Чем занимались исследователи космоса в 2023 году

В 2023 году космический телескоп «Джеймс Уэбб» сделал множество открытий, среди которых обнаружение органических молекул – предвестников жизни – и «невозможных» ранних галактик. А российский космический телескоп «Спектр-РГ» наблюдал вспыхнувшую чёрную дыру вблизи центра Млечного Пути. На самой Земле астрономы открыли космический гравитационный волновой фон, зарегистрировали сверхэнергичную частицу космических лучей и получили «посылку» с веществом астероида.

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (NASA) впервые обнаружил в космосе органическую молекулу (или, если быть точным, то молекулярный ион) метил-катиона CH₃⁺. Произошло это в молодой звёздной системе с протопланетным диском, известной как d203-506, расположенной примерно в 1350 световых годах от нас в туманности Ориона. Это ближайшая к Земле большая область звездообразования.

Метил-катион может оказаться важнейшим компонентом жизни, поскольку, как предположили 40 лет назад, эта частица способна запускать химические реакции, в результате которых образуются более сложные органические молекулы. Соединения углерода составляют основу всей известной нам жизни и поэтому они особенно интересны для учёных, работающих над пониманием того, как жизнь возникла на Земле и как она потенциально может развиваться в других частях нашей Вселенной.

А в атмосфере экзопланеты K2-18 b «Джеймс Уэбб» обнаружил углекислый газ, метан, а также признаки наличия диметилсульфида. Это может свидетельствовать о возможности существования жизни в предполагаемом океане на её поверхности.

Подробно о телескопе «Джеймс Уэбб» можно прочитать в статье Алексея Понятова "«Уэбб». Наследник великих космических обсерваторий" («Наука и жизнь», №2, 2022)

Изображение молодой звёздной системы с протопланетным диском d203-506, полученное с помощью аппаратуры NIRCam и MIRI. Её вытянутая форма обусловлена ​​воздействием падающего сильного ультрафиолетового излучения. Именно в ней международная группа астрономов впервые обнаружила новую молекулу углерода, известную как метил-катион. Источнтк: ESA/Webb, NASA, CSA, M. Zamani (ESA/Webb), PDRs4ALL ERS Team.

2. Пульсарный тайминг открывает гравитационный шум Вселенной

Международная команда астрономов из Европы, России, Индии, Австралии, Китая и Северной Америки, обнаружила убедительные доказательства существования фона сверхнизкочастотных гравитационных волн, приходящих на Землю изотропно со всех направлений. Он, вероятно, исходит от множества пар сверхмассивных чёрных дыр в центрах сливающихся галактик, очень медленно вращающихся вокруг друг друга. Этот сигнал очень интересен для астрофизиков, поскольку мы ещё мало знаем о двойных чёрных дырах с огромными массами – от миллионов до миллиардов масс Солнца, которые образуются при слиянии галактик.

Эти выводы стали результатом более чем 25-летних наблюдений пульсаров. Исследователи использовали для чрезвычайно точных наблюдений двадцать пять специально выбранных миллисекундных радиопульсаров (Pulsar Timing Array – массив пульсарного тайминга), разбросанных по Млечному Пути. Они образуют огромный детектор размером с нашу Галактику, который даёт возможность исследовать гравитационные волны с длиной волны в несколько световых лет.

Спектр гравитационных волн (в центре). По горизонтальной оси указаны период (Timescales) и соответствующая частота волны (Frequency, в герцах). Вверху изображены гравитационно-волновые детекторы, предназначенные для исследования волн разных диапазонов. Внизу показаны возможные источники этих волн. Иллюстрация: ESA.

3. Загадка экзопланеты

Астрономы по колебаниям лучевой скорости обнаружили около красного карлика LHS 3154, масса которого в девять раз меньше, чем у Солнца, экзопланету массой не менее 13,2 масс Земли, что почти равно массе Нептуна (17,1M_☉). Такая планета слишком велика для столь маленькой звезды. Её существование противоречит современным теориям формирования планет.

Проведённое моделирование показало, что при данной массе экзопланеты протопланетный диск должен быть в 10 раз массивнее, чем ожидается для такой маленькой звезды. В диске, соответствующем небольшому красному карлику, возникновение такой планеты невозможно ни в соответствии с теорией аккреции, ни благодаря гравитационной нестабильности. Обнаружение подобной экзопланеты бросило вызов астрономам. Теперь им надо решить эту загадку.

Относительный размер экзопланеты LHS 3154 b по сравнению с её родительской звездой намного больше, чем у Земли по сравнению с Солнцем. На этом рисунке  в масштабе показаны относительные размеры тел, но не орбитальные расстояния. Изображение: Penn State University.

4. Грунт с астероида доставлен на Землю

Капсула с образцами грунта астероида (101955) Бенну успешно доставлена на Землю 24 сентября 2023 года. Выбор данного астероида был обусловлен, с одной стороны, тем, что он достаточно близок к Земле, а с другой стороны, относится к классу углеродных астероидов, содержащих исходный строительный материал, из которого формировалась наша Солнечная система. Его возраст должен быть порядка 4,5 миллиарда лет.

Космический аппарат OSIRIS-Rex был запущен 8 сентября 2016 года и прибыл к астероиду Бенну на расстояние около 120 млн километров от Земли 3 декабря 2018 года. Забор грунта состоялся 20 октября 2020 года без посадки на астероид в момент касания поверхности с помощью длинного манипулятора с рукавом. 24 сентября 2023 года, пролетая мимо Земли, зонд с высоты примерно 102 тысячи километров сбросил капсулу с грунтом, которая затем приземлилась с помощью парашютной системы в пустыню штата Юта (США). По оценкам учёных, в капсуле около 250 граммов вещества. До этого единственной страной, которая доставила на Землю образцы грунта с астероида, была Япония. Её космический аппарат «Хаябуса-2» в 2019 году собрал около чайной ложки вещества с астероида (162173) Рюгу.

Зонд OSIRIS-REx готовится коснуться поверхности астероида Бенну. Изображение в представлении художника. Источник: NASA/Goddard/University of Arizona.

5. Рекордсменка из пустоты

В ноябре 2023 года обсерватория Telescope Array (США) зарегистрировала редкую частицу космических лучей с чрезвычайно высокой энергией, свыше 240 экзаэлектронвольт (ЭэВ). Это в миллионы раз больше, чем у частиц, созданных в Большом адронном коллайдере, самом мощном земном ускорителе. Данная частица – вторая по величине энергии за всю историю наблюдений и уступает только обнаруженной в 1991 году частице с энергией 320 ЭэВ, получившей название «частица Oh-My-God» («О боже мой»). Новая частица тоже получила личное имя Аматэрасу в честь богини Солнца в японской мифологии.

Столь энергичные частицы могут быть порождены только очень мощными космическими событиями. Даже мощнейшего взрыва сверхновой для этого недостаточно. Вот тут и возникает загадка Аматэрасу. Исходя из представлений о том, какое расстояние способна пройти подобная частица, исследователи вычислили, что её путь начинается в Местном Войде – огромной области космической пустоты, расположенной вблизи Местной группы галактик, куда входит Млечный Путь. Но там поблизости нет ничего, чтобы могло породить такую частицу. Физики предполагают, что это может указывать на испытанное частицами где-то по пути гораздо большее магнитное отклонение, чем предполагалось, на неопознанный источник в Местном Войде, или на неполное понимание физики частиц высоких энергий.

Атмосферный ливень частиц, порождённый энергичной частицей космических лучей, падает на датчики Telescope Array. Изображение: Osaka metropolitan university/L-insight, Kyoto university/Ryuunosuke Takeshige.

6. «Уэбб» бросает вызов современной космологии

На изображениях, полученных космическим телескопом «Джеймс Уэбб» (NASA), астрономы увидели большие галактики, находящиеся настолько далеко, что возникли они примерно через 500–700 млн лет после Большого взрыва. Само по себе существование столь ранних галактик не вызвало удивления. Ранее уже обнаруживали галактики даже с возрастом 380–400 млн лет, хотя по-прежнему остаются вопросы, как галактики могли возникнуть так быстро, ведь до конца так называемых тёмных веков (примерно через 550 млн лет после Большого взрыва) звёзд ещё не должно было существовать.

Проблема в том, что галактики, обнаруженные «Уэббом», были слишком большими, а звёзды в них слишком старыми. Это противоречит существующим космологическим представлениям. Такие звёзды не могли существовать в это время, а гравитация не могла успеть стянуть их в огромные галактики. Теперь космологам предстоит решить эту загадку. Впрочем, возможно, что решение уже было найдено ещё в 1960-е годы советскими учёными: академиком Яковом Борисовичем Зельдовичем и Игорем Дмитриевичем Новиковым. Они предположили, что на этапе космической инфляции (быстрого расширения Вселенной) возникают первичные чёрные дыры. Звёзд тогда ещё не было, но случайно мог возникнуть сгусток плотности вещества, позднее коллапсировавший в чёрную дыру. И эволюция галактик тогда происходила в обратном порядке: чёрная дыра стягивала к себе вещество, ускоряя формирование галактик. В обычном случае предполагается возникновение сначала галактик, а потом уже в их центре сверхмассивных чёрных дыр. А, возможно, всё дело в неравномерном характере инфляции. Какая из гипотез верная – покажет время.

Результаты работы «Уэбба» позволили астрономам также получить доказательства, что ранние галактики играли ключевую роль в процессе реионизации Вселенной. Ультрафиолетовое излучение этих галактик привело к ионизации нейтрального межгалактического водорода и сделало Вселенную прозрачной. Именно на этом этапе истории Вселенной, который наступил после тёмных веков, примерно через 550 млн лет после Большого взрыва, формируются первые звёзды, галактики и квазары. Кроме того, при исследовании очень ранней галактики UHZ1, содержащей квазар, «Уэбб» также обнаружил и самую старую сверхмассивную чёрную дыру, возникшую, когда Вселенной было всего 470 миллионов лет. Причём её возникновение не связано со звёздами.

Снимки ранних галактик, сделанные телескопом «Джеймс Уэбб». Источник: NASA, ESA, CSA, Simon Lilly (ETH Zurich), Daichi Kashino (Nagoya University), Jorryt Matthee (ETH Zurich), Christina Eilers (MIT), Rongmon Bordoloi (NCSU), Ruari Mackenzie (ETH Zurich).

На этом изображении, полученном на основе данных рентгеновской обсерватории «Чандра» и космического телескопа «Джеймс Уэбб», показана самая далёкая и древняя сверхмассивная чёрная дыра среди когда-либо наблюдавшихся (вставка слева) и её родительская галактика (вставка справа). Источник: Рентген –NASA/CXC/SAO/Ákos Bogdán; инфракрасный – NASA/ESA/CSA/STScI; обработка изображений –NASA/CXC/SAO/L. Frattare & K. Arcand.

7. «Спектр-РГ» закончил карту Млечного Пути и увидел вспышку на чёрной дыре вблизи его центра

Российская космическая рентгеновская обсерватория «Спектр-РГ», запущенная в 2019 году, предназначена для изучения видимой Вселенной в рентгеновском диапазоне и составления её карты с недостижимой ранее точностью. Для этого на ней установлены немецкий телескоп eROSITA и российский телескоп ART-XC им. М. Н. Павлинского.

В марте 2022 года, после перевода телескопа eROSITA в спящий режим, программа работы телескопа ART-XC была изменена. Теперь одной из его основных задач стал обзор нашей Галактики Млечный Путь. В октябре 2023 года «Спектр-РГ» завершил её, составив самую подробную карту нашей Галактики в рентгеновском диапазоне, и возобновил обзор всего неба.

По ходу дела ему удалось увидеть уникальное событие: он во всех подробностях наблюдал вспышку, связанную с чёрной дырой вблизи центра Млечного Пути. В августе 2023 года там появился новый объект, который быстро стал ярким. Буквально за три дня его поток излучения вырос в тысячи раз, и начиная с 24 августа он стал самым ярким рентгеновским объектом на небе. Астрономы впервые наблюдали нарастание аккреционного диска, изменение его положения и внутренней структуры. Хотя в СМИ часто писали о рождении новой чёрной дыры, по сути, это рентгеновская новая. Вспышка произошла из-за того, что уже существовавшая чёрная дыра начала поглощать вещество своего компаньона по двойной системе. Этот компаньон представляет собой обычную звезду, которая в ходе своей эволюции расширилась и заполнила полость Роша, после чего её вещество стало перетекать к соседу. Благодаря этому мы и узнали о существовании чёрной дыры в системе.

Обнаружила её гамма-обсерватория INTEGRAL (ESA, NASA, Роскосмос), которая проводила плановые наблюдения области Галактического центра по заявке российских астрономов. При возникновении вспышки сработал триггер, сообщивший о появлении в поле зрения яркого события. Примерно в то же время подобный триггер сработал и на орбитальной гамма-обсерватории SWIFT (США, Италия, Великобритания), после чего в автоматическом режиме информация о событии ушла к специалистам. Это позволило оперативно нацелить на неё телескоп ART-XC. Новому объекту присвоили название Swift J1727.8-1613. INTEGRAL же получил уникальные данные о первых часах развития рентгеновской вспышки.

Рентгеновская новая в представлении художника. Справа – чёрная дыра с аккреционным диском, на которую перетекает вещество с компаньона. Изображение: ESA.

8. Самое масштабное моделирование Вселенной.

Проект FLAMINGO провёл крупнейшее космологическое моделирование Вселенной с учётом обычного вещества, нейтрино, тёмной материи и тёмной энергии. Оно показало эволюцию Вселенной начиная с Большого взрыва и до наших дней. Исследователи надеются, что моделирование позволит им сравнить развитие виртуальной вселенной с реальными наблюдениями новыми мощными телескопами. Это, возможно, поможет им понять, насколько стандартная космологическая модель хорошо согласуется с реальностью и разобраться с теми данными, которые кажутся несоответствующими теоретическим ожиданиям. Например, исследователи пришли к выводу, что хотя тёмная материя гравитационно доминирует, вкладом обычной материи больше нельзя пренебрегать, поскольку он может соответствовать отклонениям между моделями и наблюдениями.

Моделирование проводилось в течении двух лет и заняло более 50 миллионов процессорных часов на суперкомпьютере Cosmology Machine (COSMA 8), находящемся в Институте вычислительной космологии Даремского университета (Англия). Для него исследователи разработали программное обеспечение под названием SWIFT, которое распределяет вычисления между 30 000 центральных процессоров (иногда до 65 000). Самая большая из моделей описывает 300 миллиардов частиц.

Flamingo — это проект Консорциума Virgo по космологическому суперкомпьютерному моделированию. Этот акроним образован от Full-hydro Large-scale structure simulations with All-sky Mapping for the Interpretation of Next Generation Observations – полномасштабное гидродинамическое моделирование структур с картированием всего неба для интерпретации наблюдений следующего поколения.

Моделирование Вселенной в проекте FLAMINGO при трёх разных разрешениях. Длина стороны основного прямоугольника соответствует 2,8 Гпс. Первая вставка: проекция объёма размером 200 × 200 × 40 Мпс³ , вторая –  40 × 40 × 20 Мпс³, третья – 20 × 20 × 20 Мпс³. Иллюстрация из статьи: Joop Schaye et al. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 526, Issue 4, December 2023, Pages 4978–5020