Черные дыры на старом стекле. Вспышку в системе OJ 287 нашли на снимке, сделанном за 20 лет до Эйнштейна

В начале 2007 года астрофизик Рене Худец приехал в архив Гарвард Смитсоновского центра астрофизики и провел там недели среди высоких шкафов, заполненных бумажными конвертами со стеклянными фотопластинками. Со стороны хранилище напоминает гигантскую фонотеку. В каждом конверте лежит стекло размером примерно 8 на 10 дюймов с астрономическим снимком, сделанным задолго до появления цифровых матриц. Худец, сотрудник Астрономического института Чешской академии наук в Ондржеёве, искал на этих кадрах конкретный участок неба, который запомнил по конфигурации звезд. Его интересовала система OJ 287, где вокруг друг друга обращаются 2 сверхмассивные черные дыры с аккреционными дисками. Менее тяжелый компонент периодически проходит сквозь диск более массивного и вызывает всплески яркости.

Архивный поиск дал неожиданный результат. Ученый нашел эту пару объектов более чем на 2000 пластинок. Самый ранний пригодный для измерений снимок относится к 1896 году. Яркость он оценивал вручную, с лупой, сравнивая блеск источника со звездами в том же поле. Астрономам были известны отдельные вспышки, например явление 1913 года и события последних десятилетий. Работа с архивом добавила к этому списку несколько ранее не отмеченных эпизодов, в том числе крупное усиление свечения в 1900 году. Эти даты помогли точнее настроить физическую модель системы. Расчеты показывают, что всплески возникают в моменты, когда меньшая черная дыра пересекает диск соседа и вызывает ударные процессы в горячем веществе.

Такие объекты относятся к переменным источникам, их светимость меняется со временем. Небо в целом выглядит спокойным, но на самом деле там постоянно что то происходит. Одни источники вспыхивают и быстро гаснут, другие меняются по циклу, третьи медленно дрейфуют по яркости десятилетиями. Астрофизики называют эту область исследований астрономией переменности или временной областью. Подход основан на сравнении наблюдений одной и той же области неба в разные даты. По таким рядам удается понять, как ведут себя взрывающиеся звезды, активные ядра галактик, тесные двойные системы и другие нестабильные объекты.

Сейчас начинается новый крупный этап таких наблюдений. Обсерватория Веры Рубин в чилийских Андах запускает десятилетний обзор неба. Проект будет регулярно переснимать почти всю южную небесную полусферу и фиксировать любые изменения и движения. Программа получила название Legacy Survey of Space and Time. Широкоугольная камера телескопа считается самой большой из когда либо созданных. Один кадр с выдержкой 15 секунд позволяет увидеть источники в 2500 раз слабее тех, что фиксировали инструменты эпохи открытия Плутона, и примерно в 40 миллионов раз слабее предела человеческого зрения. За 10 лет каждый участок южного неба снимут около 1000 раз в 6 фильтрах, от ультрафиолета до ближнего инфракрасного диапазона.

После выхода на рабочий режим система будет собирать около 20 терабайт данных за ночь. Программное обеспечение сравнивает новые изображения с предыдущими и ищет отличия. Если яркость изменилась или появился новый источник, формируется автоматическое уведомление в течение минуты. Ожидается более 20 миллиардов таких сигналов за весь срок обзора. Доступ к ним будет открыт, но разбирать поток вручную невозможно, поэтому исследователи уже пишут собственные алгоритмы отбора. Например, отдельные группы ищут случаи, где яркость растет минимум на 3 последовательных кадрах подряд. Так можно заметить звезду, которую разрывает приливными силами черная дыра.

Метод сравнения снимков по времени не новый. Именно так в 1930 году Клайд Томбо обнаружил Плутон, просматривая серии фотографий в обсерватории Лоуэлла. Тогда все держалось на визуальном анализе. Астрономы делали многочасовые экспозиции на стеклянные пластины и сопоставляли их глазами. До появления цифровых детекторов в конце XX века весь небесный архив создавался именно так. Свет от звезд попадал на эмульсию на стекле, после проявки яркие источники выглядели более плотными темными пятнами.

По оценке Худеца, в мире может сохраняться около 10 миллионов таких пластинок. Если аккуратно перевести их в цифровой вид, общий объем составит тысячи терабайт. Эти материалы уже привели более чем к 100 современных открытий. Крупнейшее собрание хранится в Гарвардском архиве фотопластинок. Там около 550 тысяч экземпляров с наблюдениями с 1849 по 1992 год, охвачены северное и южное небо. Около 430 тысяч снимков уже оцифрованы и доступны для поиска благодаря двадцатилетнему проекту DASCH под руководством гарвардского астрофизика Джонатана Гриндлея. На базе этого архива опубликованы десятки научных работ по переменным и вспыхивающим источникам.

Во многих других хранилищах оцифровка пока не завершена. Часть специалистов предпочитает работать с оригиналами, чтобы исключить искажения сканирования. Различия яркости иногда очень малы, и лишний цифровой шум мешает измерениям. Астрофизик Райка Юрдана Шепич из Университета Риеки обычно приходит в архив со списком из десятка интересующих объектов. В итальянском Азиаго и в Гарварде она достает нужные конверты, кладет стекло на световой стол и под микроскопом ищет крошечный участок поля среди тысяч точек. На поиск уходит до 20 минут. Затем начинается ручное сравнение блеска нужной звезды с эталонными светилами известной звездной величины. За несколько недель набираются сотни измерений и строится кривая блеска на интервале в десятки лет.

Астрофизик Брэдли Шефер из Университета штата Луизиана изучает катаклизмические переменные и повторные новые. В таких двойных системах белый карлик перетягивает вещество у соседа. Когда на поверхности накапливается достаточно плотный и горячий слой, запускается термоядерная реакция и яркость резко растет. У повторных новых такие вспышки происходят не реже 2 раз за столетие. Существует гипотеза, что часть подобных систем со временем может привести к сверхновым типа Ia, которые используют для измерения скорости расширения Вселенной. Для проверки нужны ряды наблюдений длиной в десятилетия, поэтому архивные снимки здесь незаменимы.

Современные цифровые обзоры тоже соединяют новые и старые данные. Проект Zwicky Transient Facility на телескопе Ошина в Паломарской обсерватории работает с быстрыми изменениями яркости. Его научный руководитель Мэттью Грэм недавно получил около 20 терабайт оцифрованных снимков исторического обзора POSS, выполненного в 1940–1950 годах, и его продолжения POSS II из 1980–1990 годов. Совмещение разных наборов требует калибровки, потому что у телескопов отличаются оптика, фильтры и чувствительность приемников. Со стеклянными пластинами добавляется еще одна сложность. Плотность эмульсии связана с потоком света нелинейно, и эту зависимость нужно учитывать при переводе в численные величины.

Состояние самих архивов вызывает тревогу. При правильном хранении стекло живет веками, но часть коллекций потеряли при переездах университетов. Некоторые собрания просто выбросили. Уцелевшие экземпляры иногда треснуты, покрыты плесенью или лишились эмульсии из за резких перепадов влажности. Один из архивистов рассказывал, как при попытке достать спектр яркой звезды Арктур эмульсионный слой полностью осыпался, в руках осталось чистое стекло.

Несмотря на эти потери, старые фотопластинки остаются важным источником сведений о прошлых вспышках, выбросах и других событиях. Данные нового обзора обсерватории Рубин дадут подробную картину изменений за ближайшие годы. Архивные снимки добавляют к ней еще целое столетие истории наблюдений и позволяют проследить поведение космических объектов на длинной шкале времени.