Самые мощные взрывы

Гамма-всплески — короткие вспышки гамма-излучения, длящиеся от нескольких миллисекунд до десятков минут. Их разделяют на два типа в зависимости от их длительности. Границей считаются примерно 2 секунды; в более длительных вспышках образуются менее энергичные фотоны, чем в более коротких. Наблюдения, проведенные Комптоновской гамма-обсерваторией, рентгеновским спутником BeppoSAX и наземными обсерваториями, позволили предположить, что продолжительные вспышки возникают при коллапсе я́дер массивных короткоживущих звезд, иными словами, звёзд типа сверхновой. Но почему только малая доля сверхновых даёт гамма-всплески?

«Хаббл» обнаружил, что несмотря на то, что во всех областях звездообразования в галактиках вспыхивают сверхновые, продолжительные гамма-всплески сконцентрированы в наиболее ярких областях, как раз там, где сосредоточены самые массивные звёзды. Более того, продолжительные гамма-всплески чаще всего возникают в небольших, неправильных, бедных тяжелыми элементами галактиках. И это важно, поскольку дефицит тяжелых элементов в массивных звездах делает их звездный ветер менее мощным, чем у звезд, богатых тяжелыми элементами. Поэтому на протяжении жизни бедные тяжелыми элементами звёзды сохраняют большую часть своей массы и, когда приходит время взрываться, они оказываются более массивными. Коллапс их ядер приводит к образованию не нейтронной звезды, а черной дыры. Астрономы считают, что продолжительные гамма-всплески вызваны тонкими струями, выброшенными быстро вращающимися черными дырами. Решающим факторами для того, чтобы коллапс ядра звезды вызвал мощный гамма-всплеск, являются масса и скорость вращения звезды в момент её смерти.

Отождествление коротких гамма-всплесков оказалось более сложным. Только в последние годы несколько таких событий произошло и было зафиксировано с помощью спутников HЕТЕ 2 и Swift. «Хаббл» и Рентгеновская обсерватория «Чандра» установили, что энергия таких вспышек слабее, чем продолжительных, и возникают они в совершенно разных типах галактик, включая и эллиптические, где звёзды сейчас почти не формируются. Похоже, что короткие вспышки связаны не с массивными, коротко́живущими звездами, а с остатками их эволюции. Согласно наиболее популярной гипотезе, короткие гамма-всплески возникают при слиянии двух нейтронных звезд.

Внесолнечные планеты

В 2001 г. Американское астрономическое общество обратилось к специалистам с просьбой выбрать наиболее значимое, с их точки зрения, открытие последнего десятилетия. По мнению большинства, им стало обнаружение планет вне Солнечной системы. Сегодня известно около 180 таких объектов. Значительная их часть найдена с помощью наземных телескопов по небольшим колебаниям звезды, вызванным гравитационным взаимодействием обращающейся вокруг неё планеты. Пока такие наблюдения дают минимум информации: только размер и эллиптичность орбиты планеты, а также нижний предел её массы. Исследователи сосредоточились на тех планетах, орбитальные плоскости которых ориентированы вдоль нашего луча зрения. Наблюдение при помощи «Хаббла» первого из обнаруженных прохождений спутника звезды HD 209458 дало наиболее полную информацию о планете вне Солнечной системы. Она на 30% легче Юпитера, но при этом настолько же больше его в диаметре, возможно, потому, что излучение близкой звезды заставило ее разду́ться. Данные «Хабла» достаточно точны, чтобы выявить широкие кольца и массивные спутники, но их не оказалось. «Хаббл» впервые определил химический состав планеты вблизи другой звезды. В ее атмосфере содержится натрий, углерод и кислород, а водород испаряется в пространство, создавая комето́образный хвост. Эти наблюдения — предтеча поисков химических признаков жизни в далеких уголках Галактики.

Сверхмассивные черные дыры

С 1960-х годов астрономы получили доказательства того, что источником энергии квазаров и других активных ядер галактик служат гигантские черные дыры, захватывающие окружающее их вещество. Наблюдения «Хаббла» в 2000-2003 гг. подтверждают данную теорию. Почти у каждой детально наблюдавшейся галактики нашлись указания на спрятанную в её центре чёрную дыру. Особенно важными оказались два обстоятельства. Во-первых, изображения квазаров, полученные с высоким угловым разрешением, показали, что они располагаются в ярких эллиптических или взаимодействующих галактиках. Это говорит о том, что нужны особые условия, чтобы питать центральную чёрную дыру́. Во-вторых, масса гигантской чёрной дыры тесно коррелирует с массой сферического звездного ба́лджа, окружающего галактический центр. Корреляция свидетельствует о том. что формирование и эволюция галактики и её черной дыры тесно связаны.

Край Вселенной

Одна из фундаментальных задач астрономии — исследовать развитие галактик и их предков во временном интервале, максимально приближенном к моменту Большого взрыва. Чтобы понять, как выглядел когда-то наш Млечный Путь, исследователи решили получить изображения галактик различного возраста — от самых юных до самых старых. Чтобы запечатлеть наиболее далекие (а значит, самые древние) галактики, «Хаббл» совместно с другими обсерваториями получил с длительными экспозициями изображения нескольких маленьких участков неба: глубокие снимки «Хаббла», сверхглубокий снимок «Хаббла» и глубокий обзор Великих обсерваторий NASA «Происхождение».

Сверхчувствительные снимки показывают галактики во Вселенной, когда ей было лишь несколько сотен миллионов лет, что составляет всего 5% от её нынешнего возраста. Тогда галактики были меньше размером и имели менее правильную форму, чем теперь, чего и следовало ожидать, если современные галактики образовывались путем слияния маленьких галактик (а не путем распада более крупных). Создаваемый сейчас космический телескоп «Джеймс Уэбб», наследник «Хаббла» (про него читайте дальше), сможет проникнуть в ещё более далекие эпохи. Глубокие снимки позволяют также проследить, как изменялась интенсивность звездообразования во Вселенной от эпохи к эпохе. Похоже, что она достигла своего пика примерно 7 млрд. лет назад, а затем постепенно ослабла примерно в десять раз, В молодости Вселенной т.е. в возрасте 1 млрд. лет) скорость звездообразования уже была велика и составляла 1/3 её максимального значения.

Возраст Вселенной

Наблюдения Эдвина Хаббла и его коллег в 1920-х годах показали, что мы живем в расширяющейся Вселенной. Галактики разбегаются друг от друга так, как будто бы пространство Вселенной равномерно растягивается. Постоянная Хаббла (H₀), указывающая современную скорость расширения, позволяет определить возраст Вселенной. Постоянная Хаббла — это скорость разбегания галактик, поэтому, если пренебречь ускорением и торможением, величина, обратная H₀, дает время, когда все галактики были рядом. Кроме того, значение постоянной Хаббла играет принципиальную роль для роста галактик, формирования легких элементов и установления продолжительности фаз космической эволюции. Не удивительно, что точное измерение постоянной Хаббла было с самого начала основной целью одноименного телескопа.

На практике для вычисления данной величины требуется измерить расстояния до ближайших галактик, а это гораздо более трудная задача, чем считалось в XX в. «Хаббл» детально исследовал цефеиды — звезды с характерными пульсациями, периоды которых указывают на их истинный блеск, а значит, и на расстояние до них, — в 31 галактике. Точность полученного значения постоянной Хаббла составила около 10%. В совокупности с результатами измерений реликтового излучения это определяет возраст Вселенной — 13,7 млрд. лет.

Ускоря́ющаяся Вселенная

В 1998 году две независимые группы исследователей пришли к поразительному выводу: расширение Вселенной ускоряется. Обычно астрономы считали, что Вселенная тормозится, поскольку притяжение галактик друг к другу должно замедлять их разбега́ние. Сложнейшая загадка современной физики — вопрос о том, что же вызывает ускорение?

Согласно рабочей гипотезе, во Вселенной содержится невидимая составляющая, называемая «темной энергией». Совокупность наблюдений «Хаббла», наземных телескопов и измерений реликтового излучения указывает, что в этой темной энергии содержится 3/4 полной плотности энергии Вселенной.

Ускоренное расширение началось примерно 5 млрд. лет назад, а до того момента оно тормозилось. В 2004 г. «Хаббл» обнаружил шестнадцать далеких сверхновых. Данные наблюдения накладывают основательные ограничения на теории о том, чем может быть темная энергия. Простейшая (и наиболее загадочная) возможность заключается в том, что энергия принадлежит самому пространству, даже если оно совершенно пустое. Сегодня наблюдение далеких сверхновых звёзд является лучшим методом изучения темной энергии. Роль «Хаббла» в исследовании тёмной энергии огромна, поэтому астрономы будут благодарны NASA, если телескоп будет сохранен.