К настоящему времени вы, вероятно, слышали, что астрономы создали первую глобальную карту погоды для коричневого карлика. (Если нет, вы можете найти эту историю здесь.) Может быть, вы даже построили модель куба или модель воздушного шара оригами на поверхности коричневого карлика Luhman 16B, которую предоставили исследователи (здесь).
Поскольку одна из моих шляп - это работа сотрудника по общественной информации в Институте астрономии им. Макса Планка, где проводилась большая часть картографирования, я участвовал в написании пресс-релиза о результате. Но один аспект, который я нашел особенно интересным, не получил большого освещения там. Дело в том, что это конкретное исследование является хорошим примером того, насколько быстро развивающейся астрономией может быть в наши дни, и, в более общем смысле, оно показывает, как работают астрономические исследования. Итак, вот закулисный взгляд - создание, если хотите, первой карты поверхности коричневого карлика (см. Изображение справа).
Как и в других науках, если вы хотите стать успешным астрономом, вам нужно сделать что-то новое и выйти за рамки того, что было сделано ранее. В конце концов, это и есть новые результаты, которые можно опубликовать. Иногда такой прогресс обусловлен увеличением телескопов и появлением более чувствительных инструментов. Иногда речь идет об усилиях и терпении, таких как съемка большого количества объектов и вывод из полученных вами данных.
Изобретательность играет значительную роль. Думайте о телескопах, инструментах и аналитических методах, разработанных астрономами, как о инструментах в постоянно растущем ящике для инструментов. Одним из способов получения новых результатов является комбинирование этих инструментов по-новому или применение их к новым объектам.
Вот почему наша начальная сцена не является чем-то особенным в астрономии: в начале марта 2013 года в начале марта 2013 года Йен Кроссфилд, постдокторский исследователь в Институте астрономии им. Макса Планка, и ряд его коллег (включая директора института Томаса Хеннинга) обсуждают возможность применение одного конкретного метода отображения звездных поверхностей к классу объектов, которые никогда ранее не отображались таким образом.
Этот метод называется доплеровской визуализацией. Он использует тот факт, что свет от вращающейся звезды слегка смещается по частоте при вращении звезды. По мере того, как различные части звездных поверхностей проходят, вращаясь вокруг вращения звезды, частотные сдвиги немного различаются в зависимости от того, где находится светоизлучающая область на звезде. Из этих систематических изменений можно восстановить приблизительную карту поверхности звезды, показывая более темные и более яркие области. Звезды находятся слишком далеко, чтобы даже самые большие современные телескопы могли различить детали поверхности, но таким образом, карта поверхности может быть восстановлена косвенно.
Сам метод не нов. Основная концепция была изобретена в конце 1950-х годов, и в 1980-х годах было несколько применений к ярким, медленно вращающимся звездам, когда астрономы использовали доплеровскую визуализацию для картирования пятен этих звезд (темные пятна на поверхности звезды; звездный аналог солнечных пятен).
Кроссфилду и его коллегам было интересно: может ли этот метод быть применен к коричневому карлику - посреднику между планетой и звездой, более массивному, чем планета, но с недостаточной массой, чтобы ядерный синтез мог воспламениться в ядре объекта, превратив его в звезду? К сожалению, некоторые быстрые вычисления, принимая во внимание то, что современные телескопы и инструменты могут и не могут сделать, а также свойства известных коричневых карликов, показали, что это не будет работать.
Доступные цели были слишком тусклыми, и для допплеровской визуализации требуется много света: во-первых, потому что вам нужно разделить доступный свет на множество цветов спектра, а также потому, что вам нужно сделать много разных довольно коротких измерений - в конце концов, вы Необходимо следить за тем, как незначительные частотные сдвиги, вызванные эффектом Доплера, меняются со временем.
Так далеко, так просто. Большинство дискуссий о том, как сделать наблюдения совершенно нового типа, вероятно, приходят к выводу, что это не может быть сделано или не может быть сделано еще, Но в этом случае появился другой драйвер астрономического прогресса: открытие новых объектов.
11 марта Кевин Лухман, астроном из Университета штата Пенн, объявил о важном открытии: используя данные из широкоугольного инфракрасного обозревателя NASA (WISE), он обнаружил систему из двух коричневых карликов, вращающихся вокруг друг друга. Примечательно, что эта система находилась на расстоянии всего 6,5 световых лет от Земли. Только звездная система Альфа Центавра и звезда Барнарда ближе к Земле, чем эта. Фактически, звезда Барнарда была последним разом, когда объект был обнаружен так близко к нашей Солнечной системе - и это открытие было сделано в 1916 году.
Современные астрономы, как известно, не придумали быстрых имен, и новый объект, который получил обозначение WISE J104915.57-531906.1, не стал исключением. Чтобы быть справедливым, это не означает, что это настоящее имя; это комбинация инструмента обнаружения WISE с координатами системы на небе. Позже было предложено альтернативное обозначение «Luhman 16AB» для системы, так как это было 16го двоичная система, обнаруженная Кевином Лухманом, где A и B обозначают два компонента двоичной системы.
В наши дни Интернет дает астрономическому сообществу немедленный доступ к новым открытиям, как только они объявлены. Многие, вероятно, большинство астрономов начинают свой рабочий день с просмотра последних материалов в astro-ph, астрофизическом разделе arXiv, международного хранилища научных работ. За некоторыми исключениями - некоторые журналы настаивают на исключительных правах на публикацию, по крайней мере, какое-то время, - именно здесь, в большинстве случаев, астрономы впервые увидят последние исследовательские работы своих коллег.
11 марта Лухман опубликовал свою статью «Обнаружение двойного коричневого гнома в 2 парсеках от Солнца» на астрофизике. Для Кроссфилда и его коллег из MPIA это стало переломным моментом. Внезапно перед нами оказался коричневый карлик, для которого предположительно могла бы работать доплеровская визуализация и получить первую в истории карту поверхности коричневого карлика.
Однако для того, чтобы это произошло, все равно понадобится собирающая свет мощность одного из самых больших телескопов в мире, и время наблюдения на таких телескопах пользуется большим спросом. Кроссфилд и его коллеги решили, что им нужно применить еще один тест, прежде чем они будут применяться. Любой объект, подходящий для получения доплеровского изображения, будет слегка мерцать, становясь чуть ярче и темнее, по мере того, как более яркие или более темные участки поверхности поворачиваются в поле зрения. Мерцали ли Luhman 16A или 16B - в астрономическом выражении: один из них или, возможно, оба демонстрировали высокую изменчивость?
Астрономия имеет свои временные масштабы. Связь через интернет быстрая. Но если у вас есть новая идея, то обычно вы не можете просто дождаться наступления ночи и соответственно направить свой телескоп. Вам необходимо принять предложение о наблюдении, и этот процесс занимает время - обычно от полугода до года между вашим предложением и фактическими наблюдениями. Кроме того, подача заявления - это не формальность. Крупные объекты, такие как «Очень большие телескопы» Европейской южной обсерватории или космические телескопы, такие как «Хаббл», обычно принимают заявки более чем в 5 раз больше времени наблюдения, которое действительно доступно.
Но есть кратчайший путь - способ для особенно многообещающих или срочных проектов наблюдений быть завершенным гораздо быстрее. Он известен как «Время по усмотрению директора», так как директор обсерватории или его заместитель имеет право распределять эту часть времени наблюдения по своему усмотрению.
2 апреля Бет Биллер, еще одна постдокументация MPIA (сейчас она находится в Эдинбургском университете), подала заявку на дискреционное время директора на 2,2 м телескопе MPG / ESO в обсерватории ESO La Silla в Чили. Предложение было принято в тот же день.
Предложение Биллера состояло в том, чтобы изучить Luhman 16A и 16B с помощью инструмента под названием GROND. Прибор был разработан для изучения послесвечения мощных отдаленных взрывов, известных как гамма-всплески. С обычными астрономическими объектами астрономы могут не торопиться. Эти объекты не будут сильно меняться в течение нескольких часов, в течение которых астроном проводит наблюдения, сначала используя один фильтр для захвата одного диапазона длин волн (представьте «свет одного цвета»), а затем другой фильтр для другого диапазона длин волн. (Астрономические изображения обычно фиксируют один диапазон длин волн - один цвет - за раз. Если вы посмотрите на цветное изображение, оно обычно является результатом серии наблюдений, по одному цветному фильтру за раз.)
Гамма-всплески и другие переходные явления различны. Их свойства могут меняться в течение нескольких минут, не оставляя времени для последовательных наблюдений. Вот почему GROND допускает одновременные наблюдения семи разных цветов.
Биллер предложил использовать уникальную возможность GROND для записи изменений яркости для Luhman 16A и 16B одновременно в семи разных цветах - это измерение, которое никогда не было сделано ранее в этом масштабе. Наиболее одновременная информация, полученная исследователями от коричневого карлика, была на двух разных длинах волн (работа Эстер Бензли, затем в обсерватории Стюарда Университета Аризоны и ее коллег). Биллер собирался семь. Поскольку слегка отличающиеся друг от друга режимы длин волн содержат информацию о газе, имеющем немного разные цвета, такие измерения обещали понимание структуры слоев этих коричневых карликов - при разных температурах, соответствующих различным слоям атмосферы на разных высотах.
Для Кроссфилда и его коллег, в том числе Биллера, такое измерение изменений яркости должно также показать, был ли один из коричневых карликов хорошим кандидатом для получения допплеровских изображений.
Как оказалось, им даже не пришлось ждать так долго. Группа астрономов вокруг Микаэля Гиллона указала на Luhman 16AB небольшой роботизированный телескоп TRAPPIST, предназначенный для обнаружения экзопланет по колебаниям яркости, которые они вызывают при прохождении между их главной звездой и наблюдателем на Земле. В тот же день, когда Биллер подала заявку на наблюдение времени, и ее заявка была одобрена, группа TRAPPIST опубликовала статью «Быстро развивающаяся погода для самых крутых из наших двух новых субзвездных соседей», в которой приведены изменения яркости для Luhman 16B.
Эта новость застала Кроссфилда за тысячи миль от дома. Некоторые астрономические наблюдения не требуют, чтобы астрономы покидали свои уютные офисы - это предложение направляется штатным астрономам на одном из больших телескопов, которые проводят наблюдения, когда условия подходят, и отправляют данные обратно через Интернет. Но другие виды наблюдений требуют, чтобы астрономы путешествовали на любой используемый телескоп - например, в Чили или на Гавайи.
Когда были объявлены изменения яркости для Luhman 16B, Кроссфилд наблюдал на Гавайях. Он и его коллеги сразу поняли, что, учитывая новые результаты, Luhman 16B превратился из возможного кандидата в технику визуализации Допплера в перспективного. Во время полета с Гавайских островов обратно во Франкфурт Кроссфилд быстро написал срочное предложение о наблюдении для дискреционного времени директора на CRIRES, спектрографе, установленном на одном из 8-метровых очень больших телескопов (VLT) в Обсерватории ESO в Паранале в Чили, подав свою заявку в апреле 5. Через пять дней предложение было принято.
5 мая гигантское 8-метровое зеркало Анту, один из четырех Телескопов-отрядов Очень Большого Телескопа, повернуло к южному созвездию Вела («Парус Корабля»). Собранный им свет направлялся в CRIRES, инфракрасный спектрограф высокого разрешения, который охлаждается до -200 градусов по Цельсию (-330 по Фаренгейту) для лучшей чувствительности.
Тремя и двумя неделями ранее, соответственно, наблюдения Биллера дали богатые данные об изменчивости обоих коричневых карликов в предполагаемых семи различных диапазонах длин волн.
В этот момент между первоначальной идеей и наблюдениями прошло не более двух месяцев. Но, перефразируя известную шутку Эдисона, наблюдательная астрономия - это 1% наблюдений и 99% оценок, поскольку необработанные данные анализируются, исправляются по сравнению с моделями и выводами, сделанными относительно свойств наблюдаемых объектов.
Для многоволнового мониторинга изменений яркости Бет Биллер это заняло около пяти месяцев. В начале сентября Биллер и 17 соавторов, Кроссфилд и многие другие коллеги из MPIA среди них, представили свою статью Астрофизические Журнальные Письма (ApJL) после некоторых изменений он был принят 17 октября. С 18 октября результаты стали доступны онлайн на astro-ph, а через месяц они были опубликованы на веб-сайте ApJL.
В конце сентября Кроссфилд и его коллеги завершили свой допплеровский анализ данных CRIRES. Результаты такого анализа никогда не бывают достоверными на 100%, но астрономы обнаружили наиболее вероятную структуру поверхности Luhman 16B: рисунок более ярких и темных пятен; облака из железа и других минералов, дрейфующих на водородном газе.
Как обычно в поле, текст, который они представили в журнал Природа был разослан рецензенту - ученому, который остается анонимным и дает рекомендации редакторам журнала о том, должна ли быть опубликована конкретная статья. В большинстве случаев даже для статьи, которую рефери считает нужной опубликовать, у него или нее есть некоторые рекомендации по улучшению. После некоторых изменений, Природа приняли Crossfield и соавт. статья в конце декабря 2013 года.
С ПриродаВам разрешается публиковать окончательную, пересмотренную версию на astro-ph или аналогичных серверах не позднее, чем через 6 месяцев после публикации в журнале. Поэтому, хотя ряд коллег услышат о карте коричневых карликов 9 января на сессии на 223-м заседании Американского астрономического общества в Вашингтоне, округ Колумбия, для более широкого астрономического сообщества, онлайн-издание, 29 января 2014 года , был первый проблеск этого нового результата. И вы можете поспорить, что, увидев карту коричневых карликов, некоторые из них начнут думать о том, что еще можно сделать. Оставайтесь с нами для следующего поколения результатов.
И вот у вас это есть: 10 месяцев астрономических исследований, от идеи до публикации, в результате чего была получена первая карта поверхности коричневого карлика (Crossfield et al.) И первое исследование с семью длинами волн вариаций яркости двух коричневых карликов (Биллер и др.). Взятые вместе, исследования дают увлекательное изображение сложных погодных условий на объекте где-то между планетой и звездой, начало новой эры для изучения коричневых карликов и важный шаг к другой цели: подробные карты поверхности гигантских газовых планет вокруг других звезды.
Более личная заметка: это был мой первый пресс-релиз, опубликованный Weather Channel.
