Новые исследования, проведенные двумя группами ученых, показывают, что эти мимолетные всплески могут быть быстрее и ярче, а также приходить с гораздо большего расстояния, чем считалось ранее.
Редкие, исчезающие радиовспышки в небе уже более десяти лет приводят астрономов в недоумение. Эти "быстрые радиовсплески", вспыхивающие и исчезающие за пару секунд или менее, появляются и исчезают так быстро, что астрономы с трудом успевают их изучать, не говоря уже о том, чтобы точно определить их космическое происхождение. На прошлой неделе эта загадка стала еще глубже, когда специалисты из Нидерландов и Австралии обнаружили доказательства того, что такие всплески встречаются чаще и отличаются большей продолжительностью и энергией, чем считалось ранее.
С 2000-х годов было обнаружено 750 подтвержденных всплесков на радиочастотах от 100 мегагерц до 8 гигагерц, большинство из которых были получены в ходе канадского эксперимента по картированию интенсивности водорода. Они достаточно яркие, чтобы быть видимыми на огромных расстояниях, и пока большинство из них, по-видимому, исходит от других галактик. (Хотя представлять себе "яркий" радиосигнал может показаться несколько странным, объект может излучать яркий электромагнитный свет практически на любой частоте, в том числе и на невидимой для человеческого глаза). Некоторые из этих всплесков повторяются, некоторые - однократны. Согласно ведущей теории, они исходят от редких и экстремальных объектов, известных как магнетары. Это молодые, сверхплотные нейтронные звезды, вращающиеся шары магнитной энергии, которые выбрасывают заряженные частицы, создавая ударную волну, ускоряющую частицы и излучающую вспышки радиоволн.
Астроном Марк Снелдерс (Mark Snelders) из Нидерландского института радиоастрономии подозревает, что могут существовать еще более короткие радиовсплески. Если это так, то это было бы намеком на то, что они могут исходить от разных источников. У него не было данных, чтобы выяснить это, но потом он понял, что они, вероятно, есть у кого-то другого: Breakthrough Listen, калифорнийский проект, занимающийся поиском радиосигналов от инопланетных цивилизаций с помощью телескопов, подобных Green Bank Telescope в Западной Вирджинии. Оказалось, что у Breakthrough Listen есть почти 400 терабайт данных, собранных в 2017 году, в которых были зарыты такие кратковременные всплески. Неожиданно у команды Снелдерса появилось множество нужных им общедоступных данных. "Для нас это было приятным совпадением, - говорит Снелдерс.
Отсортировав их, его команда обнаружила самые короткие из когда-либо зафиксированных быстрых радиовсплесков, длительность которых составляет лишь миллионные доли секунды, или микросекунды. По словам Снельдерса, такой огромный разброс во времени быстрых радиовсплесков может означать, что существует и целый ряд источников, которые их генерируют. "Разница во времени между самым коротким и самым длинным всплеском составляет миллион раз. Я бы предположил, что существует более одного канала формирования", - говорит Снелдерс. Свои выводы группа исследователей опубликовала на прошлой неделе в журнале Nature Astronomy.
При этом их работа подтверждает идею о том, что магнетары, скорее всего, являются одним из таких источников. В центре внимания исследователей оказались восемь сверхбыстрых радиовсплесков, самый короткий из которых длился всего 6,5 микросекунды. Они были излучены известным источником таких всплесков под названием FRB 20121102A, который находится на расстоянии около 2 млрд световых лет от нас. Возможно, это магнетар, но точно никто не знает.
Однако краткость импульсов позволяет получить некоторую информацию об источнике: Он очень мал, как и положено магнетару. "Если у вас очень короткие временные интервалы, это говорит о том, что то, от чего он исходит, должно быть небольшим: его размер не может быть больше километра", - говорит Снелдерс. Эти сигналы, скорее всего, исходят от центрального двигателя магнитного поля магнетара или другого компактного энергичного объекта, а не от ударной волны, возникающей при ударе о материал, окружающий объект.
Второе исследование, опубликованное в тот же день в журнале Science, пролило еще больший свет на загадочные всплески и их разнообразие. Группа исследователей, в основном из австралийских институтов, зафиксировала самый далекий и яркий из когда-либо наблюдавшихся быстрых радиовсплесков. Менее чем за миллисекунду он излучил столько энергии, сколько Солнце излучает более чем за 16 лет, и сделал это на расстоянии около 10 млрд. световых лет. Это превышает расстояние до предыдущего рекордсмена примерно на 4 млрд. световых лет, к тому же он в пять раз энергичнее. Это позволяет предположить, что всплески приходят не только из близлежащей Вселенной.
Международная группа специалистов под руководством астронома Райана Шеннона из Технологического университета Суинберна использовала австралийскую систему Square Kilometre Array Pathfinder для наблюдения этого быстрого радиовсплеска, который возник, когда возраст Вселенной составлял менее половины ее современного возраста. "То, что миллисекундные сигналы, которые, хотя и не являются абсолютно невозмутимыми, путешествуют 8 млрд. лет, чтобы добраться до Земли, просто поразительно", - говорит Шеннон.
Этот сигнал, известный как FRB 20220610A, является самым ярким или самым энергичным из когда-либо обнаруженных быстрых радиовсплесков. Шеннон сравнивает этот сигнал с микроволновой печью, поскольку его частотный диапазон аналогичен: по его словам, энергии одного всплеска было бы достаточно, чтобы разогреть в микроволновой печи миску попкорна размером в два раза больше Солнца.
Быстрый радиовсплеск не проходит прямо через пространство, поскольку космос - это не совсем вакуум. Сигнал проходит через газ, который может быть турбулентным или сгустковым, плотным или диффузным. Он слегка искажает сигнал, рассеивая его или делая более шумным. Гравитационное притяжение массивного небесного тела также может отклонять радиоволны - этот процесс называется гравитационным линзированием. В результате этих искажений в сигнал всплеска вносится информация о том, через что он прошел на пути к Земле.
Подобное искажение дало Шеннону и его коллегам подсказку, что FRB 20220610A, вероятно, пришел издалека. Они заметили, что радиосигнал был немного смещен в сторону, что объясняется зависящей от частоты временной задержкой, вызванной газом, через который прошла вспышка между галактикой-хозяином и нашей галактикой.
По словам Джейсона Хессельса, коллеги Снельдерса по Амстердамскому университету, эти искажения также означают, что сверхбыстрые вспышки можно использовать в качестве астрофизических зондов для изучения облаков газа и пыли, через которые проходит радиовсплеск между своим источником и Землей. Эти газы слишком слабы, чтобы их увидеть, но мы можем определить, где они находятся, насколько они обильны или сгущены, по тому, как они искривляют радиосигналы. "Поскольку эти всплески так коротки, для искажения радиосигнала требуется лишь крошечный кусочек газа между звездами и галактиками. Он может быть расширен, рассеян или гравитационно линзирован", - говорит Гессельс. Он называет быстрые радиовсплески "уникальными инструментами для изучения иначе невидимого материала".
"Чем они короче, тем точнее можно это сделать", - говорит он.
В целом, широкий спектр быстрых радиовсплесков, зарегистрированных в этих двух исследованиях, предполагает, что их источников может быть много - не все они могут исходить от пульсирующих магнетаров. Некоторые из них могут исходить от ярких пульсаров, лучи которых питаются не магнитными полями, а вращением. Другие могут исходить от черных дыр, питающихся звездами и выбрасывающих струи газа, которые создают ударные волны, генерирующие радиовспышки. Такое разнообразие может объяснить, почему одни всплески длятся в миллионы раз дольше или в тысячи раз ярче других. Оно также может объяснить, почему так трудно выделить какой-то один тип источника - ведь его, вероятно, не существует.
"Типы всплесков, которые мы находим, и места, где мы находим эти источники, становятся все более разнообразными", - говорит Хессельс. "Это наводит на мысль, что существует более одного объяснения. Это порадовало бы теоретиков, поскольку теорий существует десятки и десятки".
