звёздная орбита

Ночное небо кажется спокойным, но на самом деле оно пронизано невидимым дождём из заряженных частиц — космических лучей. Учёные давно пытаются понять, где рождаются самые энергичные из них. До недавнего времени считалось, что наша Галактика поставляет частицы вплоть до энергии около 4 ЭэВ — так называемой «лодыжки» на спектре.

Старый город обзаводится новыми предместьями. В центре — узкие улочки, где жизнь почти замерла, а на окраинах кипит стройка. Так выглядит спиральная галактика, в ядре которой звёзды давно состарились, а во внешнем диске всё ещё рождаются новые.

Миллион орбит — одна и та же партитура. Девять гало тёмной материи — девять оркестров без дирижёра. Все музыканты играют по одним нотам, но в каждом зале музыка звучит иначе: где-то стройно, где-то с рассинхронизацией. Так и спутниковые галактики, падая в гало хозяина, движутся по орбитам, которые зависят не только от массы, но и от формы невидимой сцены.

Стелларатор — термоядерный реактор, напоминающий хитроумно скрученный магнитный кокон. Его задача — удержать раскалённую плазму, чтобы ядра водорода сливались и давали энергию. Но трёхмерная форма кокона создаёт щели: некоторые частицы вылетают наружу, особенно самые быстрые ионы, которые несут главный жар.

Самые массивные звёзды напоминают перекачанные воздушные шары: их оболочка перестаёт растягиваться и вместо этого начинает стремительно терять вещество. На определённом этапе потеря массы становится столь интенсивной, что звезда прекращает увеличиваться в размерах.

В самом центре Млечного Пути, вокруг невидимой сверхмассивной чёрной дыры, обращаются звёзды. Одна из них — S301 — совершает полный оборот всего за 8,7 лет. Её орбита представляет собой сильно вытянутый эллипс: в перицентре звезда почти вплотную приближается к чёрной дыре, а затем уносится прочь.

Газовый диск весом в четыреста тысяч солнц опоясывает сверхмассивную чёрную дыру в центре Млечного Пути. Его притяжение работает как гравитационный руль: медленно, но неотвратимо разворачивает орбиты двойных звёзд, загоняя их в область, где приливные силы разрывают пару на части.

Синоптик проводит жирную чёрную линию через всю Европу: к северу мороз, к югу оттепель. Эта граница — нулевая изотерма — не сообщит, какая температура в Стокгольме или Риме, но предельно честно скажет, где заканчивается зима. В космологии последних лет появилась карта, на которой можно провести аналогичный рубеж.

1799 километров в секунду — с такой скоростью звезда S5-HVS1 навсегда покидает Галактику. 4.8 миллиона лет назад она была выброшена из центра Млечного Пути при тесном сближении со сверхмассивной чёрной дырой Sgr A*. Такое событие оставляет два ископаемых следа: гиперскоростную звезду-беглянку и её компаньона, захваченного на вытянутую орбиту. Второй след, возможно, найден.

Звезда Табби, маяк в космическом море, с 2015 года сбивала с толку астрономов. Её свет мерцал не в ритме планет, а словно рассеянный штормом — глубокие провалы, резкие всплески. Но среди этого хаоса нашелся ровный, почти идеальный провал. Глаз бури. Телескоп TESS зарегистрировал транзит — проход невидимого объекта по диску звезды — длительностью 21 час.

Более века астрономы ломали голову над капризным поведением звёзд типа RR Лиры: их блеск периодически нарастал и спадал с непредсказуемой амплитудой, словно маяк с испорченным механизмом. Эффект Блажко, открытый в 1907 году, дразнил учёных десятилетиями. Лишь космический телескоп Kepler с его ювелирной точностью сумел подобрать ключ к этой загадке.

В центре Млечного Пути, окутанная пылью и заревом, скрывается сверхмассивная чёрная дыра — Стрелец A*. Вокруг неё, как мотыльки у пламени, кружат десятки звёзд-ориентиров. Две из них, S2 и S38, с эксцентрическими орбитами и периодами в несколько лет, стали главными героями в проверке фундаментальных законов мироздания.

В центре Млечного Пути, там, где безраздельно властвует сверхмассивная чёрная дыра Стрелец A* (чья метрика была впервые получена Карлом Шварцшильдом), звезда S4714 совершает головокружительный вояж.

В центре крошечной галактики — плотный сгусток из звёзд и тёмной материи. Этот сгусток, называемый солитоном, не застыл на месте: он дрожит и колеблется, словно желе на тарелке. Колебания создают рябь в окружающем облаке тёмной материи, и эта рябь, как лёгкие толчки, миллиарды лет подталкивает звёзды всё дальше от центра.

Примерно через 5 миллиардов лет Солнце, исчерпав запасы водородного топлива в ядре, начнёт расширяться, превращаясь в красного гиганта. По мере того как звезда будет сбрасывать внешние слои, её гравитационное поле ослабнет, подобно тому как теряющий воздух воздушный шар всё слабее удерживает привязанную к нему песчинку.

В центре далекой галактики сверхмассивная черная дыра окружена плоским вращающимся диском из газа и пыли — гигантской воронкой с космическим веществом. В этом диске может оказаться небольшой компактный объект, например, другая черная дыра звездной массы. Она движется по своей орбите, но время от времени протыкает диск насквозь, словно игла, прошивающая ткань.

Планета размером с Нептун подошла слишком близко к своей звезде. Звезда начинает перетягивать на себя верхние слои планеты — газ стекает с неё, как вода из переполненного ведра. Этот процесс называют перетеканием через полость Роша (так астрономы обозначают границу, за которой звезда уже может отрывать вещество от планеты).

Рукав звёздной реки огибает центр далёкой галактики, словно светящаяся лента на невидимой оправе. Эта оправа — тёмное гало: огромное облако невидимой тёмной материи, которое своим притяжением удерживает звёзды и газ. Если гало сплюснуто, как тыква, или вытянуто, как дыня, звёздный поток будет изгибаться по-разному.

Если ударить по колоколу, он загудит на одной высоте. А если внутрь поместить второй язык, и они будут звенеть, не задевая друг друга, — звук станет сложнее. Примерно так устроена и нейтронная звезда из новой работы. Это не просто раскалённый шар: внутри могут течь две несмешивающиеся жидкости — например, сверхтекучие нейтроны и обычная плазма.

Двойная звезда TIC 287869463 — это тесная пара: одна звезда пульсирует, как колокол, а вторая своим притяжением растягивает её, словно прилив океан. Обычно пульсации бегут по звезде волнами, но здесь одна волна замерла на месте. Астрономы просеяли данные с телескопа TESS за три года — свет от 50 000 звёздных пар.

В большом облаке газа, где рождаются звёзды, силовые линии магнитного поля выстроены примерно в одном направлении — как волокна в куске войлока. Но стоит заглянуть внутрь, в плотные сгустки, из которых потом получатся звёзды, и картина меняется: там линии закручены в разные стороны, словно клубок ниток после игры котёнка. Астрономы измерили направления поля в 79 таких сгустках в 14 разных облаках.

Гитарная струна, зажатая на ладах, звучит лишь на определённых нотах — это стоячие волны, разрешённые длиной струны. Похожий принцип, возможно, управляет рождением планет: газопылевой диск вокруг молодой звезды пронизан стоячими волнами, но выживают только избранные колебания.

Раньше астрономы рассчитывали массу галактик, упрощая их форму до идеальных сфер. Но галактика — это не шар, а плоский диск, похожий на гигантский блин. Новая модель «Потерянное и найденное» учитывает эту реальную геометрию: она суммирует гравитационное притяжение от всех частей диска, а не только от центральной выпуклости (балджа).

Звёзды на окраинах галактик вращаются неожиданно быстро. Согласно ньютоновской механике, чем дальше от центра, тем медленнее должно быть движение — как в хороводе, где крайние участники идут тише. Но в реальности звёздные окраины несутся почти с той же скоростью, что и ядро, напоминая огромную карусель: на ней внешние лошадки проносятся быстрее, чтобы не отстать от внутренних.

Свет далёкого квазара — яркого ядра галактики — проходит мимо массивной галактики и искривляется, как луч фонарика через неровное стекло. Если линза и источник выстроены почти идеально, мы видим не один квазар, а несколько его копий.

В отличие от далёких галактик, застывших для нас в древних световых образах, Млечный Путь — наш собственный звёздный дом — доступен для наблюдения в реальном времени. Сопоставив данные, накопленные за три десятилетия, исследователи зафиксировали удивительную динамику: центр Галактики словно набирает обороты.

В холодных газовых облаках, где рождаются звёзды-гиганты, всё кипит от движения. Газ сжимается, закручивается, дробится на сгустки — будущие звёзды. Долгое время считалось, что порядок здесь наводит магнитное поле: оно, как невидимые нити, вытягивает сгустки поперёк себя. Но новые наблюдения показали обратное. Астрономы навели радиотелескоп ALMA на 30 областей, где формируются массивные звёзды.

На южном небе ярко сияет звезда Акрукс — самая нижняя точка созвездия Южного Креста. Это не одна звезда, а целая семья. Новые наблюдения показали, что в ней не пять, а семь звёзд, связанных гравитацией, как дети, держащиеся за руки в хороводе. Раньше астрономы знали, что в центре системы находятся две яркие звезды — Альфа-1 и Альфа-2, а вокруг них кружат ещё три более тусклые.

В центре нашей Галактики находится сверхмассивная чёрная дыра, вокруг которой кружат звёзды. Их движение похоже на хоровод: одни носятся по вытянутым орбитам, другие — по почти круглым. Если рядом с чёрной дырой есть невидимое тёмное вещество, оно слегка искажает эти орбиты, как невидимая рука подталкивает звезду в сторону.

Голубые звёзды-гиганты обычно рождаются в тесных звёздных яслях — рассеянных скоплениях внутри тонкого диска нашей Галактики. Но иногда такие звёзды находят высоко над диском, словно выброшенных из дома. Как они там оказались?

Около 300 млн лет назад система Сатурна напоминала переполненный танцпол, где каждый неверный шаг мог привести к катастрофе. Самый массивный спутник, Титан, начал смещаться — и это движение, словно резкий толчок в толпе, вывело из равновесия соседей.

Карликовая галактика Стрелец — спутник нашей Галактики — неоднократно врезалась в диск Млечного Пути, подобно камню, брошенному в спокойный пруд. Каждое такое столкновение порождало гравитационные возмущения: волны плотности и изгибы звёздного поля, которые астрономы наблюдают сегодня.

Планета-гигант кружит слишком близко к звезде. Каждый оборот она тянет звезду своей гравитацией, и в глубине звезды рождаются волны — как круги от камня, брошенного в воду. Эти волны гасят орбиту планеты, и она по спирали падает в звезду. Звезда проглатывает планету и начинает вращаться быстрее. Вращение звезды — ключ к разгадке.

Космический телескоп Gaia измерил, насколько быстро крутятся более ста тысяч звёзд. Оказалось, что скорость вращения зависит от температуры звезды. У звёзд холоднее 6500 градусов поверхность движется со скоростью 10–20 километров в секунду. Но стоит звезде стать горячее, как скорость резко подскакивает до 100 километров в секунду.

Космос в этом сценарии работает как гигантский бильярдный стол. Массивные внешние планеты — газовые гиганты вроде Юпитера — выступают в роли тяжёлых шаров. При тесных сближениях они передают часть своей орбитальной энергии лёгким внутренним мирам — планетам земного типа. Такой гравитационный «удар кием» способен вышвырнуть небольшую планету из родительской звёздной системы.

Три далёкие галактики кружатся, как гигантские карусели. Их звёзды и газ движутся по спиральным рукавам, и по скорости этого движения можно вычислить, сколько всего вещества в галактике — видимого и невидимого. Астрономы совместили два взгляда: радиотелескопы показали холодный газ, а космический телескоп Джеймса Уэбба — звёзды.

Вортоны — это гипотетические замкнутые петли искривлённого пространства-времени, своего рода невидимые космические обручи, возникающие как реликты Большого взрыва. Толщиной меньше атомного ядра, но с массой, превосходящей звёздную, они вращаются, подобно гигантским каруселям, увлекая за собой окружающее пространство.

Звёздный диск Млечного Пути — как яркая вертушка, а тёмное вещество — невидимая субстанция, проявляющая себя лишь гравитацией — образует невидимое облако вокруг. Впервые его форму точно измерили. Астрономы отследили движение миллионов звёзд и построили трёхмерную карту тёмного гало — протяжённой оболочки из тёмного вещества до расстояния 160 тысяч световых лет.

С помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» — самого мощного инструмента для наблюдений в инфракрасном диапазоне — астрономы заглянули в космическую гримёрку и увидели, как меняются кольца астероида Харикло.

В тёмном облаке NGC 6334I-North, в 5500 световых годах от Земли, радиоинтерферометр ALMA разглядел нечто неожиданное: вокруг молодой массивной звезды кружится диск газа и пыли, а внутри него — семь плотных сгущений. Каждый из них может стать звездой. Так выглядит рождение звёздной семьи, причём семьи необычно многочисленной.