи обратили внимание на необычную двойную звёздную систему HD 148937 на удалении 3800 световых лет от нас. Внутри красивой туманности, прозванной «Яйцо дракона», вокруг общего центра масс вращается две звезды: одна в 29,9 солнечных масс, а другая — 26,6 солнечных масс. Изучение химического состава этих звёзд по спектрам, полученным приборами Очень большого телескопа Южной европейской обсерватории, выявило несуразность. По химическим профилям звёзд выходило, что более массивному светилу 2,7 млн лет, а меньшему — 4,1 млн. Так не бывает, а значит что чуть раньше с этими звёздами что-то произошло.

Также необычным можно считать наличие туманности вокруг звёзд, возраст которой оценивается от 4 до 7,5 тыс. лет. Наконец, химический состав вещества туманности тоже нетипичный. В нём преобладают вещества, которые обычно находятся внутри звёзд. Всё вместе позволило восстановить последовательность событий.

С большой вероятностью система HD 148937 состояла как минимум из трёх звёзд. Две из них, можно сказать, центральные, столкнулись не более чем 7 тыс. лет назад. Это повлекло за собой три обнаруживаемых эффекта. Во-первых, химический состав звезды-каннибала или выжившей звезды изменился, до некоторой степени омолодив её. Во-вторых, вокруг системы образовалась туманность из выброшенного в процессе столкновения вещества обеих звёзд. В-третьих, внутри звезды-каннибала в процессе поглощения партнёра стартовали мощные конвективные потоки вещества, что привело к генерации сильного магнитного поля.

В теории магнитное поле у сверхмассивной звезды со временем должно затухнуть, но поскольку поглощение произошло относительно недавно, оно всё ещё очень сильное и вызывает удивление. С другой стороны, учёные получили убедительное доказательство фактора приобретения магнитных полей сверхмассивными звёздами, что может положить конец затянувшейся дискуссии по этому поводу. Впрочем, одного наблюдения явно не достаточно, поэтому астрономы продолжат изучать системы с похожим набором свойств.

В 2021 году стартовал проект DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), который за 5 лет работы должен будет собрать данные о 40 млн квазаров на расстоянии до 11 млрд световых лет. Сегодня опубликованы данные первого года наблюдений, и они оказались интригующими. Это ещё не доказательство открытия, а только намёк на то, что основную на сегодня космологическую модель эволюции Вселенной, возможно, потребуется в корне изменить.

Трёхмерная карта участка Вселенной. Источник изображения: Claire Lamman/DESI

Около 30 лет назад окрепла гипотеза, что Вселенная расширяется с ускорением, чему не могут помешать ни гравитация, ни тёмная материя. Возникла идея тёмной энергии, которая заставляет вещество разлетаться с ускорением. Согласно модели Лямбда-CDM, влияние тёмной энергии на вещество постоянно в течение всей её истории, что, в сухом остатке, приведёт Вселенную к тепловой смерти.

Проект DESI кроме решения других задач также преследовал цель повысить точность измерения влияния тёмной энергии на вещество во Вселенной. Делает он это разными способами. На расстояние до 11 млрд световых лет изучаются спектры квазаров, а относительно близко расположенные галактики картографируются с помощью анализа спектров сверхновых и переменных звёзд. Первый год наблюдения принёс данные о 5,7 млн квазарах и галактиках, расстояния до которых и их спектры измерены с точностью менее 1 %, что раньше было недостижимо.

«Ни один спектроскопический эксперимент раньше не располагал таким количеством данных, и мы продолжаем собирать информацию о более чем миллионе галактик каждый месяц, — сказала Натали Паланк-Делабруй (Nathalie Palanque-Delabrouille), сопредседатель эксперимента. — Удивительно, что, имея данные всего за первый год, мы уже можем измерить историю расширения нашей Вселенной на семи различных отрезках космического времени, каждый с точностью от 1 до 3 %».

Эксперимент DESI фактически позволяет строить трёхмерную карту Вселенной. Это особенно ценно для ранней Вселенной, о которой мы знаем исчезающее мало, но которую можем изучать новыми инструментами и подкреплять модели своими наблюдениями. Так, анализ распределения галактик и квазаров в те ранние времена, когда эти объекты разлетались «на гребне волны» так называемых барионных акустических осцилляций — волн или пузырей распространения плотности «первичной» плазмы, позволяет с новой точностью измерить влияние тёмной энергии на этот процесс.

Согласно данным DESI за первый год наблюдений, скорость разлёта вещества в ранней Вселенной и в окружающей нас Вселенной отличаются. Достоверность данных пока ниже открытия — на уровне трёх значений сигма при необходимых пяти значений и выше. Однако это намёк, что влияние тёмной энергии на вещество со временем может начать ослабевать. Если это так, то, по крайней мере, Вселенной не будет грозить тепловая смерть, ведь её расширение в таком случае замедлится или даже остановится до начала фатальных и необратимых последствий. В любом случае, придётся искать место для новой физики в наших моделях.

«Это, безусловно, больше, чем любопытство, — сказала доктор Паланке-Делабруй в интервью New York Times. — Я бы назвала это намеком. Да, это еще не доказательство, но это интересно». Осталось дождаться 2026 года, когда проект DESI завершит сбор данных и подождать ещё несколько лет, пока их обработают.

5 апреля опубликованы первые данные нового цикла наблюдений коллаборации LIGO-Virgo-KAGRA, стартовавшего год назад. Первым достоверно подтверждённым событием стал гравитационно-волновой сигнал GW230529. Это событие оказалось уникальным и вторым подобным за всю историю работы детекторов. Один из объектов гравитационного взаимодействия оказался из так называемого разрыва масс между нейтронными звёздами и лёгкими чёрными дырами, а это новая загадка.

Художественное представление разрыва нейтронной звезды чёрной дырой. Источник изображения: Max Planck Institute for Gravitational Physics

Согласно данным гравитационно-волновых детекторов LIGO, событие GW230529 представляет собой взаимодействие двух объектов — одного массой 1,2–2,0 солнечных масс, а второго — более чем в два раза массивнее (2,5–4,5 солнечных масс). Первый компактный объект определён как нейтронная звезда, а второй попал в диапазон масс, в котором ничего не должно находиться. Выше разрыва учёные находили лёгкие чёрные дыры, а ниже — нет. Также в этот диапазон не могут попасть нейтронные звёзды. Остаётся предположить, что учёные открыли легчайшую чёрную дыру, что стало вызовом для современной астрофизики.

В одно из предыдущих наблюдений детекторами LIGO-Virgo подобный объект промежуточной массы уже наблюдался — это сигнал GW190814. Но тогда, в 2019 году, был получен сигнал об объекте из нижнего диапазона разрыва масс, что заставило заподозрить в нём тяжелейшую нейтронную звезду. Сигнал GW230529 подбросил новую загадку, но одна только гравитационно-волновая обсерватория её не решит. Для этого нужны наблюдения в других диапазонах.

Кстати, сигнал GW230529 был обнаружен только обсерваторией LIGO. Обсерватория Virgo в Италии и KAGRA в Японии данных не увидели, поэтому определение направления на событие затруднено. В то же время обнаружение сигнала на одном детекторе стало проверкой нового программного обеспечения, которое успешно отфильтровало шум и вычленило полезный и, как оказалось, уникальный сигнал.

В январе обсерватории были остановлены на плановое обслуживание и модернизацию. Обсерватория в Японии подверглась землетрясению и вынуждена была встать на ремонт. Новый сеанс наблюдения начнётся 10 апреля и продлится до февраля 2025 года. В первый цикл было зафиксировано 81 событие, данные по первому из них — GW230529 — опубликованы. Всего по окончанию цикла ожидается регистрация свыше 200 гравитационно-волновых событий.

Необычно красочное оптическое явление в облаках Земли — глория или ореол — впервые могло быть замечено в атмосфере далёкого инопланетного мира. Пока это только вероятность, но она достаточно большая, чтобы явление продолжили изучать. Если данные подтвердятся, открытие позволит больше узнавать об атмосферах экзопланет и даже об океанах на их поверхности — это бесценная возможность изучать миры, куда человечество попадёт очень и очень нескоро.

Художественное представление глории в атмосфере ультрагорячего юпитера. Источник изображения: ESA

Признаки глории учёные из Института астрофизики и космических наук в Португалии обнаружили в архивных данных обсерваторий CHEOPS, TESS, «Хаббл» и «Спитцер» по экзопланете WASP-76b. Это ультрагорячий юпитер, который неоднократно становился объектом интереса астрономов. Эта планета вращается вокруг звезды класса F7 с массой 1,4 массы Солнца и возрастом 2,4 млрд лет. Период обращения составляет всего 1,8 дня. Это означает, что планета буквально купается в мощном энергетическом излучении звезды.

На солнечной стороне WASP-76b температура достигает 2400 °C (она всегда обращена одной стороной к своему солнцу). Подобный нагрев испаряет металлы с поверхности и превращает их в пар. Это трудно вообразить, но дожди на WASP-76b — это капли расплавленных металлов, в частности — железа, как показали спектральные измерения. Признаки глории, судя по всему, это результат преломления света от местной звезды на облаках из почти одинаковых капель расплавленного железа в верхних слоях экзопланеты.

Пример глории на облаках Земли, когда объект находится между Солнцем и облачным фоном. Источник изображения: Википедия

Данные о вероятном и характерном оптическом явлении были получены свыше двух десятков раз. Оно наблюдалось в момент захода экзопланеты за свою звезду (система удалена от нас на 640 световых лет) — это так называемое вторичное затмение. В оптике планета вдруг становилась ярче, тогда как в инфракрасном свете интенсивность не изменялась. Нельзя исключать, что в атмосфере WASP-76b могут происходить иные процессы, которые сопровождаются набором наблюдаемых данных. Поэтому учёные продолжат наблюдать за WASP-76b, ведь это шанс разобраться с тем, как мы можем интерпретировать атмосферные и даже поверхностные явления на других мирах.

Национальная ускорительная лаборатория SLAC завершила производство самой большой в мире цифровой камеры. Этот инструмент массой 3 т с диаметром объектива 1,5 м и габаритами с небольшой автомобиль готовят к отправке в Чили для установки на 8-м телескоп Simonyi в обсерватории имени Веры Рубин. Транспортировка будет настолько ответственной, что для проверки маршрута по нему предварительно проехал облепленный датчиками массогабаритный макет камеры.

Источник изображений: SLAC

В Чили камера полетит на самолёте Boeing. Тестирование маршрута транспортировки включало также проверку этого этапа. Массив CCD-датчиков камеры содержит 189 отдельных компонентов, разделённых пространством 0,5 мм один от другого. Все они выровнены по плоскости с отклонением не более 15 мкм. Тестирование маршрута показало, что камера выдержит транспортировку, но элемент волнения остаётся, ведь на создание камеры ушло без малого десять лет.

Установка камеры LSST на телескоп ожидается до конца текущего года. Она будет интегрирована в систему позиционирования телескопа с 8,23-м зеркалом, а также подключена к системе управления и охлаждения. Массив датчиков с разрешением 3,2 гигапикселя будет охлаждён до -100 °C. Это позволит матрице не только стабильнее работать, но также собирать свет в ближнем инфракрасном диапазоне. Также камера будет собирать свет в оптическом и ближнем ультрафиолетовом диапазоне.

Камера LSST с огромным датчиком и всего 8-м зеркалом не станет намного зорче телескопа «Джеймс Уэбб». Её главное преимущество — в многократном и быстром обзоре огромного участка неба. Каждый её кадр захватит площадь свыше 40 полных лун. Это означает, что никакие быстрые события не будут пропущены на вверенном камере участке неба. Это будет небо южного полушария Земли, и о нём в течение 10 лет камера LSST будет знать всё фактически в реальном режиме времени.

Каждую ночь камера будет собирать до 15 Тбайт данных. Она сможет проследить за миллиардами галактик и примерно 17 млрд звёзд в нашей галактике. Наблюдению станут доступны миллионы объектов Солнечной системы. Это крайне важно также с точки зрения повышения планетарной обороны. Камера поможет находить опасные астероиды и кометы.

После полной интеграции камеры в системы телескопа её будут тестировать в течение последующих 18 недель, и первые снимки будут опубликованы весной 2025 года. Пока учёные не выбрали первый объект для съёмок, но говорят, что это может быть одна из ярких галактик.

Рендер обсерватории им. Веры Рубин

Регулярные и большие по охвату обзоры неба камерой LSST позволят ещё сильнее сузить границы параметров, которые определяют поведение тёмной материи и тёмной энергии. В этом смысле инструмент можно назвать охотником за тёмными материей и энергией. Первая цементирует вселенские объекты, а вторая заставляет их двигаться с ускорением, приводя к расширению Вселенной. Влияния обоих феноменов на звёзды и галактики камера LSST сможет оценить с беспрецедентной ранее точностью и в этом будет её главная ценность.

Человечество успешно справилось с обнаружением экзопланет — миров в иных звёздных системах. На очереди открытие экзолун. Эти планетарные тела сравнительно небольших размеров и поэтому обнаружить их пока не удаётся. Зато намного проще может оказаться увидеть будущий спутник, пока он «размазан» тонким слоем пыли и газа по протопланетному диску. Подобные признаки формирования экзолун были обнаружены в молодой звёздной системе PDS 70.

Протопланетный диск системы PDS 70. Источник изображений: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Benisty

Открытие системы PDS 70 несколько лет назад стало подарком астрономам и планетологам. Она расположена сравнительно недалеко от Земли — всего в 370 световых годах. Звезде и протопланетному диску PDS 70 всего 5,5 млн лет — это младенец по сравнению с Солнечной системой, возраст которой оценивается в 4,5 млрд лет. Поэтому система PDS 70 изучалась всеми доступными астрономическими инструментами от наземных до космических. Большинство интересных открытий были сделаны радиотелескопом ALMA и Очень большим телескопом, расположенными в Чили.

Самым впечатляющим открытием стало обнаружение в системе PDS 70 двух формирующихся экзопланет на одной орбите (PDS 70B и PDS 70C). После этого за системой стали следить ещё внимательнее и обнаружили удивительное — вокруг каждой из них наблюдались спиральные завихрения вещества в протопланетном диске. Моделирование показало, что с большой вероятностью это могут быть признаки образования естественных спутников у этих планет. Подобные завихрения вещества учёные наблюдали и раньше в протопланетных дисках других систем, но теперь появилась возможность связать все наблюдения воедино и предположить, что всё это один процесс — рождение будущих лун.

Два ранее обнаруженных зародыша экзопланет на одной орбите

Но на этом сюрпризы не окончились. На внутреннем крае протопланетного диска PDS 70 были обнаружены данные, которые заставили учёных заподозрить формирование там третьей экзопланеты. После подтверждения открытия другими группами планета получит индекс PDS 70D.

«Мы нашли новые доказательства присутствия третьей планеты в системе, которые были предложены на основе наблюдений VLT, — сказал Валентин Кристианс, один из учёных проекта. — Более того, новые инфракрасные измерения [Джеймсом Уэббом], которые мы провели для двух известных протопланет, предполагают наличие вокруг них нагретого материала, который может быть строительным материалом для формирующихся вокруг них лун».

Вселенная полна «ускорителями для бедных», как академик Яков Зельдович назвал энергичные космические явления. Ряд процессов мы никогда не сможем воссоздать в земных лабораториях, куда входят также события, связанные с нейтронными звёздами. Всё это можно изучать со стороны и сейчас такие наблюдения принесли новый успех — впервые учёные зафиксировали струю выброса вещества с нейтронной звезды, скорость которого достигла 40 % от скорости света.

Художественное представление нейтронной звезды. Источник изображения: ЕКА

Открытие помогли сделать массив радиотелескопов Compact Array в Австралии и европейский рентгеновский спутник Integral (совместный проект ЕКА с «Роскосмосом» и NASA). Джеты и рассеяние вещества в процессе взаимодействия со струёй от нейтронной звезды видны только в этих диапазонах, а также в гамма-диапазоне. Другим условием было наличие у нейтронной звезды партнёра — обычной звезды, у которого она могла бы отнимать вещество для инициации джетов.

Силой своей гравитации нейтронные звёзды уступают только чёрным дырам. Если это двойная система из нейтронной звезды и обычной звезды, то вещество от последней (как правило, это водород) перетекает на нейтронную звезду, за что их иногда называют звёздными каннибалами. Концентрация и уплотнение водорода на поверхности нейтронной звезды приводит к запуску термоядерной реакции и взрыву, который и порождает джет — выброс энергии и вещества. Попутно в джет вовлекается окружающее нейтронную звезду вещество из пространства и ускоряется им, начиная светиться в рентгеновском и гамма-диапазоне.

Проблема с наблюдением таких явлений в том, что джеты возникают не по расписанию, а произвольно. Поэтому учёным приходится часами и даже сутками следить за нейтронными звёздами, в надежде собрать наиболее полную информацию по событию. Должно совпасть множество факторов, включая положение обсерваторий.

Международная группа астрофизиков из Университета Уорика (Великобритания), Национального института астрофизики в Палермо (Италия) и Амстердамского университета в Нидерландах добилась своего и смогла в деталях запечатлеть явление в «идеальном», как сообщили учёные в журнале Nature, эксперименте. Они зафиксировали не только процесс образования джета, но также захват струёй вещества из окружающего пространства и его разгон до скорости 35–40 % от скорости света (примерно 114 тыс. км/с).

По словам исследователей, это самый быстрый джет из наблюдавшихся. Также учёные отметили, что создавший струю термоядерный взрыв, по-видимому, не разрушил локацию, где он произошёл, а лишь вовлёк в струю массу вещества, синтезированного звездой. Тем самым подобные процессы очевидным образом влияют как на распространение более тяжёлых элементов по Вселенной, так и непосредственно на процессы звездообразования.

Семь лет назад стартовал грандиозный эксперимент по получению первых изображений чёрной дыры. Эти совершенно невидимые и даже сейчас всё ещё гипотетические объекты попытались запечатлеть на снимках. Первым получили изображение сверхмассивной чёрной дыры M87*, а вслед за ним снимок намного меньшей чёрной дыры в центре нашей галактики — Стрелец A* (Sgr A*). И этим дело не ограничилось.

Изображение магнитных полей чёрной дыры Стрелец А* в поляризованном свете. Источник изображения: Event Horizon Telescope

Следует сказать, что чёрные дыры M87* и Sgr A* находятся на противоположных концах шкалы масс этих объектов. Чёрная дыра в центре нашей галактики имеет всего 2,6 млн солнечных масс (4,3 по другим источникам), что противостоит M87* с массой 6 млрд солнечных. Соответственно, у них такая же разная динамика. Чёрную дыру M87* на удалении 55 млн световых лет от нас можно снимать с выдержкой в несколько дней и даже недель, тогда как более мелкая и юркая чёрная дыра Sgr A* находится всего на расстоянии 27 тыс. световых лет, и снимать её нужно с выдержкой от нескольких минут до часов, иначе чётких структур на изображении не получить.

Что касается самой методики получения снимков, то также следует понимать, что напрямую увидеть объект и его тень нельзя. Объект в принципе недоступен для регистрации в любом электромагнитном диапазоне (об излучении Хокинга мы сейчас не говорим), зато его тень — окружающую чёрную дыру вещество в аккреционном диске, выбрасываемое в пространство электромагнитными полями чёрной дыры, можно легко наблюдать в радиодиапазоне. Проблема тут в низком разрешении отдельных радиотелескопов, поэтому для получения снимков чёрной дыры была создана коллаборация «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope, EHT).

Радиоданные, в отличие от оптических данных (условно — фотографий), достаточно легко объединить в один массив. Поэтому следить за чёрной дырой можно было сразу со многих радиотелескопов, причём не обязательно полностью синхронно. Нужно было лишь точно сопоставить данные наблюдений, например, с помощью атомных часов или сигналов GPS. Потом жёсткие диски с результатами свозились в одно место и обрабатывались как единый массив, полученный виртуальным радиотелескопом размером с Землю.

Изображение M87* было собрано из данных достаточно быстро — уже в 2019 году. На обработку данных о нашей чёрной дыре Sgr A* ушло пять лет. Первое изображение обнародовали только в 2022 году. Это было, как получить чёткий снимок дерева на сильном ветру, сетовали учёные. Но у них получилось, и изображения оказались достаточно похожими, несмотря на огромнейшие различия в массе объектов.

Затем учёные провели наблюдение за M87* в поляризованном свете и синтезировали снимок электромагнитных полей вокруг этого объекта. Возникло разумное желание посмотреть, а как с этим обстоят дела в случае нашей чёрной дыры? Снова наблюдения — и первый результат, который не разочаровал. Впервые полученный в поляризованном свете снимок магнитных полей чёрной дыры Стрелец A* оказался очень и очень похожим на такое же изображение M87*. Из этого учёные делают вывод, что хотя M87* и Стрелец A* совершенно разные по набору характеристик чёрные дыры, устроены они крайне похоже.

Похожесть M87* и Стрелец A* теперь открывает путь к обнаружению джета Стрелец A*. Джет M87* обнаружен около ста лет назад и хорошо наблюдается, что позволяет вычислить скорость вращения чёрной дыры. С нашей дырой пока ничего непонятно. Нам неизвестна её ориентация и скорость вращения. Снимки в поляризованном свете обещают помочь с разгадкой этих тайн, о раскрытии которых учёные совсем недавно даже не думали.

Примерно в 50 световых годах от Земли находится система LHS 1140, в которой ранее были обнаружены две суперземли. Одна из них обещает оказаться планетой-океаном, потенциально пригодным для жизни. В этом помог разобраться космический инфракрасный телескоп им. Джеймса Уэбба, приборы которого проанализировали состав атмосферы экзопланеты LHS 1140b.

Инопланетный мир у красного карлика в представлении художника. Источник изображения: ESO

Прибор NIRSpec «Джеймса Уэбба» изучил атмосферу экзопланеты LHS 1140b в июле 2023 года во время двух событий транзита экзопланеты по своей звезде. Ранее предполагалось, что это каменистый мир массой свыше 6 земных. Новые наблюдения позволили снизить оценку массы и размера экзопланеты до 5,6 массы Земли и радиуса 1,73 от земного. Инсоляция планеты предполагается на уровне 0,42 от земной, а усреднённая температура у поверхности может составлять 226 К.

Добавим, планета LHS 1140b вращается вокруг красного карлика массой 0,18 солнечных масс. Она расположена достаточно близко к звезде, но слабое излучение центрального светила не перегревает её поверхность, а это важно, ведь для планеты с глобальным океаном повышенная инсоляция это автоматическое создание парникового эффекта и смерть всему живому. Вы только посмотрите, что сотворил парниковый эффект на Венере!

Одним словом, если на LHS 1140b есть глобальный океан, то температура воды на его поверхности выше точки замерзания, что означает потенциальную его пригодность для зарождения биологической жизни. Впрочем, судя по размерам и оценкам плотности экзопланеты, вместо 10 % воды на её поверхности может присутствовать плотная газовая атмосфера. Спектральный анализ атмосферы и моделирование показали, что вероятность плотной атмосферы у LHS 1140b ниже, чем вероятность наличия огромного объёма воды на её поверхности. Поэтому это хороший кандидат на роль планеты-океана. И вдвойне ценно, что подобных миров обнаружено не так много, как хотелось бы учёным. Ещё один лишним не будет.

У Вселенной много загадок для человечества, среди которых нейтронные звёзды занимают особое положение. Это настолько плотные объекты, что в них есть место даже для новой физики. И хотя мы не сможем к ним приблизиться, учёным доступны наблюдения и компьютерное моделирование. Подгоняя симуляцию под наблюдения можно раскрыть множество секретов нейтронных звёзд.

Источник изображений: Zingale et al., ApJ, 2024

Столкновения нейтронных звёзд в двойных системах порождают термоядерные взрывы, когда часть вещества перетекает на другую звезду и запускается термоядерная реакция. Это очень мощные явления, которые астрономы фиксируют в гамма- и рентгеновском диапазоне. Силу вспышки и её динамику можно оценить количественно и затем использовать в расчётах для воспроизведения условий для её возникновения. Если расчёты совпадают с увиденным, значит, появляется простор для уточнения массы нюансов поведения нейтронных звёзд. Необходимые детали можно получить из моделирования, даже если мы никогда не получим непосредственного подтверждения симуляции наблюдениями.

Ранее в Ок-Риджской национальной лаборатории на суперкомпьютере Summit учёные исследовали термоядерное воспламенение нейтронной звезды в 2D-проекции. Для объёмной симуляции процесса необходимы намного большие машинные ресурсы, и они были выделены. В новом исследовании была проведена первая в мире подробная 3D-симуляция термоядерного воспламенения нейтронной звезды.

«С помощью симуляции мы можем увидеть, как эти события происходят в мельчайших деталях, — поясняют авторы работы, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal. — Одна из вещей, которую мы хотим сделать, это понять свойства нейтронной звезды, потому что мы хотим выяснить, как ведёт себя материя при экстремальных плотностях, которые вы обнаружили бы в нейтронной звезде».

В среднем диаметр нейтронных звёзд достигает 20 км. При этом её масса — это масса ядра бывшей звезды, превратившейся в сверхновую — может достигать двух масс Солнца. Собственной массы ядра не хватило, чтобы оно коллапсировало в чёрную дыру, но оставшись материальным телом, настолько спрессовало вещество в себе, что его плотность достигла невообразимых значений. Таких, что атомы вещества в центре нейтронных звёзд могут находиться в разобранном на кварки состоянии или ещё до каких-то неизвестных нам уровней.

Слева изображения симуляции термоядерного взрыва на нейтронной звезде в 2D, справа — в 3D

Моделирование позволяет выявлять нюансы физики нейтронных звёзд, чтобы установить ограничения на те или иные явления и процессы. Наконец, это может помочь создать модель внутренней физики этих объектов. Запуск 3D-модели термоядерного взрыва на нейтронной звезде показал несколько другие результаты, чем во время запуска 2D-модели. Это позволит сделать поправку на исследование процесса в 2D. Это важно по той причине, что запуск в 2D требует гораздо меньше вычислительных ресурсов и происходит быстрее.

В то же время запуск симуляции в 3D раскрыл новые грани процесса распространения термоядерной реакции по поверхности нейтронной звезды. Пока учёные смогли запустить моделирование лишь в районе одного полюса объекта, но приближаются к моделированию явления в масштабах всей звезды от полюса к полюсу.

Астрономы давно мечтают обнаружить самые первые звёзды во Вселенной. Но пока даже обнаружение звёзд второго поколения случается менее одного раза на 100 тыс. звёзд. И всё же, обнаружить звезду второго поколения да ещё в другой галактике — это тоже удача и её только что поймали учёные из Чикагского университета. Эта звезда обнаружена у нас под боком в галактике-спутнике Млечного Пути Большом Магеллановом Облаке и она стала кладезем ценной информации.

Большое Магелланово Облако, наблюдаемое с помощью телескопа «Спитцер». Источник изображения: NASA/JPL-Caltech/STScI)

Как известно, один из показателей возраста звезды — это степень её металличности. Чем меньше в спектре звезды металлов — всего, что тяжелее гелия в таблице Менделеева, тем она старше. Поэтому от спектра первых звёзд учёные ждут линий водорода и гелия (и немного лития) — только того вещества, которое образовалось в процессе Большого взрыва.

Считается, что первые звёзды были сверхбольшими и сверхгорячими, поэтому они просуществовали недолго и вследствие быстрого прогорания не встречаются нам при наблюдении за Вселенной. Но зато в их недрах в процессе термоядерных реакций успели возникнуть первые элементы тяжелее лития вплоть до железа по периодической таблице. Взорвавшись, первые звёзды образовали облака веществ для рождения звёзд второго поколения, в спектре которых мы можем обнаружить характерные металлы в определённых пропорциях. По совокупности таких (предполагаемых) признаков учёные и находят звёзды второго поколения.

Определённое количество звёзд второго поколения уже найдено в нашей галактике. Обнаружить звёзды второго поколения в других галактиках — это означает узнать о раннем распределении химических элементов во Вселенной. Фактически это как провести расследование места преступления по старым и почти стёршимся следам. Но это работает. Открытие в Большом Магеллановом Облаке звезды LMC 119, относящейся ко второму поколению звёзд, позволяет узнать о химическом составе пространства в ранней Вселенной вне нашей галактики.

Анализ химического состава LMC 119 не разочаровал. Эта звезда содержит иной количественный состав веществ, чем звёзды второго поколения в Млечном Пути. Так, звезда LMC 119 содержит заметно меньше углерода и железа, чем аналогичные звёзды нашей галактики. «Это было очень интригующе, и это наводит на мысль, что, возможно, увеличение содержания углерода в самом раннем поколении [звёзд], которое мы видим в Млечном Пути, не было универсальным. Нам придётся провести дальнейшие исследования, но это говорит о том, что существуют различия от области к области», — говорят учёные.

Два астрофизика из Института астрономии им. Макса Планка в Германии доказали, что центр нашей галактики Млечный Путь омывается двумя отдельными звёздными потоками из крайне старых звёзд, которые они назвали Шива и Шакти. Возраст этих звёзд составляет 12–13 млрд лет, что означает, что они ровесники нашей галактики и это делает их ценной и буквально археологической находкой.

Визуализация звёздных потоков Шива и Шакти вокруг центра Млечного Пути. Источник изображения: ESA/Gaia/DPAC/K. Malhan

Заявленное в журнале The Astrophysical Journal открытие древних звёздных образований вокруг центра Млечного Пути, каждое из которых обладает массой около 10 млн солнечных, помог сделать европейский астрометрический спутник «Гайя» (Gaia). «Гайя» изучает такие характеристики звёзд в нашей галактике и недалеко от неё, как скорость и вектор движения, удалённость, а также металличность. Тем самым спутник помогает создавать трёхмерную карту Млечного Пути и оценивать примерный возраст звёзд (чем больше в спектре звёзд атомов веществ тяжелее гелия, тем они старше).

Изучая наборы данных «Гайи» астрофизик Кхьяти Малхан (Khyati Malhan) и астроном Ганс Вальтер-Рикс (Hans Walter-Rix) обнаружили две независимые, но расположенные рядом популяции звёзд возрастом около 13 млрд лет. Они, как и другие звёзды в галактике, вращаются вместе со всеми остальными объектами вокруг центра Млечного Пути, но ведут себя как несколько обособленные структуры. Фактически это два звёздных потока из древних звёзд. Тот, что ближе к центру галактики учёные назвали Шивой, а чуть более отдалённый — Шакти.

«Что действительно удивительно, так это то, что мы вообще можем обнаружить эти древние структуры, — сказал Малхан. — С момента рождения этих звёзд Млечный Путь изменился настолько значительно, что мы не могли рассчитывать так чётко распознать их как группу, но беспрецедентные данные, которые мы получаем от Gaia, сделали это возможным».

Считается, что галактика Млечный Путь начала формироваться 13 млрд лет назад. Звёзды потоков Шива и Шакти, похоже, послужили первыми группами, которые инициировали запуск процессов образования рукавов галактики. Тогда это были «небольшие усики», как выразились учёные, однако время и вещество развило их в полноценные спиральные рукава длиной в 100 тыс. световых лет.

По образованиям таких звёздных групп, как Шива и Шакти учёные могут восстановить историю эволюции Млечного Пути. Звёздные потоки можно проследить до бывших звёздных скоплений, которые внесли свой вклад в формирование нашей галактики, увидеть какие звёзды Млечный Путь приобрёл при поглощении карликовых галактик и узнать многое из прошлого нашей галактики. Это ценно не только для изучения нашего звёздного дома, но также для понимания ранней истории Вселенной, что делает открытие вдвойне ценным.