Межзвездные полеты и взрыв сверхновой: астрономы рассказали о невероятных космических открытиях

31 августа 2020 | 17:17

Физики теоретически проанализировали характеристики и возможности космических аппаратов, движение которых обеспечивает аэрографитовый солнечный парус. Оказалось, что такие аппараты способны совершать как полеты внутри Солнечной системы, так и межзвездные путешествия без дополнительной тяги, а также при метровых размерах и собственной массе около грамма переносить в десятки раз более массивную нагрузку.

Об этом говорится в статье, опубликованной в журнале Astronomy & Astrophysics.

Солнечным парусом называют приспособление, которое приводит в движение космический аппарат за счет давления электромагнитного излучения (как правило, Солнца или лазером). При падении излучения на поверхность паруса отдельные фотоны передают ей свой импульс и, таким образом, подталкивают парус по направлению от источника света. При условии, что площадь паруса достаточно велика (чтобы захватить больше фотонов), а масса — достаточно мала (чтобы получать большую прибавку к скорости при данном приращении импульса), устройство может обеспечить перемещение космического аппарата в отсутствие дополнительной тяги (подробнее об устройстве и истории создания таких приспособлений можно узнать в материале «На всех парусах»).

Одно из основных ограничений для солнечного паруса — слабое давление солнечного света на дальних дистанциях от звезды. Эта величина уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния: если вблизи орбиты Меркурия давление составляет около 60 микропаскалей (то есть на каждый квадратный метр паруса будет действовать сила в 60 миллионных ньютона), то в области Земли оно уменьшается уже до девяти микропаскалей, а у границ Солнечной системы — становится еще в десятки миллиардов раз меньше. В результате далекие (в смысле расстояния до Солнца) полеты при помощи солнечного паруса становятся затруднительными: необходимо либо успевать разгонять аппарат на начальном этапе полета, пока он находится сравнительно недалеко от светила, либо использовать лазерные установки, которые бы заменяли ему солнечное излучение, либо прибегать к дополнительным источникам тяги — все это так или иначе представляет технические сложности.

Физики из Германии, Испании, США и Франции под руководством Рене Хеллера (René Heller) из Института исследования Солнечной системы Общества Макса Планка рассмотрели свой вид компактного космического аппарата на базе солнечного паруса и теоретически оценили его возможности в рамках предполагаемых миссий.

В качестве материала для приспособления ученые предложили использовать аэрографит — синтетическое вещество из трубчатых волокон углерода, которое обладает рекордно низкой плотностью: 0,18 килограмма на кубический метр — в 5,5 тысяч раз легче воды. Чтобы одновременно добиться достаточной для эффективного полета площади облучаемой Солнцем поверхности и малой массы аппарата, авторы выбрали для паруса полую сферическую форму. По словам исследователей, благодаря способности аэрографита восстанавливать форму после сжатия, на практике парус, вероятно, будет удобно доставлять в космос в сложенном виде и раскрывать.

Для оценки способностей аппарата путешествовать внутри Солнечной системы и выходить за ее пределы ученые численно моделировали его движение под действием излучения Солнца и гравитационного притяжения — в первую очередь, к самой звезде, а в сценариях, когда стартовая точка траектории располагалась вблизи нашей планеты, — еще и к Земле.

Кроме того, физики исследовали поведение паруса при участии добавочной нагрузки, например, компактного лазера для связи с Землей. Авторы сфокусировали внимание на диапазоне масс полезной нагрузки в единицы–десятки граммов: так полная масса аппарата не превышала верхний порог, начиная с которого гравитация пересиливает световое давление, а масса нагрузки — не выходила за нижние границы, типичные для современных приборов электроники.

В результате исследователи установили, что при толщине сферической оболочки менее 1 миллиметра парус принципиально способен совершать полеты внутри Солнечной системы и выходить в межзвездное пространство только за счет солнечного излучения (при запуске в межпланетной среде). При толщине в 0,5 миллиметра путешествие от орбиты Земли до орбиты Марса займет около 60 дней, до орбиты Плутона — примерно 4,3 года, а при толщине около микрометра и запуске на расстоянии 0,04 астрономических единиц от Солнца (планируется, что именно на такое расстояние к звезде приблизится солнечный зонд «Паркер») парус будет способен за 185 лет достичь Проксимы Центавра — ближайшего к Солнцу светила.

Аппараты толщиной в сто микрометров и радиусом в 1–5 метров позволят также транспортировать до межзвездной среды нагрузку до 5,7–55 граммов при собственной массе 0,23–2,2 грамма — то есть масса груза может в десятки раз превышать массу паруса, тогда как для межзвездных аппаратов на химическом топливе типичная полезная нагрузка составляет тысячные доли полной массы. С учетом таких характеристик аэрографитовые солнечные паруса можно считать перспективным приспособлением для будущих полетов внутри нашей звездной системы, и, в особенности, для изучения ее границ и ближайших окрестностей — например, поисков девятой планеты.

Вместе с тем физики отмечают, что на практике достаточно крупные аэрографитовые структуры еще не производились — авторы современных исследований ограничивались преимущественно размером в несколько сантиметров. Тем не менее, принципиально создание метровых аэрографитовых парусов представляется возможным. Кроме того, ученые предлагают для реального полета заменять крупные многометровые паруса набором из нескольких однометровых. Несмотря на то, что это снизит общее давление солнечного излучения (за счет уменьшения эффективной площади), таким образом можно упростить создание, доставку в космос и развертывания паруса, а также повысить надежность приспособления: если одна сфера из набора будет повреждена, остальные продолжат приводить аппарат в движение.

Открытым также остается вопрос о маневрировании и корректировке траектории аппарата с солнечным парусом — сам по себе полет сфер является неуправляемым, и для изменения маршрута необходимо будет использовать дополнительные приспособления.

Самый быстрый карлик

Астрономы отыскали самый быстровращающийся белый карлик из известных на сегодняшний день. Он совершает один оборот вокруг своей оси за 29,6 секунды и входит в состав промежуточного поляра — разновидности катаклизмической двойной системы. Препринт работы опубликован на сайте arXiv.org.

Катаклизмические переменные представляют собой тесные двойные системы, состоящие из белого карлика и обычной звезды или гиганта, которые демонстрируют неравномерные сильные изменения своей яркости. В таких системах белый карлик активно отбирает вещества звезды-компаньона, образуя вокруг себя аккреционный диск. Катаклизмические переменные делятся на несколько классов, один из них — поляры, в которых белый карлик, обладая достаточно мощным магнитным полем, способен разрушить аккреционный диск вокруг себя. Однако существуют так называемые промежуточные поляры, в которых может существовать внешняя часть аккреционного диска, тем не менее, по мере приближения к белому карлику, вещество будет следовать уже по силовым линиям его дипольного магнитного поля, попадая в области полюсов карлика и создавая поток рентгеновского излучения.

Группа астрономов во главе с Раймундо Лопесом де Оливейрой (Raimundo Lopes de Oliveira) из Федерального университета Сержипи опубликовала результаты наблюдений за системой CTCV J2056-3014 при помощи рентгеновского космического телескопа «XMM-Newton». Система находится на расстоянии около 853 световых лет от Солнца и считалась кандидатом в промежуточные поляры с периодом обращения компонентов вокруг друг друга в 1,76 часа. 

Общая светимость системы в диапазоне энергий рентгеновских квантов 0,3–12 килоэлектронвольт составила около 1,8×1031 эрг в секунду, кроме того, в ней не наблюдается существенного поглощения рентгеновского излучения. Это позволило астрономам классифицировать CTCV J2056-3014 как промежуточный поляр низкой светимости, в котором идет умеренная (6×10–12 масс Солнца за год) аккреция вещества со звезды-компаньона на белый карлик, обладающий не очень большим магнитным полем. Уникальным свойством этой системы стала скорость вращения белого карлика, определенная по пульсациям излучения, — он совершает один оборот вокруг своей оси за 29,6 секунды, что является рекордным значением на сегодняшний день. Астрономы предполагают, что систем, подобных CTCV J2056-3014, может быть достаточно много, а найти их должен помочь телескоп eROSITA, установленный на российско-германской космической обсерватории «Спектр-РГ».

Взрыв сверхновой

Телескоп Hubble Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA) показал небольшую часть волны взрыва сверхновой Лебедя в созвездии Лебедя.

Сама сверхновая находится примерно в 2400 световых лет от Земли, а название остатка сверхновой происходит от его положения в северном созвездии Лебедя, где оно занимает территорию в 36 раз больше полной Луны.

Отмечается, что в результате первого взрыва сверхновой, между 10 000 и 20 000 лет назад, от нее отделилась умирающая звезда, примерно в 20 раз массивнее Солнца.

С тех пор остаток сверхновой расширился на 60 световых лет от своего центра. Сам же участок волны взрыва, который обозначает наружный край остатка сверхновой, продолжает расширяться со скоростью в около 354 км в секунду.

Ранее сообщалось, что команда астрономов обнаружила самые веские на сегодняшний день свидетельства существования класса черных дыр, до сих пор остававшихся неуловимыми.