Как астрономы приблизились к разгадке самого странного космического явления

Одно из самых загадочных космических явлений — быстрые радиовсплески. Это короткие, длительностью несколько миллисекунд радиосигналы неизвестной природы, возникающие в результате выброса колоссального количества энергии. С момента их открытия прошло более десятилетия, однако астрофизики до сих пор пытаются выяснить механизмы их возникновения. В качестве возможных источников исследователи называют нейтронные звезды, черные дыры и даже передатчики инопланетных цивилизаций. «Лента.ру» рассказывает об открытиях прошедшего 2019 года, которые проливают свет на причины появления радиовсплесков.

Загадочные сигналы

При быстрых радиовсплесках за миллисекунды выделяется столько энергии, сколько Солнце испускает в течение нескольких десятков тысяч лет. Согласно ведущей гипотезе, их причиной выступают катастрофические события, например слияние двух нейтронных звезд, вспышка при испарении черной дыры или превращение пульсара в черную дыру. Долгое время считалось, что радиовсплески могут происходить лишь единожды, однако в 2015 году было обнаружено, что ранее зарегистрированный быстрый радиовсплеск FRB 121102 повторяется непериодическим образом.

FRB 121102 расположен в карликовой галактике в трех миллиардах световых лет от Земли, и он несколько лет оставался единственным известным источником повторяющихся радиовсплесков, несмотря на тщательные поиски. Однако в январе 2019 года в журнале Nature появилась статья ученых канадской коллаборации CHIME, в которой сообщалось о повторной регистрации сигналов от другого источника — 180814.J0422+73. Интерферометрический радиотелескоп CHIME (англ. Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment) зарегистрировал шесть быстрых радиовсплесков, которые пришли из галактики, находящейся в 1,3 миллиарда световых лет.

Сигналы по своей частотной структуре и спектральным характеристикам напоминали сигналы от FRB 121102, что указывает на схожий механизм их формирования и одинаковую природу источника. Открытие свидетельствует о существовании отдельной разновидности быстрых радиовсплесков, причиной которой не могут быть катастрофические события именно из-за их повторяемости.

Изображение: Wikipedia

Тихая галактика

В августе 2019 года международная группа ученых впервые выявила источник одиночного быстрого радиовсплеска FRB 180924, который возник в галактике, удаленной на четыре миллиарда световых лет.

С помощью радиоинтерферометра ASKAP, расположенного в Австралии, астрономы определили местоположение источника FRB, а затем вычислили расстояние до него, проанализировав данные с оптических наземных телескопов Gemini, Keck и VLT. Оказалось, что радиовспышка произошла в массивной галактике размером с Млечный Путь, в 13 тысячах световых лет от ее центра. Характерной особенностью галактики значится отсутствие процессов рождения новых звезд.

Это контрастирует с повторяющимся сигналом FRB 121102, который расположен в области активного звездообразования. Таким образом, одиночные и повторяющиеся быстрые радиовсплески должны иметь различное происхождение. В случае с FRB 121102, радиосигнал по всем признакам проходил через мощное магнитное поле вокруг магнетара — особого типа нейтронных звезд.

Вскоре астрономы Калифорнийского технологического института в США сообщили об обнаружении еще одного быстрого радиовсплеска FRB 190523, который произошел также в относительно спокойной среде — в галактике, являющейся аналогом Млечного Пути и удаленной от Земли на 7,9 миллиарда световых лет.

Оба этих открытия опровергают, что быстрые радиовсплески могут возникать только в молодых карликовых галактиках, где находится большое количество магнетаров.

Радиоинтерферометр ASKAP
Фото: Wikipedia

Восемь близнецов

В августе 2019 года в репозитории препринтов arXiv.org появилась статья канадской коллаборации CHIME, в которой сообщалось об обнаружении восьми повторяющихся радиосигналов. Два источника радиосигналов — FRB 180916 и FRB 181119 — вспыхивали больше двух раз (десять и три раза соответственно), остальные посылали повторные радиосигналы только по одному разу, при этом самая длинная пауза между регистрацией радиоволн составила 20 часов. По мнению исследователей, это может указывать на то, что на самом деле многие FRB повторяются, но некоторые являются более активными, чем другие.

Большинство из восьми новых быстрых радиовсплесков демонстрировали понижение частоты сигнала с каждой повторной вспышкой, что может оказаться ключом к пониманию механизма, который производит эти явления. Кроме того, FRB 180916 имеет самые низкие показатели дисперсии сигнала, указывающие на относительную близость источника к Земле. Это также может помочь определить природу радиовсплеска, заключили исследователи.

Адские звезды

В конце лета 2019 года ученые Национального центра радиоастрофизики в Индии сообщили, что одним из наиболее вероятных источников быстрых радиовсплесков (по крайней мере, повторяющихся) все же выступают магнетары.

Наблюдения за аномальным магнетаром XTE J1810-197 велись на телескопе Giant Metrewave Radio Telescope. Были зафиксированы миллисекундные импульсы радиоизлучения, напоминающие вспышки от повторяющегося FRB 180814.J0422+73.

Giant Metrewave Radio Telescope
Фото: Wikipedia

Этот магнетар расположен в 10 тысячах световых лет от Земли. Он был обнаружен в 2003 году, а в 2008-м постепенно прекратил испускать радиоизлучение. Однако в 2018 году на нем произошла новая вспышка, которая также постепенно начала затухать. Интересно, что обычно магнетары не испускают радиоизлучение, а XTE J1810-197 стал первым источником радиоизлучения такого рода. Редкость этого объекта, как и повторяющихся радиовсплесков, навела ученых на мысль, что оба явления могут быть связаны друг с другом.

Шумная дыра

В сентябре 2019 года китайские астрономы сообщили, что они обнаружили новые повторяющиеся быстрые радиовсплески (FRB) от источника FRB 121102. Сигналы были обнаружены с помощью радиотелескопа с 500-метровой апертурой FAST с 19-лучевым приемником в провинции Гуйчжоу. С конца августа по сентябрь было зафиксировано более 100 всплесков, что является рекордным числом среди всех зафиксированных FRB.

К тому моменту ученые стали предполагать, что FRB 121102 — сверхмассивная черная дыра, превышающая массу Солнца в 10-100 миллионов раз и порождающая мощное магнитное поле, а непосредственным источником вспышек может быть нейтронная звезда или плазма, испытывающая воздействие со стороны дыры. Другое возможное объяснение заключается в том, что FRB 121102 является намагниченным плерионом — туманностью, подпитываемой звездным ветром от пульсара.

***
Хотя пока быстрые радиовсплески остаются необъясненным явлением, в 2019 году научному сообществу было представлено много данных, которые приближают астрономов к разгадке. Выяснилось, что FRB могут повторяться, и делают это они, вероятно, очень часто. В этом случае их порождают достаточно экзотические объекты вроде нейтронных звезд (пульсары и магнетары), находящиеся в подходящей межзвездной среде. Одиночные всплески случаются в менее бурных условиях: галактиках, где процессы звездообразования происходят очень медленно. Такие явления, скорее всего, действительно происходят из-за катастрофических процессов.