Загадка таинственных радиоимпульсов из глубин космоса

Начиная с 2007 г., астрономы зафиксировали около 20 таинственных радиоимпульсов, источники которых находились далеко за пределами нашей Галактики.

Во Вселенной нет недостатка в странных и до конца не понятых явлениях — от черных дыр до диковинных планет. Ученым есть над чем поломать голову.

Но одна загадка в последнее время особенно занимает астрономов — таинственные всплески радиоизлучения в космосе, известные как быстрые радиоимпульсы.

Они длятся лишь несколько миллисекунд, но при этом выделяется примерно в миллион раз больше энергии, чем производится за такой же промежуток времени Солнцем.

С момента обнаружения первого такого импульса в 2007 г. астрономам удалось зарегистрировать менее 20 подобных случаев — все их источники находились за пределами нашей Галактики и были равномерно распределены по небосводу.

Однако телескопы, как правило, в каждый конкретный момент времени наблюдают за небольшими участками неба.

Если экстраполировать полученные данные на весь небосвод, то, как предполагают астрономы, количество подобных радиоимпульсов может достигать 10 тысяч в день.

И никто не знает причину этого явления.

У астрономов, разумеется, предостаточно возможных объяснений, некоторые из которых звучат весьма экзотично: столкновения нейтронных звезд, взрывы черных дыр, обрывы космических струн и даже результаты деятельности внеземного разума.

«Сейчас теорий, пытающихся объяснить природу быстрых радиоимпульсов, существует больше, чем зарегистрировано собственно импульсов, — говорит Данкан Лоример, сотрудник американского Университета Западной Виргинии и руководитель научной группы, которая обнаружила самый первый быстрый радиоимпульс (его еще называют импульсом Лоримера). — Это благодатная почва для теоретиков».

Но даже если объяснение природы быстрых радиоимпульсов окажется гораздо более банальным, все равно они могут принести науке большую пользу.

Эти радиосигналы подобны лазерным лучам, прошивающим Вселенную и встречающим на своем пути магнитные поля, плазму и другие космические явления.

Иными словами, они захватывают по дороге информацию о межгалактическом пространстве и могут представлять собой уникальный инструмент исследования Вселенной.

«Они, без сомнения, революционизируют наше понимание Вселенной, поскольку с их помощью можно производить очень точные измерения», — говорит Пэнь Уэ-Ли, астрофизик из Торонтского университета.

Но прежде чем это произойдет, ученым нужно добиться лучшего понимания природы быстрых радиоимпульсов.

За последние несколько месяцев астрономам удалось достигнуть в этой области многообещающего прогресса.

Первым, что поразило Лоримера в обнаруженном им импульсе, была его интенсивность.

Лоример с коллегами просматривали архивные массивы данных, собранные при помощи радиотелескопа Паркс в Австралии. Они искали радиоимпульсы — например, те, что испускают быстро вращающиеся нейтронные звезды, так называемые пульсары.

Эти звезды, каждая диаметром с крупный город, обладают плотностью атомного ядра и могут вращаться со скоростью свыше 1000 оборотов в секунду.

При этом они испускают узконаправленные потоки радиоизлучения, в связи с чем их еще называют космическими маяками.

Радиосигналы, излучаемые пульсарами, для наблюдателя с Земли выглядят как пульсации.

Но сигнал, обнаруженный командой Лоримера, был очень странным.

«Его интенсивность была настолько велика, что подавила работу электронных компонентов телескопа, — вспоминает Лоример. — Для источника радиоизлучения это крайне необычно».

Импульс продолжался около 5 миллисекунд, после чего его интенсивность упала.

«Я помню, как в первый раз увидел диаграмму импульса, — говорит член команды Лоримера Мэтью Бэйлз, астроном австралийского Технологического университета Суинберна. — Я был настолько взволнован в ту ночь, что не мог заснуть».

В течение примерно пяти лет после открытия импульса Лоримера он оставался необъяснимой аномалией.

Некоторые ученые полагали, что речь идет просто об инструментальной помехе. А в исследовании, опубликованном в 2015 г., говорится, что сходные по параметрам импульсы регистрируются во время работы микроволновок, установленных в хозяйственной части обсерватории Паркс.

Однако начиная с 2012 г. астрономы, работавшие на других телескопах, засекли еще несколько подобных радиоимпульсов, таким образом подтвердив, что сигналы на самом деле приходят из космоса.

И не просто из космоса — их источники находятся за пределами нашей Галактики, возможно, в миллиардах световых лет от Земли. Это предположение было высказано на основании измерений явления, известного как эффект дисперсии.

За время своего путешествия по Вселенной радиоволны вступают во взаимодействие с электронами плазмы, встречающейся им на пути. Такое взаимодействие вызывает замедление в распространении волн, зависящее от частоты радиосигнала.

Радиоволны более высокой частоты прибывают к наблюдателю чуть быстрее, чем радиоволны низкой частоты.

Замеряя разницу в этих значениях, астрономы могут вычислить, через какое количество плазмы пришлось пройти сигналу на пути к наблюдателю, что дает им приблизительное представление об удаленности источника радиоимпульса.

Радиоволны, приходящие к нам из других галактик, — не новость. Просто до открытия быстрых радиоимпульсов ученые не наблюдали сигналы такой высокой интенсивности.

Так, квазары — активные ядра галактик, внутри которых, как полагают ученые, находятся массивные черные звезды, — излучают огромное количество энергии, в том числе в радиодиапазоне.

Но квазары, расположенные в других галактиках, находятся настолько далеко от нас, что принимаемые от них радиосигналы чрезвычайно слабы.

Их легко мог бы заглушить даже радиосигнал от мобильного телефона, помещенного на поверхность Луны, отмечает Бэйлз.

Другое дело быстрые радиоимпульсы. «Существование сигнала, интенсивность которого в миллион раз превышает что-либо обнаруженное ранее, будоражит воображение», — говорит Бэйлз.

Особенно учитывая тот факт, что быстрые радиоимпульсы могут свидетельствовать о новых, неизученных физических феноменах.

Одно из наиболее неоднозначных объяснений их происхождения имеет отношение к так называемым космическим струнам — гипотетическим одномерным складкам пространства-времени, которые могут тянуться по меньшей мере на десятки парсеков.

Некоторые из этих струн могут обладать сверхпроводящими свойствами, и по ним может течь электрический ток.

Согласно гипотезе, предложенной в 2014 году, космические струны иногда обрываются, что приводит к выбросу электромагнитного излучения.

Или же, говорит Пэнь, объяснением этих вспышек могут быть взрывы черных дыр.

Гравитационное поле черной дыры настолько массивно, что даже свет, попав в нее, не способен вырваться обратно.

Однако в 1970-х гг. известный британский физик-теоретик Стивен Хокинг предположил, что энергия может испаряться с поверхности стареющих черных дыр.

Если предположить, что на раннем этапе развития Вселенной в ней формировались черные дыры небольших размеров, то сейчас они, возможно, как раз испаряются и в конечном счете взрываются, что приводит к мгновенному выбросу радиоизлучения.

В феврале 2016 г. астрономы объявили о том, что им, возможно, удалось сделать прорыв в исследованиях.

Коллектив ученых под руководством Эвана Киэна, работающий в штаб-квартире радиоинтерферометра «Квадратная километровая решетка» (Square Kilometre Array) в британском Астрофизическом центре Джодрелл Бэнк, проанализировала параметры одного быстрого радиоимпульса, зарегистрированного в апреле 2015 г.

Согласно выводам астрономов, источник радиоимпульса находился в галактике, расположенной в 6 млрд световых лет от нас и состоящей из старых звезд.

Впервые исследователям удалось определить расположение источника радиоизлучения с точностью до галактики, что было воспринято в научном сообществе как чрезвычайно важное открытие.

«Установление галактики, в которой находится источник быстрого радиоимпульса, — это решающий элемент головоломки, — говорит Бэйлз, который работал и в команде Киэна. — Если удается определиться с галактикой, мы способны узнать, насколько далеко от нас расположен источник».

После этого можно точно замерить объем энергии импульса и начать отбрасывать самые неправдоподобные теории относительно его происхождения.

В данном случае параметры наблюдаемого радиоимпульса свидетельствовали о вероятности по крайней мере одного сценария: столкновения парных нейтронных звезд, вращавшихся друг вокруг друга.

Казалось, что загадка природы быстрых радиоимпульсов почти раскрыта. «Меня очень взволновали результаты этого исследования», — говорит Лоример.

Но всего через несколько недель ученые Эдо Бергер и Питер Уильямс из Гарвардского университета поставили эту теорию под сомнение.

Выводы команды Киэна основывались на наблюдении явления, которое ученые интерпретировали как затухание радиосигнала по окончании быстрого радиоимпульса.

Источник затухающего сигнала достоверно находился в галактике, расположенной в 6 млрд световых лет от Земли, и исследователи полагали, что быстрый радиоимпульс пришел оттуда же.

Однако, по мнению Бергера и Уильямса, то, что Киэн принял за остаточный — затухающий — радиосигнал, к быстрому радиоимпульсу никакого отношения не имело.

Они тщательно проанализировали характеристики остаточного сигнала, направив на удаленную галактику американский радиотелескоп «Сверхбольшая антенная решетка» (Very Large Array).

Обнаружилось, что речь идет об отдельном явлении, вызванном колебанием яркости самой галактики за счет того, что в ее центре находится сверхмассивная черная дыра, поглощающая космические газы и пыль.

Иными словами, мерцающая галактика не являлась местом, из которого был выпущен быстрый радиоимпульс. Просто в поле зрения телескопа она оказалась случайно — или за истинным источником, или перед ним.

А если радиоимпульс не был послан из этой галактики, то, возможно, и причиной его стало не столкновение двух нейтронных звезд.

У нейтронного сценария есть еще одно слабое место. «Частота излучения быстрых радиоимпульсов гораздо выше, чем частота излучения, ожидаемая при столкновении нейтронных звезд», — говорит Максим Лютиков из американского Университета Пердью.

Кроме того, столкновения нейтронных звезд происходят на несколько порядков реже вероятной частотности быстрых радиоимпульсов, так что все зарегистрированные случаи объяснить только этим явлением нельзя.

А вскоре новые научные данные снизили еще больше вероятность такого объяснения.

В марте 2016 г. группа астрономов сообщила об ошеломительном открытии. Они изучали радиоимпульс, зарегистрированный в 2014 г. обсерваторией Аресибо в Пуэрто-Рико. Выяснилось, что речь идет не о единичном явлении — импульс повторялся 11 раз на протяжении 16 дней.

«Это стало самым крупным открытием с момента регистрации первого быстрого радиоимпульса, — говорит Пэнь. — Оно ставит крест на огромном числе предложенных до сих пор гипотез».

Все регистрировавшиеся прежде быстрые радиоимпульсы были единичными — повторения сигналов из того же сектора неба не фиксировалось.

Поэтому ученые предполагали, что они могут являться следствием космических катаклизмов, в каждом отдельном случае происходящих лишь однажды — например, взрывов черных дыр или столкновений нейтронных звезд.

Но такая теория не объясняет возможности (в некоторых случаях) повторения радиоимпульсов в быстрой последовательности. Что бы ни было причиной таких серий импульсов, условия для их возникновения должны сохраняться в течение определенного времени.

Это обстоятельство значительно сужает список возможных гипотез.

Одна из них, исследованием которой занимается Лютиков, гласит, что источниками быстрых радиоимпульсов могут быть молодые пульсары — нейтронные звезды, вращающиеся со скоростью до одного оборота в миллисекунду.

Со временем вращение пульсаров замедляется, а часть энергии вращения может выбрасываться в космос в виде радиоизлучения.

Не вполне ясно, каким именно образом пульсары могут испускать быстрые радиоимпульсы, но известно, что они способны излучать короткие импульсы радиоволн.

Так, пульсару, расположенному в Крабовидной туманности, предположительно около 1000 лет. Он относительно молод и является одним из самых мощных известных нам пульсаров.

Чем моложе пульсар, тем быстрее он вращается и большей энергией обладает. Лютиков называет такие объекты «пульсарами на стероидах».

И хотя пульсар в Крабовидной туманности сейчас не обладает достаточной энергией для того, чтобы излучать быстрые радиоимпульсы, не исключено, что сразу после возникновения он мог это делать.

Еще одна гипотеза гласит, что источник энергии для быстрых радиоимпульсов — не вращение нейтронной звезды, а ее магнитное поле, которое может быть в тысячу триллионов раз сильнее земного.

Нейтронные звезды, обладающие исключительно сильным магнитным полем, так называемые магнетары, могут излучать быстрые радиоимпульсы за счет процесса, сходного с тем, в результате которого возникают вспышки на Солнце.

По мере вращения магнетара магнитные поля в его короне — тонком внешнем слое атмосферы — меняют конфигурацию и теряют стабильность.

В какой-то момент линии этих полей ведут себя как при щелчке кнутом. Высвобождается поток энергии, ускоряющий заряженные частицы, которые и излучают радиоимпульсы.

«Магнетаров во Вселенной достаточно много, — говорит Бэйлз. — Они отличаются нестабильностью, что, возможно, и объясняет возникновение быстрых радиоимпульсов».

Гипотезы, связанные с нейтронными звездами, более консервативны и основаны на относительно хорошо изученных явлениях, поэтому представляются более вероятными.

«Все гипотезы возникновения быстрых радиоимпульсов, которые я считаю сколько-нибудь серьезными и которые всерьез обсуждаю с коллегами, имеют отношение к нейтронным звездам», — говорит Бэйлз.

Впрочем, он признает, что такой подход может быть несколько однобоким. Многие астрономы, изучающие быстрые радиоимпульсы, изучают также и нейтронные звезды, так что их склонность рассматривать первые сквозь призму вторых понятна.

Имеются и более нетрадиционные объяснения. Например, ряд исследователей высказывает предположение, что быстрые радиоимпульсы возникают в результате столкновений пульсаров с астероидами.

Не исключено, что верными являются сразу несколько гипотез, и каждая из них объясняет какой-то определенный случай возникновения быстрых радиоимпульсов.

Возможно, одни импульсы повторяются, а другие нет, что не до конца исключает гипотезы столкновений нейтронных звезд и других катаклизмов космического масштаба.

«Может оказаться, что ответ очень прост, — говорит Лютиков. — Но может статься и так, что мы имеем дело с неизученными аспектами физики, с новыми астрофизическими явлениями».

Вне зависимости от того, чем в действительности окажутся быстрые радиоимпульсы, они могут принести большую пользу космической науке.

Например, их можно было бы использовать для измерения объема вещества во Вселенной.

Как уже было сказано, радиоволны встречают на своем пути межгалактическую плазму, которая замедляет их скорость в зависимости от частоты волны.

Кроме возможности замерить расстояние до источника сигнала, разница в скорости волн также дает представление о том, сколько электронов находится между нашей галактикой и источником излучения.

«В радиоволнах закодирована информация об электронах, из которых состоит Вселенная», — говорит Бэйлз.

Это дает ученым возможность приблизительно оценить количество обычной материи в космосе, что в дальнейшем поможет им при расчете моделей возникновения Вселенной.

Уникальность быстрых радиоимпульсов заключается в том, что они являются своего рода космическими лазерными лучами, говорит Пэнь.

Они прошивают космическое пространство в определенном направлении и обладают достаточно высокой интенсивностью, чтобы обеспечить превосходную точность измерений.

«Это самый точный из доступных нам измерительных инструментов при изучении далеких объектов в пределах прямой видимости», — объясняет он.

Так, по его словам, быстрые радиоимпульсы могут рассказать о структуре плазмы и магнитных полей вблизи источника излучения.

При прохождении плазмы радиоимпульсы могут мерцать — точно так же, как мерцают звезды, если наблюдать их сквозь земную атмосферу.

Измерение характеристик этого мерцания позволит астрономам измерять размеры областей плазмы с точностью до нескольких сотен километров. Благодаря высокому научному потенциалу, и не в последнюю очередь из-за необъяснимости явления, в последние несколько лет интерес ученых к быстрым радиоимпульсам существенно вырос.

«Раньше этой тематикой ученые в основном занимались в свободное от основных исследований время», — отмечает Лоример.

Теперь же астрономы усиленно ищут быстрые радиоимпульсы в еще неисследованных областях небосклона и продолжают наблюдения за секторами неба, где уже были зафиксированы эти явления — в надежде их зарегистрировать.

При этом задействуются мощности телескопов по всему миру, поскольку при наблюдении одного импульса из нескольких обсерваторий вероятность более точного вычисления координат источника существенно повышается.

Так, уже в ближайшие несколько лет радиотелескопы, подобные канадскому CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment, или Канадский водородный интенсивный картографический эксперимент), смогут наблюдать за обширными участками неба и регистрировать сотни быстрых радиоимпульсов.

Чем больше будет собрано данных, тем более понятным станет феномен быстрых радиоимпульсов. Возможно, когда-нибудь их тайна будет раскрыта.