Результаты: физика
С этого номера мы открываем рубрику «Результаты», в которой будем публиковать краткие обзоры новых результатов в естественных науках – физике, химии-биологии и иже с ними, также в науках о Земле, чередуя эти три темы. Что касается физики, то мы намерены ориентироваться на сообщения о новых научных результатах из журнала «Успехи физических наук» (УФН, www.ufn.ru), где эту рубрику ведет Ю.Н. Ерошенко. Мы будем, конечно, отбирать, адаптировать и пояснять материал. Эта подборка космологическая.
Тень черной дыры в галактике M87
 |
|
Фото галактики M87, космическая рентгеновская обсерватория Чандра, 2017. |
Свет не может выйти из черной дыры, поэтому на светлом фоне черная дыра должна выглядеть как темное пятно, визуально воспринимаемое, как тень на этом более светлом фоне. Для проверки предсказания Общей теории относительности нужен телескоп с угловым разрешением, которое не может быть достигнуто на обычных телескопах. Однако эту задачу можно решить, если использовать несколько телескопов, находящихся на больших расстояниях друг от друга, при условии, что получаемые ими сигналы обрабатываются совместно. Для попытки обнаружения черной дыры в центре галактики M87 были использованы восемь расположенных на разных континентах радиотелескопов, работающих на длине волны 1,3 мм и образующих так называемый «Телескоп горизонта событий». Синхронные наблюдения на всех телескопах позволили достичь рекордного углового разрешения — 20 угловых мкс. При таком угловом разрешении из Санкт-Петербурга видна спичечная головка на Камчатке. Кстати, у «Радиоастрона», одна из антенн которого находится в космосе, разрешение примерно в 30 раз лучше, но большая длина волны не позволяет увидеть происходящее вблизи черной дыры: пространство вокруг нее заполнено электронами больших энергий, поглощающих радиоволны. С помощью «Радиоастрона» провели исследование ядра М 87 и ровно это и увидели: непрозрачную фотосферу, скрывающую черную дыру и внутренние части аккреционного диска. Зато на длине волны около миллиметра поглощение уменьшается на несколько порядков, и астрофизики увидели в центре галактики M87 яркое кольцо вокруг темного пятна. Кольцо образовано излучением аккреционного диска, испытавшим гравитационное линзирование, — то есть это свет, возникший сзади черной дыры, и, из-за ее притяжения не улетевший вдаль, а вынужденный обогнуть ее. Размер такого кольца зависит от массы, находящейся в центре, и тот размер, который наблюдается, соответствует массе 6,5 ± 0,7 миллиард масс Солнца. Альтернативные модели без черной дыры не могут объяснить наблюдаемую картину — черное пятно со светящимся ореолом. Таким образом, получено еще одно свидетельство существования во Вселенной черных дыр, наряду с недавней регистрацией гравитационных волн от столкновений двух таких объектов. Ожидается, что вскоре удастся получить аналогичное изображение черной дыры в центре нашей Галактики (УФН 2019, т. 189, с. 518)
Черная дыра промежуточной массы в Галактике
Такекава Сюня (Национальная астрономическая обсерватория Японии) и соавторы в 2018 году обнаружили свидетельства существования вблизи центра нашей Галактики черной дыры промежуточной массы – между массами этих объектов звездного происхождения и массами сверхмассивных черных дыр. Черные дыры средней массы являются слишком массивными, чтобы они могли сформироваться путем гравитационного коллапса одиночной звезды, как черные дыры звездной массы. Но и в их окружении отсутствуют экстремальные условия (высокая плотность и скорости движения), наблюдаемые в центрах галактик, которые приводят к формированию сверхмассивных черных дыр. С помощью комплекса радиотелескопов ALMA астрофизики наблюдали молекулярные спектральные линии в облаке газа, содержащего молекулярный водород. Наблюдения показали, что облако состоит из объемной структуры и узкого потока быстро вращающегося вокруг центра, в котором заключена масса в 30 тысяч масс Солнца — примерно в сто раз меньшая, чем масса центральной черной дыры в нашей Галактике. Компактность этого массивного объекта и отсутствие видимых звезд в нем означает, что это, скорее всего, черная дыра. Она, возможно, образовалась в центре шарового звездного скопления, которое было разрушено приливными силами вблизи центра Галактики. Затем черная дыра захватила пролетавшее мимо нее облако, и была окутана им. Массивный объект внутри облака — уже третий кандидат в черные дыры промежуточной массы вблизи центра Галактики. Хорошо, что мы живем не вблизи центра. (УФН, 2019, т. 189, с. 224)
Моделирование астрофизических джетов в лаборатории
Плазменные процессы в космических телах зачастую столь сложны, что пока не поддаются теоретическому описанию. Например, нет исчерпывающей магнитогидродинамической теории формирования и распространения плазменных струй (джетов) в ядрах активных галактик и в молодых звездах. Прояснить эти явления могут лабораторные эксперименты, выполняемые на плазменных установках. Такого рода исследования ведутся на установке «Плазменный фокус» в Курчатовском институте (Москва, Россия), в них принимают участие ученые из ФИАНа и МФТИ. В Курчатовском институте получили узкие струи плазмы — толщиной всего в несколько сантиметров, которые распространялись на расстояния до 100 см, а скорость плазмы в струе при этом превышала 100 км/с. Исследователи измерили параметры плазмы и распределение магнитных полей в струях. Возможно, эти данные помогут прояснить механизмы стабилизации струй, а результаты экспериментов можно будет масштабировать и на астрофизические объекты. Джет из галактики M87 виден на фотографии, сделанной телескопом Чандра; правда, его длина побольше, но физические механизмы схожи. (УФН 2018, т. 188, с. 1080)
Формирующееся скопление галактик в ранней Вселенной
У наблюдаемых скоплений галактик были предшественники — протоскопления, или области с повышенной концентрацией галактик, не пришедшие в гравитационное равновесие. Свойства протоскоплений представляют интерес, в частности, для некоторых моделей процессов во Вселенной. И вот, Цзян Линьхуа (Пекинский университет, КНР) с соавторами занялись поисками протоскоплений, образовавшихся на ранних стадиях существования Вселенной. Кандидатов на роль объекта исследования отбирали из обзора галактик Subaru/XMM-Newton. Затем их изучали спектрографом, который был установлен на 6,5-метровых Магеллановых телескопах в Чили. Таким путем была исследована область на небесной сфере размером в 4 квадратных градуса (это примерно 0,0001 небесной сферы) и обнаружено гигантское протоскопление галактик, которое имеет массу 3,6•1015 солнечных масс или в 2 тысячи раз больше массы нашей Галактики. Теперь осталось повторить это примерно 10 тысяч раз, и мы будем знать о протоскоплениях всё. (УФН, 2018, т. 188, с. 1346)
Гелий в атмосфере экзопланеты
Экзопланеты — это планеты, обращающиеся вокруг звезд за пределами Солнечной системы. Интерес людей к этим планетам понятен… У многих экзопланет есть атмосферы, и хорошо бы узнать, из чего они состоят, потому что состав атмосферы кое о чем говорит. Так вот, Джессика Спейк с соавторами в 2018 году с помощью телескопа Хаббл зарегистрировали молекулы гелия в атмосфере планеты, обращающейся вокруг далекой звезды за пределами Солнечной системы. Гелий нашли по поглощению в ближней инфракрасной области спектра, когда планета проходила через диск звезды. Экзопланета WASP-107b находится на удалении 200 световых лет от Земли. По размеру она близка к Юпитеру, хотя значительно легче — всего 12% его массы. Наличие линий поглощения гелия говорит о том, что у планеты весьма протяженная атмосфера и что она быстро теряет массу, которая рассеивается в окружающем пространстве, причем рассеянный газ должен образовывать за планетой шлейф, напоминающий кометный хвост. Причина почти понятна — размер большой, масса маленькая, значит, гравитация тоже не слишком велика, а у гелия масса молекул небольшая, стало быть, скорость хорошая, ну вот они и преодолели. (УФН, 2018, т. 188, с. 574)
Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 9/2019) на с. 22 — 23.