Когда звезды распознаны, среди них непременно обнаруживаются сотни объектов, которые не удается отождествить по каталогу. Часть из них оказывается астероидами — это тоже проверяется по базе данных, в которой зарегистрировано около 160 тысяч малых планет. Оставшиеся «лишние» точки — это, по большей части, не новые объекты, а дефекты изображения. Привлекать к ним внимание астрономов еще рано. Робот должен снова сфотографировать ту же область неба, и только сохранившиеся на повторном кадре «неопознанные объекты» могут считаться реально существующими на небе.
Современная астрономическая ПЗС-матрица. Небольшие сегменты используются для гидирования телескопа (отслеживания движения неба). На крупных инструментах они управляют еще и адаптивной оптикой
Сетчатка есть, хрусталик не нужен
ПЗС-матрица — это плоский кремниевый кристалл, поверхность которого разбита на миллионы мельчайших клеточек. Каждая из них — ловушка для электронов, выбиваемых светом из кристалла. Вертикальные линейки сетки образованы внедренной в кристалл примесью, которая препятствует поперечному дрейфу электронов. А от продольных смещений их удерживает электрическое поле тонких горизонтальных электродов из прозрачного поликристаллического кремния, нанесенных на поверхность матрицы. Они создают множество потенциальных ям, в которых накапливаются электроны. После экспозиции напряжение на электродах начинает волнообразно меняться, смещая накопленные заряды к краю матрицы, где их величина строчка за строчкой измеряется и заносится в память. При избытке света некоторые электронные ловушки переполняются и заряд перетекает в соседние. Этот эффект называется блюмингом. Для борьбы с ним на ПЗС могут быть предусмотрены специальные «сточные канавы», но это снижает разрешение и чувствительность матрицы. Из-за тепловых флуктуаций электроны могут появляться в ловушках и без воздействия света. Для снижения этого шума матрицу охлаждают на десятки и даже сотни градусов. Наблюдениям мешают и сами управляющие электроды — они поглощают синий свет и ультрафиолет. С этим справляются, сошлифовав кремниевый кристалл до толщины 10—20 микрон и нанеся электроды с тыльной стороны. Стоимость таких астрономических матриц, понятное дело, тоже астрономическая.
Звездный мартиролог
Таким «неопознанным объектом» может, например, оказаться вспышка сверхновой — колоссальный взрыв, отмечающий гибель массивной звезды. На десятки дней она сравнивается по светимости с галактикой, содержащей сотни миллиардов обычных звезд. Так что, если рядом с туманным пятнышком далекой галактики появилась неподвижная светлая точка, которой тут раньше не было, скорее всего, это сверхновая.
Но окончательное решение может принять только человек. Телескоп МАСТЕР после хорошей ночи наблюдений выдает около сотни кандидатов в сверхновые (первое время, пока параметры поиска еще не были толком отрегулированы, их бывало больше тысячи). Утром сотрудники ГАИШ, а иногда и студенты проверяют список, сравнивая «подозрительные» снимки галактик с их изображениями из классических обзоров неба — Паломарского и Слоуновского, а также с прошлыми снимками самого МАСТЕРа. Абсолютное большинство кандидатов при этом отпадает. В августе, когда студенты на каникулах, а сотрудники в отпусках, бывает, что проверка затягивается — некому открыть сверхновую! А между тем конкуренты не дремлют. Бюро астрономических телеграмм постоянно публикует информацию об открытых сверхновых. Обидно, когда в списке непроверенных еще кандидатов загорается пометка: эта сверхновая уже открыта кем-то другим.
В крупной галактике вроде нашей или туманности Андромеды сверхновые вспыхивают примерно раз в сотню лет. Чтобы добиться успеха, надо внимательно следить за тысячами галактик. В XX веке сверхновые искали «вручную». Сначала они вообще были побочным результатом других наблюдений — свежие снимки галактик на всякий случай сравнивали со старыми и иногда находили сверхновые. Темп открытий составлял всего десяток-другой вспышек в год, но уже это позволило заметно уточнить теорию эволюции звезд. Потом сверхновые стали искать целенаправленно. Подключились к работе и астрономы-любители. В первой половине 1990-х американский астрофизик Карл Пеннипакер (Carl Pennypacker) даже организовал образовательный проект Hands-on Universe («Ручная Вселенная») с целью привлечь школьников к поиску сверхновых на многочисленных снимках галактик с разных телескопов, и в 1994 году была открыта первая «школьная сверхновая». Общими усилиями поток зарегистрированных звездных некрологов вырос до нескольких десятков в год, а в 1997 году перевалил за сотню.
В 1998 году группа под руководством Сола Перлмуттера (Saul Perlmutter) из Калифорнийского университета в Беркли, в которую входил и Пеннипакер, на основе наблюдений далеких сверхновых показала, что наша Вселенная в последние несколько миллиардов лет расширяется не с замедлением, как следовало из общепринятых космологических теорий, а ускоренно. Причина этого ускорения получила название «темной энергии», но ее природа пока остается непонятной. Ясно только, что для уточнения ее параметров нужно собрать как можно больше данных по далеким, а значит, слабым сверхновым.
И вот, на рубеже веков за дело взялись роботы. В проекте KAIT, стартовавшем в 1998 году, телескоп с зеркалом 76 сантиметров методично, по программе «ходит» по известным ярким галактикам. Статистика открытий: одна сверхновая на 7 000 наблюдавшихся галактик. В 2002 году KAIT вышел на крейсерскую скорость — 80—90 сверхновых в год. Но такой метод поиска приводит к искажению статистики: сверхновые ищут «под фонарем» — там, где шансы найти выше. Небольшие или далекие и потому малозаметные галактики, которых гораздо больше, чем крупных, оставались без внимания. А для космологических задач важно, чтобы данные были однородными. В идеале надо обнаруживать все доступные наблюдению вспышки, которых ежегодно происходит несколько тысяч.
Шаг в этом направлении был сделан в проекте «Фабрика близких сверхновых» (Nearby Supernova Factory). Здесь решили не строить специальный робот-телескоп, а просто по-своему обработать данные, идущие с уже имеющихся широкоугольных камер NASA, которые действуют по программе поиска астероидов, сближающихся с Землей. (Кстати, во многом благодаря этой программе число открытых астероидов уже перевалило за 160 тысяч.) Каждую ночь камеры поставляют для анализа 50 гигабайт данных и, надо сказать, не зря. В 2005 году было открыто 15 сверхновых, в 2006-м — 67, а в этом году уже к сентябрю «Фабрика» выдала на-гора 131 взорвавшуюся звезду. Всего же в мире за 2006 год открыли 551 сверхновую, и можно ожидать, что в 2007 году их число перевалит за 600.
Первая экзопланета была открыта методом микролинзирования 21 июля 2003 года в эксперименте OGLE. Плавный «горб» (см.график) на кривой блеска далекой звезды в ядре Галактики вызван звездой-линзой, а короткие сильные всплески на нем — планетой примерно в 1,5 раза массивнее Юпитера
Микролинзирование на звезде с планетами
По эффекту гравитационного микролинзирования можно приближенно определить некоторые параметры линзы. Например, ширина пика пропорциональна корню квадратному из ее массы. Конечно, есть еще зависимость от скорости и направления движения, но при большом числе событий можно определить усредненную массу линз. Линза звездной массы действует примерно в течение месяца, а планетной — несколько часов. Приведенная кривая — гравитационный автограф звезды с двумя небольшими планетами.
Гравитационные линзы и далекие земли
Если темную энергию изучают по сверхновым, которые видны за миллиарды световых лет, то темную материю приходится изучать по объектам совершенно невидимым. Характер движения звезд вокруг центра нашей Галактики еще много лет назад показал, что масса вещества в ней должна быть значительно больше, чем мы видим, наблюдая светящиеся звезды и туманности. Какое-то невидимое вещество притягивает звезды, заставляя их быстрее обращаться вокруг галактического центра. Согласно одной из гипотез, эта темная материя могла бы состоять из массивных несветящихся объектов — одиноких черных дыр, тусклых белых и коричневых карликов, отбившихся от звезд планет. Непосредственно увидеть их практически невозможно. Однако американский астрофизик польского происхождения Богдан Пачинский (Bogdan Paczynski) предложил неожиданно простой способ проверки этой гипотезы. По теории относительности, любая масса немного искривляет проходящие рядом с ним световые лучи, а значит, каждый темный компактный объект — это летящая в космосе линза, которая, проходя в точности между нами и далекой звездой, будет фокусировать и усиливать ее излучение. Этот эффект называют гравитационным микролинзированием (в отличие от обычного гравитационного линзирования, когда свет идет от квазара, а линзой служит находящаяся на пути галактика). Вероятность такого события очень невелика, но если следить сразу за миллионами звезд, гравитационные линзы должны себя проявить. Чтобы повысить шансы, Пачинский предложил наблюдать район центра нашей Галактики, а также Магеллановы Облака, где концентрация звезд очень велика.