«Вопль» магнетара: учёные раскрыли тайну быстрого радиовсплеска в космосе

Быстрые радиовсплески (FRB) — это очень кратковременные и интенсивные вспышки энергии, которые длятся лишь тысячную долю секунды. Однако их мощи хватает, чтобы затмить для астрономов целые галактики, пусть и ненадолго.


Первый FRB уловили в 2007 году. С тех пор астрономы обнаружили тысячи подобных импульсов, которые случались и в нашей галактике, и на удалении до 8 млрд световых лет от неё.

Истинная суть этих явлений до сих пор остаётся предметом споров. Однако специалисты в Массачусетском технологическом институте (MIT) определили эпицентр одного такого импульса. Удивительному прорыву помог инновационный метод, перспективный для изучения других FRB.

В журнале Nature исследователи рассказали, как сосредоточились на FRB-20221022A — так именуется в их перечне ранее обнаруженный быстрый радиовсплеск. Локализовали этот «вскрик» радиоволн в галактике, отдалённой от нас расстоянием около 200 млн световых лет.

Учёные с поразительной точностью определили местоположение радиосигнала. Удалось это после анализа его мерцания. Слово из сферы визуальных явлений применимо к радиосигналам, так как похоже на переменчивый свет звёзд в ночном небе. Учёные изучили «дрожь» FRB и определили, что вспышка, вероятнее всего, случилась чрезвычайно близко от источника, а не намного дальше, как предсказывал ряд компьютерных моделей.

По подсчётам астрономов, FRB-20221022A возник в пространстве, ближайшем к вращающейся нейтронной звезде, на расстоянии не более 10 тыс. км от неё. Означает это, что вспышка, должно быть, исходила из магнитосферы нейтронной звезды, то бишь из насыщенной магнетизмом области, окутывающей сверхкомпактную звезду. Результаты исследования стали первым убедительным обоснованием того, что быстрые радиовсплески возможны именно из магнитосферы такого космического тела.

Пояснила суть вопроса ведущий автор исследования Кензи Ниммо из Института астрофизики и космических исследований Кавли при MIT. Она сказала, что при нейтронных звёздах магнитные поля по мощности — на пределе того, что вообще способна породить в этом смысле Вселенная.


— Ниммо.

А Киёси Масуи, доцент кафедры физики MIT, добавил, что вокруг нейтронных звёзд с высоким уровнем магнетизма, также известных как магнетары, даже не могут существовать атомы — их просто разнесло бы магнитными полями на ещё более малые частицы.




— Масуи.

За последние годы численность зарегистрированных быстрых радиовсплесков возросла благодаря Канадскому эксперименту по картированию интенсивности водорода (CHIME). Комплекс из четырёх больших стационарных приёмников настроили на улавливание диапазона FRB.

На иллюстрации ниже (как и, фрагментарно, на заглавной картинке) — радиотелескоп CHIME, в котором нет движущихся частей. Изначально задуманный для картографирования самого распространённого элемента во Вселенной — водорода — он был доработан для высокой скорости картографирования, что требует, в том числе, частотного диапазона в 400–800 МГц.

Оцифрованные сигналы, собранные CHIME, обрабатывают для формирования трёхмерной карты плотности водорода, нужной для измерения истории расширения Вселенной. В то же время эти сигналы могут быть обработаны для наблюдений за FRB.

Такие возможности делают CHIME уникальным телескопом для обнаружения радиовсплесков и ежедневного наблюдения за многими пульсарами, то есть источниками космических излучений.



С 2020 года функционал CHIME позволил зарегистрировать тысячи быстрых радиовсплесков из Вселенной. Хотя учёные в целом согласны с тем, что они возникают в чрезвычайно компактных объектах, более подробные физические явления, лежащие в основе FRB, оставались непонятными.

Некоторые компьютерные модели подсказывали, что быстрые радиовсплески должны исходить из турбулентной магнитосферы, охватывающей компактный объект. Однако другие модели позволяли думать, что всплески должны исходить от более удалённых источников, как часть ударных волн, распространяющихся от эпицентров.

Чтобы разделить оба сценария и определить, где именно возникают FRB, астрономы подробнее оценили упомянутое выше мерцание. Так называют эффект, когда свет от небольшого яркого источника, той же звезды, проницает какую-либо среду, например галактический газ.

Когда звёздный свет проносится сквозь газ, он преломляется, и наблюдателю на Земле мерещится, будто звезда мигает. Чем меньше или дальше объект, тем сильнее такое мерцание. Свет от более крупных или близких объектов, от тех же планет Солнечной системы, преломляется меньше и поэтому выглядит более стабильным.

Учёные из MIT предположили, что если оценить степень мерцания FRB, то можно установить сравнительный размер области, из которой исходил радиовсплеск. Чем компактнее область, тем ближе всплеск к источнику своего происхождения и тем больше вероятность того, что он зародился в среде с турбулентным магнетизмом. А чем обширнее область, тем отдалённее всплеск, и это подтверждает идею о том, что FRB возникают вследствие далёких ударных волн.

Чтобы проверить свою идею, исследователи и сосредоточились на FRB-20221022A, быстром радиоимпульсе, зарегистрированном CHIME в 2022 году. Сигнал длится около двух миллисекунд и был относительно обычным FRB в смысле его яркости.

Но коллеги астрономов из канадского Университета Макгилла поняли, что FRB-20221022A обладал примечательной особенностью. Свет от его всплеска был сильно поляризован (колебался), а угол поляризации вычерчивал плавную S-образную кривую. Это явление можно было толковать как свидетельство вращения источника FRB. Подобную характеристику ранее наблюдали у пульсаров класса сильно намагниченных вращающихся нейтронных звёзд.

Факт подобной поляризации при описываемых радиоимпульсах впервые позволил предположить, что сигнал мог зародиться вблизи нейтронной звезды.

В Массачусетском «технологе» поняли, что если FRB-20221022A исходил от такого космического объекта, то они смогут доказать это именно на основе сцинтилляции, как ещё называют мерцание космических тел.

В своём новом исследовании Ниммо и её коллеги проанализировали данные CHIME и обнаружили резкие колебания яркости. Другими словами, FRB мерцал. Они подтвердили, что где-то на огромной дистанции между радиотелескопом и FRB есть газ, который искривляет и фильтрует радиоволны.

Затем астрономы определили, где может находиться этот газ, и подтвердили, что газ в галактике-хозяине FRB и стал причиной мерцаний. Газ работал как линза, дав исследователям шанс локализовать источник FRB и доказать, что вспышка случилась в чрезвычайно малой области, охватом всего-то около 10 тыс. км.


— Ниммо.

Выводы астрономов из MIT в сочетании с мнением их канадских коллег исключают возможность того, что FRB-20221022A возник на периферии компактного объекта. Вместо этого оба исследования в совокупности впервые доказали, что быстрые радиовсплески могут возникать очень близко к нейтронной звезде в условиях сильного магнитного хаоса.

Масуи сообщил также, что такие радиоимпульсы происходят постоянно, поскольку CHIME улавливает их по несколько в день.

FRB могут случаться по-разному и в разных местах, но разработанный метод анализа мерцания будет очень полезен для изучения различных физических процессов, порождающих эти всплески.

В заключение повторим, что речь шла о единственном и конкретном космическом явлении. Так что желающие верить в сигналы от инопланетного разума могут по-прежнему не терять надежды.