Загадочные радиосигналы, повторяющиеся по всей Галактике: астрономы, возможно, нашли свой «Розеттский камень»

Годами астрономы фиксировали странные радиосигналы, появляющиеся через регулярные интервалы из разных частей Млечного Пути. Одни повторяются каждые несколько минут, другие — почти каждый час, а по крайней мере один источник подаёт импульсы десятилетиями. Их необычно медленные ритмы создали крупную загадку, потому что они плохо вписываются в типы радиоисточников, к которым астрономы привыкли. Эти объекты называют долгопериодическими радиопереходными (long-period radio transients, LPT). Пока обнаружено лишь небольшое их число. Предлагались разные объяснения, включая сильно намагниченные нейтронные звёзды, медленно вращающиеся звёздные остатки и необычные двойные системы, но во многих случаях астрономы могли обнаружить радиовсплески, не имея возможности доказать, что именно их производит.

Теперь одна необычная система, возможно, дала самый ясный ключ. Исследование, опубликованное в Nature Astronomy ранее в этом году, описывает ASKAP J1745−5051 — источник, посылающий мощные и сильно поляризованные радиовсплески с циклом примерно 81 минута. Астрономы в итоге смогли связать эти сигналы с чрезвычайно компактной двойной системой, содержащей белый карлик, который вытягивает вещество из гораздо более лёгкой звезды-компаньона. Исследователи назвали систему возможным «Розеттским камнем» для понимания более широкой загадки, потому что, в отличие от многих других долгопериодических переходных объектов, астрономы теперь видят и странный повторяющийся сигнал, и физическую систему, его производящую.

ASKAP J1745−5051 был обнаружен с помощью Австралийского квадратнокилометрового массива-предшественника (Australian Square Kilometre Array Pathfinder, ASKAP) — мощного радиотелескопа, которым управляет национальное научное агентство Австралии CSIRO. Астрономы искали в данных обзора Rapid ASKAP Continuum Survey источники, производящие необычно сильное циркулярно поляризованное радиоизлучение. В обзоре было обнаружено около трёх миллионов радиоисточников, но лишь примерно 100 показали высокую степень циркулярной поляризации. Среди них оказался источник без известной астрономической идентификации в непосредственной близости. Последующие наблюдения вскоре показали, что он гораздо страннее простого неопознанного радиоисточника.

Радиовсплески повторяются с замечательной регулярностью: детальные измерения дают период примерно 1,345 часа, или около 80 минут 42 секунд. Однако поведение не полностью предсказуемо. Всплески могут смещаться по радиочастотам, а источник может полностью исчезать на радиоволнах на несколько часов, прежде чем вернуться. Исследователи также обнаружили узкие структуры внутри части радиоизлучения, показывающие, что то, что производит всплески, действует через высокоорганизованный процесс, а не случайный фоновый шум. Подобные структурированные типы радиоповедения могут возникать и в других местах Солнечной системы, включая излучение, связанное с Юпитером, но среда вокруг ASKAP J1745−5051 неизмеримо более экстремальна.

Оптические наблюдения в итоге раскрыли, что происходит внутри системы. ASKAP J1745−5051, по-видимому, содержит белый карлик — плотный остаток, оставшийся после того, как звезда, похожая на Солнце, исчерпала топливо, — обращающийся с гораздо менее массивным компаньоном. Белый карлик может содержать большую часть массы Солнца, сжатую в объект, примерно сравнимый по размеру с Землёй. В этом случае компаньон, как считается, представляет собой маломассивный красный карлик или, возможно, объект, похожий на коричневый карлик. Два тела упакованы в чрезвычайно тесную орбиту, завершая полный оборот друг вокруг друга всего за примерно 1,37 часа.

Их оценочное разделение составляет лишь около 0,61 радиуса Солнца. На таком расстоянии гравитация белого карлика вытягивает вещество из компаньона. Газ, сорванный с меньшего объекта, падает на белый карлик, где нагревается до огромных температур. Астрономы классифицируют системы, в которых происходит такой процесс, как катаклизмические переменные. Данные, собранные по ASKAP J1745−5051, также указывают, что белый карлик сильно намагничен, создавая среду, где гравитация, плазма и интенсивные магнитные поля взаимодействуют так, как невозможно воспроизвести на Земле.

Радиотелескопы были лишь частью исследования. ASKAP J1745−5051 также был обнаружен производящим рентгеновское излучение: наблюдения с обсерватории Нила Герелса Свифт (Neil Gehrels Swift Observatory) и Эйнштейновского зонда (Einstein Probe) показали, что его рентгеновская мощность резко меняется и, по-видимому, следует примерно тому же общему циклу, что и радиовсплески. Материал, падающий на белый карлик, даёт естественное объяснение рентгеновского излучения, поскольку газ ускоряется и нагревается, когда его тащат к плотному звёздному остатку. Радиоизлучение объяснить труднее. Исследователи полагают, что за повторяющиеся радиоимпульсы ответственны взаимодействия магнитных полей и плазмы внутри системы, но точный механизм, способный производить такие яркие когерентные всплески, всё ещё не решён.

Есть и ещё одна необычная особенность. Радио- и рентгеновские пики не всегда приходятся точно на одну и ту же точку орбиты. Это говорит о том, что разные всплески могут исходить из разных областей двойной системы, давая астрономам способ реконструировать происходящее, пока два объекта мчатся друг вокруг друга. Исследователи проследили радиохронометраж на протяжении примерно двух лет, подтвердив чрезвычайную стабильность повторяющегося цикла и одновременно задокументировав периоды, когда источник временно исчезает.

Двойные системы с белыми карликами, производящие радиоизлучение, сами по себе не неизвестны. Около 50 катаклизмических переменных ранее были обнаружены на радиоволнах, но ASKAP J1745−5051 выделяется. Исследователи обнаружили, что его радиоизлучение по крайней мере примерно в 100 раз ярче известных катаклизмических переменных, даже при использовании самой низкой правдоподобной оценки его расстояния. Исследование также заключает, что он более радиосветим, чем примерно 99 процентов известных радиозвёзд. Идентификация вовлечённых объектов, таким образом, не решает проблему полностью. Астрономы теперь знают, что представляет собой система, но всё ещё не до конца понимают, почему она способна производить радиовсплески такой интенсивности.

Именно здесь открытие становится важным для более широкой загадки. Долгопериодические радиопереходные объекты были признаны отдельной астрономической проблемой лишь в последние несколько лет. Одним из объектов, помогших выявить эту проблему, был GLEAM-X J162759.5−523504.3, о котором сообщили в 2022 году. Он генерировал яркое радиоизлучение каждые 18,18 минуты, причём отдельные импульсы иногда длились от 30 до 60 секунд. Традиционные радиопульсары — обычно быстро вращающиеся нейтронные звёзды, чьи магнитные поля проносят пучки излучения через космос. Многие вращаются несколько раз в секунду, а самые быстрые — сотни раз в секунду. Производить сильное когерентное радиоизлучение, вращаясь раз в 18 минут, было гораздо труднее объяснить.

Затем астрономы нашли GPM J1839−10, который производит радиоизлучение с циклом примерно 21 минута. Когда исследователи изучили архивные наблюдения, они обнаружили, что источник, по-видимому, повторяется по крайней мере с 1988 года. Таинственный объект, поддерживающий такое поведение более трёх десятилетий, сделал проблему гораздо труднее отмахнуться как от краткого или необычного звёздного события. Последовали другие долгопериодические переходные объекты, с временами повторения от минут до часов. Некоторые казались совместимыми с сильно намагниченными нейтронными звёздами, тогда как другие всё больше указывали на взаимодействующие белые карлики.

ASKAP J1745−5051 особенно ценен тем, что астрономы могут наблюдать несколько частей головоломки одновременно. У них есть повторяющиеся радиовсплески, рентгеновское излучение, оптические спектры, показывающие аккрецию вещества, и измерения орбитального движения двух объектов. Самое главное, примерно 81-минутный радиоцикл близко соответствует орбитальному масштабу времени двойной системы. Вместо обнаружения странного повторяющегося сигнала с невидимым или неопределённым источником астрономы могут наблюдать физическую систему, способную производить это явление, и напрямую сравнивать её поведение с другими необъяснёнными переходными объектами.

Ведущий исследователь Кови Роуз из Сиднейского университета назвал ASKAP J1745−5051 звёздным «Розеттским камнем», сравнив его с древним артефактом, позволившим учёным расшифровать египетские иероглифы. Сравнение важно, потому что исследователи теперь могут использовать эту систему как точку отсчёта. Если другой необъяснённый источник покажет ту же радиополяризацию, частотное поведение, временные закономерности или многочастотные характеристики, это может указывать на ещё одну скрытую двойную систему с белым карликом. Источники, ведущие себя иначе, могут принадлежать к совершенно отдельной популяции, включающей нейтронные звёзды или другие экстремальные звёздные остатки.

Когда об открытии ASKAP J1745−5051 было объявлено, было известно лишь около дюжины долгопериодических радиопереходных объектов, а значит, астрономы всё ещё не знают, насколько эти объекты распространены по Млечному Пути. Многие могли избежать обнаружения, потому что обычные радиобзоры легко пропускают нечто, производящее короткий всплеск лишь раз в час или исчезающее на долгие периоды. Сам ASKAP J1745−5051 может исчезать на радиоволнах на несколько часов, прежде чем снова стать обнаружимым. Будущие радиобзоры с всё более чувствительными инструментами могли бы выявить множество других объектов, сейчас скрытых среди миллионов обычных радиоисточников.

Наиболее вероятный итог: единого объяснения для каждого загадочного долгопериодического сигнала может не быть. Некоторые могут происходить от белых карликов, взаимодействующих со звёздами-компаньонами, другие могут включать нейтронные звёзды, вращающиеся гораздо медленнее, чем обычно допускают традиционные модели, а разные физические механизмы могут производить сигналы, которые сначала выглядят удивительно похоже с Земли. ASKAP J1745−5051 наконец дал астрономам одну систему, которую они могут изучать в деталях, но по остальной части Млечного Пути странные радиоимпульсы продолжают появляться на временных масштабах от минут до часов, и для большинства из них объекты, производящие эти сигналы, всё ещё не идентифицированы окончательно.