Быстрые радиовсплески: Быстрые радиовсплески: ключ к разгадке тайны

Быстрые радиовсплески: ключ к разгадке тайны

Константин Постнов,
докт. физ.-мат. наук, профессор кафедры астрофизики и звездной астрономии астрономического отделения физического факультета МГУ
«Троицкий вариант» №1(220), 17 января 2017 года

В 2007 году было обнаружено одно из самых загадочных явлений в современной астрофизике: быстрые радиовсплески (Fast Radio Bursts, FRB). Первый из них найден в архивных данных радиотелескопа «Паркс» (Австралия) — миллисекундный всплеск радиоизлучения высокой интенсивности, который имел очень сильную зависимость задержки сигнала от частоты. Эта зависимость называется мерой дисперсии, она возникает при распространении радиосигнала в космической межзвездной и межгалактической плазме и пропорциональна плотности электронного компонента, проинтегрированной вдоль луча зрения.

Автор открытия Дункан Лоример (Duncan Lorimer) предположил, что, скорее всего, источником был внегалактический объект, на расстоянии порядка сотен мегапарсеков. Через несколько лет радиоастрономы открыли аналогичные всплески с похожими свойствами, и стало ясно, что это целый класс новых астрономических явлений. Сейчас их известно около 20, и статистический анализ показывает, что число быстрых радиовсплесков в день по всему небу должно быть порядка нескольких тысяч!

Но оставался вопрос — откуда они приходят? Где источники — рядом в Галактике, в соседних галактиках или вообще на космологических расстояниях в миллиарды световых лет? Точность локализации быстрых радиовсплесков на небе до сих пор была невелика — несколько квадратных градусов. Искать источник на такой площади, к тому же не зная, что он должен из себя представлять, — задача безнадежная.

В чем их уникальность? Короткая длительность и высокая интенсивность свидетельствуют о колоссальной яркостной температуре излучения в источнике. Такого рода радиоизлучение было известно только от сверхкоротких «суперимпульсов» молодых пульсаров (например, Краба), природа которых тоже неясна. В настоящее время о природе коротких радиовсплесков (FRB) написаны сотни статей и выдвинуты несколько десятков гипотез, от вполне естественных (например, связывающих их с взрывными процессами вблизи нейтронных звезд, arXiv:1307.4924, arXiv:1401.6674) до вполне экзотических (например, взрывной распад «аксионных мини-кластеров», arXiv:1411.3900) или даже (пока) фантастических (например, радиолучи, используемые внеземными цивилизациями для разгона «космических парусов» для передвижения в межпланетном и межзвездном пространстве, arXiv:1701.01109).

Ситуация с быстрыми радиовсплесками очень напоминает историю с гамма-всплесками давностью почти полвека. Тогда тоже не могли найти источники из-за плохой локализации, тоже не знали масштаба расстояний до них. В начале 1990-х годов господствовала точка зрения, что источники находятся в Галактике. Но их статистика, набранная гамма-обсерваторией «Комптон», говорила за то, что гамма-всплески приходят с космологических расстояний, сравнимых с расстоянием до горизонта Вселенной.

По этому поводу в Библиотеке Конгресса США в 1995 году состоялись захватывающие публичные дебаты между Доном Лэмбом (Donald Q. Lamb), придерживавшимся галактической гипотезы, и Богданом Пачинским (Bohdan Paczynski), отстаивавшим космологическое происхождение гамма-всплесков. Тогда явной победы не одержал никто, но в 1996 году загадка разрешилась. Нашли оптическое послесвечение всплеска, которое совпало с далекой галактикой с большим красным смещением. Потом еще и еще — всё на космологических расстояниях. Ключом к разгадке стало определение координат источника с астрометрической точностью.

Астрометрия — наиболее точная область астрономии; определение координат небесных объектов и их видимых движений — одна из основных ее задач. Наиболее точно координаты определяются с помощью интерферометрии, особенно в радиодиапазоне, где база может быть сопоставима с размерами Земли, а в космических экспериментах («Радиоастрон») — даже в десятки раз больше.

Долгое время оставалось проблемой поймать радиовсплеск с помощью интерферометра из-за узкого поля зрения. И вот 4 января 2017 года в журнале Nature большая группа радиоастрономов (S. Chatterjee et al., arXiv:1701.01098) сообщила о наконец-то «астрометрической» локализации одного из источников коротких импульсов FRB 121102 с помощью радиоинтерферометрических наблюдений на антеннах VLA и 305-метровом радиотелескопе в Аресибо (США).

Астрономы воспользовались тем, что этот конкретный источник является повторным — за 83 часа наблюдений на VLA в полосе частот 2,5–3,5 ГГц в течение полугода от него было зарегистрировано 9 коротких ярких всплесков с одинаковой мерой дисперсии. Точность локализации составила порядка 0,1 угловой секунды (это точность лучших оптических наблюдений).

Оказалось, что рядом с источником повторных FRB (на расстоянии 0,1 секунды дуги) есть слабый почти постоянный радиоисточник с непрерывным нетепловым спектром. По архивным данным наблюдений 2014 года, на оптическом 10-метровом телескопе «Кек» и телескопе «Джемини» выявили на месте источника слабый постоянный объект примерно 25-й звездной величины.

Дополнительные радиоинтерферометрические наблюдения со сверхдлинной базой (VLBI) на сети Европейских радиотелескопов с миллисекундной точностью подтвердили результаты VLA (arXiv:1701.01099) и показали, что постоянный источник и источник FRB разделены менее чем на 0,12 миллисекунды дуги. Это подтверждает их возможную физическую связь.

Спектроскопия оптического источника на телескопе «Северный Джемини» (Гавайи) показала (arXiv:1701.01100), что оптическое излучение является слабой карликовой галактикой с красным смещением z = 0,1927 (расстояние около 1 Гпк), с массой 40–70 млн масс Солнца, с высоким удельным темпом звездообразования и низкой металличностью, похожей на молодые карликовые галактики со вспышкой звездообразования.

Каковы же выводы из этих открытий? Во-первых, подтверждена внегалактическая природа (по крайней мере этого!) источника FRB. Во-вторых, найден постоянный второй радиоисточник с нетепловым спектром, который пока не удалось отождествить с известными источниками (например, молодой нейтронной звездой-магнетаром или с ядром активной галактики). В-третьих, источник точно находится в карликовой галактике с малой металличностью и высоким темпом звездообразования.

Очевидно, эти факты уверенно отвергают ряд физических моделей, но всё еще не позволяют однозначно ответить на вопрос о природе FRB и их необычного радиоизлучения. Надо полагать, в недалеком будущем новые наблюдения позволят астрономам разгадать тайну источников коротких радиовсплесков — ждем новых результатов!

Что такое быстрые радиовсплески

Астрофизики смогли определить механизм возникновения быстрых радиовсплесков — сигналов, природа которых до сих пор была неизвестна, так что некоторые даже считали, что они могут быть сигналами инопланетных цивилизаций. Судя по всему, быстрые радиовсплески формируются в окрестностях нейтронных звезд. Мы попросили астронома Сергея Попова из Государственного астрономического института имени Штернберга МГУ, автора книги о нейтронных звездах «Суперобъекты», рассказать об истории исследования быстрых радиовсплесков и о том, какие гипотезы об их природе выдвигали ученые.

В новой статье речь идет об источнике FRB121102. Это пока единственный повторяющийся источник быстрых радиовсплесков.

Быстрые радиовсплески — новый загадочный астрофизический феномен (продвинутый читатель может посмотреть свежий небольшой обзор на английском языке). Их исследование началось всего лишь 10 лет назад, когда в 2007 году Дункан Лоример и его коллеги объявили об обнаружении первого очень мощного, но при этом короткого (несколько миллисекунд) радиовсплеска, пришедшего «из ниоткуда». То есть, как это было почти полвека назад с космическими гамма-всплесками, вспышка не наблюдалась больше ни в каком диапазоне спектра, а кроме того, не представлялось возможным точно локализовать, с чем она связана.

Первый всплеск, как и большинство последующих, был обнаружен при обработке архивных данных телескопа из обсерватории «Паркс» (Parkes Observatory) в Австралии. Эта 64-метровая антенна предназначена, в первую очередь, для исследования радиопульсаров. Всплеск получил обозначение FRB 010724, где FRB — Fast radio burst, а 010724 — дата: 24 июля 2001 года.

Если инструмент фиксирует короткий одиночный всплеск радиоизлучения, то его координаты можно определить лишь с точностью порядка 10 угловых минут. Это примерно треть лунного диска. С астрономической точки зрения — большая площадка, так как, например, крупный оптический телескоп увидит там большое количество объектов. Но при этом ничего выдающегося в области локализации первого всплеска не наблюдалось. Источник мог находиться или совсем близко (даже в магнитосфере Земли!), или очень далеко. Однако второе представлялось более вероятным, так как всплеск характеризовался большой мерой дисперсии.

Дело в том, что это только в вакууме скорость света одна и та же. Если же электромагнитное излучение распространяется в среде, то скорость волн разной длины будет отличаться. Именно поэтому призма дает радужную полоску спектра. Радиосигналы на двух разных частотах, распространяясь в космической плазме, имеют разные скорости. А потому сигнал на более высокой частоте приходит к нам раньше. Вот эта величина «сдвига» времени прихода сигнала в зависимости от частоты волны и характеризуется мерой дисперсии. Она тем больше, чем больше плотность зарядов в среде, в которой распространяется сигнал, и чем большее расстояние в этой среде сигнал проходит.

В случае лоримеровского всплеска FRB 010724 дисперсию нельзя было объяснить межзвездной средой нашей Галактики — ее не хватало. Значит, источник внегалактический, а мера дисперсии связана или с межгалактической средой, или со средой вокруг источника в другой галактике. Если дело в межгалактической среде, то расстояние до источника получалось порядка миллиардов световых лет! Тогда у источника колоссальная радиосветимость — миллиард светимостей Солнца. Такого никогда не видели, и это непросто объяснить.

Но это еще не все. Поскольку всплеск был открыт в рамках обработки архива обзорных наблюдений, то можно было оценить, как часто происходят такие события. Получалось, что на земном небе мы должны были бы видеть тысячи всплесков в день. Проблема, однако, в том, что радиотелескопы обычно смотрят лишь на маленький пятачок неба, да к тому же трудно выделить отдельную короткую вспышку, если она не повторяется, а точные координаты (и идентификация с известным источником) неизвестны. Вот и получалось, что до 2007 года мы не знали, что на небе все время виден радиофейерверк: яркая вспышка каждую минуту.

О втором событии отрапортовали лишь в 2012 году. Поэтому теоретики не бросились строить модели. Правда, еще в 2007 году Константин Постнов и я предложили модель, в которой вспышки были связаны с гипервспышками магнитаров — молодых активных нейтронных звезд с очень сильными магнитными полями. Кроме того, в нашей работе мы обратили внимание, что темп вспышек совпадает с темпом рождения магнитаров, а также что если пульсары с большими потерями энергии вращения могут давать вспышки, подобные гигантским импульсам пульсара в Крабовидной туманности, но только более мощные во столько же раз, во сколько раз больше энергопотери, то это тоже будет похоже на FRB. Были высказаны и другие предположения, в том числе довольно экзотические, в которых вспышки FRB связывались с космическими струнами.

Ситуация изменилась летом 2013 году, когда Торнтон и его соавторы сообщили сразу о четырех новых вспышкам. Все поняли, что дело серьезное.

За несколько месяцев теоретики предложили пару дюжин моделей для объяснения быстрых радиовсплесков. Там были и сливающиеся белые карлики, и испаряющиеся черные дыры, и необычные двойные системы, и одиночные компактные объекты, на которые падают астероиды. Не забыли, конечно, и инопланетян. «Все побывали тут», — сказал бы Михаил Юрьевич.

Но самые реалистичные модели были связаны с нейтронными звездами. Мы знаем, что эти объекты дают короткие радиоимпульсы. Мы знаем, что во вспышке нейтронные звезды могут за доли секунды выделять колоссальную энергию. Однако выбрать одну модель не получалось. И даже отбросить ряд моделей было непросто.

Появлялись новые данные наблюдений. За несколько лет было открыто около 30 источников (их каталог можно найти здесь). Для них измерялись различные параметры. Ввиду большой значимости проблемы статьи нередко публиковались в Science и Nature. Но ясности не было.

Важной вехой стало открытие источника FRB121102 — героя новой публикации. Это был первый всплеск, открытый на 300-метровой антенне в Аресибо (Пуэрто-Рико). Дальнейшие наблюдения показали, что от источника приходят новые всплески. Причем много — сотни! Стало ясно, что FRB — это не катастрофа. То есть, это не испарение черной дыры, не образование кварковой звезды, не какой-то вид сверхновой, не слияние нейтронных звезд и так далее. На первый план окончательно вышли модели с молодыми нейтронными звездами.

Наблюдения повторных всплесков, в том числе одновременно несколькими радиотелескопами, позволили очень точно определить координаты источника. Кроме того, был обнаружен постоянный радиоисточник, с ним связанный. В конце концов, смогли разглядеть и галактику, в которой источник расположен, а значит, стало возможным точное определение энергетики вспышек, так как теперь было известно точное расстояние. Оказалось, что объект находится в небольшой галактике с мощным звездообразованием. Молодые нейтронные звезды «любят» такие места.

И в модели молодого магнитара (в данном случае речь идет о выделении энергии магнитного поля), и в модели молодого мощного радиопульсара (который испускает энергию своего вращения) можно объяснить все основные свойства FRB121102. Новая статья, пожалуй, подтверждает это.

В ней авторы смогли узнать кое-что новое о среде вокруг источника. Они измерили линейную поляризацию радиоизлучения — она оказалось 100-процентной, — а также смогли определить так называемую меру вращения. При распространении в плазме с магнитным полем плоскость поляризации электромагнитной волны поворачивается. Чем больше поле и чем больше в плазме свободных электронов, тем заметнее эффект. У FRB121102 измерена очень большая мера вращения, выделяющая его на фоне известных пульсаров, магнитаров и других источников быстрых радиовсплесков, для которых была установлена эта величина. Данные говорят о том, что источник всплесков находится в довольно плотной среде со значительным магнитным полем.

С одной стороны, авторы обращают внимание на то, что такие условия мы наблюдаем в окрестности сверхмассивных черных дыр. С другой, аналогичные условия могут быть и в очень молодых остатках сверхновых в областях звездообразования. А значит, мы снова возвращаемся к тому, что источники быстрых радиовсплесков связаны с молодыми нейтронными звездами.

Важным предсказанием моделей молодых нейтронных звезд, окруженных плотной туманностью, является эволюция свойств туманности на временах порядка нескольких лет. Соответственно, дальнейшие наблюдения вскоре должны проверить это.

В такой модели высокая активность FRB121102 может объясняться особой молодостью объекта. Скажем, десятки лет против сотен или тысяч лет у других источников. Со временем темп расходования (диссипации) и вращательной, и магнитной энергии неизбежно падает, — что подтверждают и наблюдения радиопульсаров и магнитаров, и теоретические расчеты, — соответственно и время между повторными всплесками должно возрастать. Для типичного магнитара оно должно составлять десятки или даже сотни лет, а потому мы и не видим повторных всплесков от других известных источников.

Сейчас в строй введены (FAST, UTMOST, ASKAP) или вводятся (CHIME, а в будущем — SKA) новые радиотелескопы. Будем надеяться, что это даст новые важные результаты, которые позволят решить загадку быстрых радиовсплесков в ближайшие несколько лет.

Астрономы раскрывают новые и загадочные особенности загадочных быстрых радиовсплесков

Быстрые радиовсплески (FRB) — это космические взрывы продолжительностью в миллисекунды, каждый из которых производит энергию, эквивалентную годовой выработке Солнца. Спустя более 15 лет после того, как были впервые обнаружены импульсы электромагнитных радиоволн в дальнем космосе, их загадочная природа продолжает удивлять ученых, а недавно опубликованные исследования только усугубляют окружающую их тайну.

В номере журнала от 21 сентября Природа , неожиданные новые наблюдения серии космических радиовсплесков, проведенные международной группой ученых, включая астрофизика UNLV Бинга Чжана, бросают вызов преобладающему пониманию физической природы и центрального двигателя FRB.

Космические наблюдения FRB были проведены в конце весны 2021 года с помощью массивного сферического радиотелескопа с пятисотметровой апертурой (FAST) в Китае. Группа, возглавляемая Хенг Сюй, Кеджиа Ли, Субо Донгом из Пекинского университета и Вэйвэй Чжу из Национальной астрономической обсерватории Китая, вместе с Чжаном обнаружила 1863 вспышки за 82 часа в течение 54 дней от активного источника быстрых радиовсплесков, называемого FRB. 20201124А.

«Это самая большая выборка данных FRB с информацией о поляризации из одного источника», — сказал Ли.

Недавние наблюдения быстрого радиовсплеска из нашей галактики Млечный Путь позволяют предположить, что он возник из-за магнетара, который представляет собой плотную нейтронную звезду размером с город с невероятно мощным магнитным полем. С другой стороны, происхождение очень далеких космологических быстрых радиовсплесков остается неизвестным. И последние наблюдения заставляют ученых сомневаться в том, что, по их мнению, они знали о них.

«Эти наблюдения вернули нас к чертежной доске», — сказал Чжан, который также является директором-основателем Астрофизического центра UNLV в Неваде. «Понятно, что FRB более загадочны, чем мы себе представляли. Для дальнейшего раскрытия природы этих объектов необходимы дополнительные многоволновые наблюдательные кампании».

Что делает последние наблюдения удивительными для ученых, так это нерегулярные, кратковременные изменения так называемой «меры вращения Фарадея», по сути, силы магнитного поля и плотности частиц вблизи источника FRB. Вариации увеличивались и уменьшались в течение первых 36 дней наблюдений и внезапно прекратились в течение последних 18 дней, прежде чем источник погас.

«Я приравниваю это к съемке фильма об окружении источника FRB, и наш фильм показал сложную, динамично развивающуюся, намагниченную среду, которую раньше невозможно было представить», — сказал Чжан. «Такая среда прямо не ожидается для изолированного магнетара. Рядом с двигателем FRB может быть что-то еще, возможно, бинарный компаньон», — добавил Чжан.

Для наблюдения за родительской галактикой FRB команда также использовала 10-метровые телескопы Кека, расположенные в Мауна-Кеа на Гавайях. Чжан говорит, что молодые магнетары, как полагают, находятся в активных звездообразующих областях звездообразующей галактики, но оптическое изображение галактики-хозяина неожиданно показывает, что это богатая металлами спиральная галактика с перемычкой, такая как наш Млечный Путь. Местонахождение FRB находится в регионе, где нет значительной активности звездообразования.

«Это место не соответствует молодому центральному двигателю магнетара, образовавшемуся во время экстремального взрыва, такого как длительный гамма-всплеск или сверхяркая сверхновая, которые, по широко распространенному мнению, являются прародителями активных двигателей FRB», — сказал Донг.

Сведения о публикации

Исследование «Источник быстрых радиовсплесков на сложном намагниченном участке в галактике с перемычкой» опубликовано 21 сентября в журнале Nature и включает 74 соавтора из 30 учреждений. Помимо UNLV, Пекинского университета и Национальной астрономической обсерватории Китая, сотрудничающие учреждения также включают Обсерваторию Purple Mountain, Юньнаньский университет, Калифорнийский технологический институт в Беркли, Калифорнийский технологический институт, Принстонский университет, Гавайский университет и другие учреждения из Китая, США, Австралии, Германии и Израиля.

Быстрый радиовсплеск: исследования раскрывают подробности о происхождении

Примечание редактора: Подпишитесь на информационный бюллетень CNN по теории чудес. Исследуйте вселенную, узнавая новости об удивительных открытиях, научных достижениях и многом другом.

Си-Эн-Эн
—

Спустя более 15 лет после открытия быстрых радиовсплесков новые исследования раскрыли и углубили тайну источников этих явлений в глубоком космосе.

Быстрые радиовсплески, или FRB, — это яркие, мощные излучения радиоволн в диапазоне от долей миллисекунды до нескольких миллисекунд, каждый из которых производит энергию, эквивалентную годовой мощности Солнца.

Недавние исследования показали, что некоторые FRB происходят от магнетаров, которые представляют собой нейтронные звезды с чрезвычайно мощными магнитными полями. Согласно исследованию 2020 года, быстрый радиовсплеск, обнаруженный в Млечном Пути, был связан с магнитаром.

Но ученые еще не определили происхождение космологических FRB, которые находятся очень далеко, на расстоянии миллиардов световых лет. Это затруднительное положение заставило международную группу ученых увидеть, что она может узнать из наблюдений за почти 1,900 всплесков от активного источника быстрых радиовсплесков за пределами нашей галактики под названием FRB 20201124A, согласно исследованию, опубликованному 21 сентября в журнале Nature.

На иллюстрации изображен быстрый радиовсплеск (не тот, который подробно описан в новых исследованиях).

Марк Гарлик/Science Photo Library/scipho/AP

Выбросы, связанные с FRB 20201124A, происходили в течение 82 часов в течение 54 дней весной 2021 года, что делает его одним из самых активных известных быстрых радиовсплесков. Его можно было увидеть через крупнейший в мире радиотелескоп — китайский сферический радиотелескоп с пятисотметровой апертурой, или FAST.

cms.cnn.com/_components/paragraph/instances/paragraph_CCF09C93-3C66-3C16-41FB-6B1D84ACC218@published» data-editable=»text» data-component-name=»paragraph»>
В течение первых 36 дней исследовательская группа была удивлена, увидев нерегулярные кратковременные изменения меры вращения Фарадея, которая измеряет силу магнитного поля и плотность частиц в окрестностях FRB 20201124A. Большая мера вращения означает, что магнитное поле вблизи источника радиовсплеска сильнее, плотнее или и то, и другое, а меньшая мера означает обратное, сказал по электронной почте Бинг Чжан, соавтор исследования и астрофизик.

«Это не отражает начало FRB (продолжительность жизни)», — сказал Чжан, директор-основатель Центра астрофизики в Университете Невады в Лас-Вегасе. «Источник FRB существует уже давно, но большую часть времени бездействовал. Время от времени он просыпается (на этот раз на 54 дня) и испускает множество всплесков».

Измерения увеличивались и уменьшались в течение этого периода времени, а затем прекратились в течение последних 18 дней, прежде чем FRB затухал, «предполагая, что напряженность и / или плотность магнитного поля вдоль луча зрения вблизи источника FRB меняются со временем. «, — добавил Чжан. «Это говорит о том, что среда источника FRB динамично развивается с быстро меняющимися магнитными полями или плотностью, или и тем, и другим».

Камера ближнего инфракрасного диапазона

Уэбба (NIRCam) отображает объекты в ближнем инфракрасном диапазоне от 0,6 до 5 микрон, поэтому Нептун не кажется Уэббу синим. Фактически, газообразный метан настолько сильно поглощает красный и инфракрасный свет, что планета довольно темна в этих ближних инфракрасных длинах волн, за исключением тех мест, где присутствуют высотные облака. Такие облака метанового льда выделяются яркими полосами и пятнами, отражающими солнечный свет до того, как он будет поглощен газообразным метаном.

НАСА/ЕКА/CSA/STScI

Космический телескоп Джеймса Уэбба сделал поразительно четкие изображения Нептуна и его колец.

«Я приравниваю это к съемке фильма об окружении источника FRB, и наш фильм показал сложную, динамично развивающуюся, намагниченную среду, которую раньше невозможно было представить», — сказал Чжан в пресс-релизе.

Физическая модель, созданная другой группой исследователей на основе наблюдений FRB 20201124A, предполагает, что FRB произошел от двойной системы на расстоянии около 8480 световых лет, содержащей магнетар и Ве-звезду, которая горячее и крупнее и вращается быстрее, чем Солнце, согласно отдельному исследованию, опубликованному 21 сентября в журнале Nature Communications.

Исследователи обнаружили, что сложная намагниченная среда радиовсплеска находится в пределах астрономической единицы (расстояние между Землей и Солнцем) от его источника.

Они также обнаружили, что взрыв произошел из спиральной галактики с перемычкой, которая богата металлами и по размеру похожа на Млечный Путь, с помощью 10-метровых телескопов Кека в Мауна-Кеа, Гавайи. По словам соавтора исследования Nature Субо Донга, доцента Института астрономии и астрофизики им. в Пекинском университете.

Эти кратеры образовались в результате падения метеороида на Марс 5 сентября 2021 года, что было первым обнаруженным аппаратом NASA InSight.