Таинственные сигналы из космоса «Fast radio burst» (FRB)

Быстрые радиовсплески (БРВ) — это интенсивные всплески радиоволн, длящиеся всего несколько миллисекунд. Они были впервые обнаружены в 2007 году Дунканом Лоримером и его студентом Дэвидом Наркевичем при анализе архивных данных радиотелескопа Паркс в Австралии. С тех пор астрономы обнаружили десятки БРВ, исходящих из разных точек Вселенной.

Начало

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 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.

Киёси Масуи

Источники этих коротких и ярких сигналов неизвестны. Но теперь у учёных есть возможность изучить быстрый радиовсплеск (БРВ) с беспрецедентной точностью. Международная группа учёных, в том числе физики из Массачусетского технологического института, обнаружила близкий и сверхъяркий быстрый радиовсплеск на расстоянии около 130 миллионов световых лет от Земли в созвездии Большой Медведицы. Это один из ближайших к нам БРВ, обнаруженных на сегодняшний день. Он также является самым ярким — настолько ярким, что получил неофициальное название RBFLOAT, что расшифровывается как «самая яркая радиовспышка всех времён».

Яркость вспышки в сочетании с её близостью к нам позволяет учёным как никогда детально изучить быстрые радиовсплески и среду, из которой они возникают.

«С космической точки зрения этот быстрый радиовсплеск находится совсем рядом с нами, — говорит Киёси Масуи, доцент кафедры физики и сотрудник Института астрофизики и космических исследований им. Кавли при Массачусетском технологическом институте. — Это значит, что у нас есть шанс изучить довольно обычный быстрый радиовсплеск во всех подробностях».

FRB 121102

Астрономы NAOC обнаружили серию радиовспышек, получившую название FRB 121102, которая сразу побила несколько рекордов. Наблюдения за FRB с использованием сферического радиотелескопа FAST начались 29 августа и продолжались до 29 октября 2019 года ― за это время (47 дней) ученые зафиксировали 1652 быстрых радиовсплесков разной частоты общей длительностью чуть более 59 часов. 112 зарегистрированных сигналов за одну серию ― рекордный показатель FRB по сей день.

По словам исследователей, явление FRB 121102 стало первым известным человеку космическим «ретранслятором». Вероятным источником сигналов может быть карликовая галактика. Из текста исследования известно, что в одной из таких галактик расположен постоянно действующий радиоисточник.

Несмотря на цикличность явлений FRB, выявить их закономерность еще не удалось, отмечают ученые. Существует лишь гипотеза, что на активность FRB 121102 влияет сезонный фактор.

Кроме этого, астрономы обнаружили шесть новых радиоисточников в глубоком космосе. По мнению сотрудников NAOC, один из них может составить конкуренцию FRB 121102. Исследования радиовсплесков все еще не привели ученых к точному ответу, откуда они берутся. Тем не менее существует несколько гипотез, согласно которым FRB возникают благодаря нейтронным звездам, черным дырам и оставшимся со времен Большого взрыва космическим струнам.

Вэнь-фай Фонг

Вспышка длительностью в миллисекунду, получившая название RBFLOAT (сокращение от «самая яркая радиовспышка всех времён» и, да, отсылка к «поплавку из рутбира»), была обнаружена в ходе Канадского эксперимента по картированию интенсивности водорода (CHIME) с помощью недавно завершённой антенной решётки Outrigger. Объединив наблюдения, полученные в Британской Колумбии, Западной Вирджинии и Калифорнии, учёные установили, что вспышка произошла в одном из спиральных рукавов галактики на расстоянии 130 миллионов световых лет от нас — с точностью до 42 световых лет.

Известно, что из-за того, что они возникают так далеко и исчезают в мгновение ока, FRB чрезвычайно трудно изучать. Однако, если ученые смогут точно определить местоположение FRB, они смогут исследовать его окружение, включая характеристики его родной галактики, расстояние от Земли и, возможно, даже его причину. В конечном счете, эта информация могла бы помочь пролить свет на природу и происхождение этих таинственных, мимолетных вспышек.

Исследование «FRB 20250316A: яркий и близкий к нам одиночный быстрый радиовсплеск, локализованный с точностью до 13 парсеков» опубликовано в The Astrophysical Journal Letters стало первым случаем, когда для локализации быстрого радиовсплеска была использована вся система Outrigger.

«Удивительно, что всего через пару месяцев после запуска всей системы Outrigger мы обнаружили чрезвычайно яркий быстрый радиовсплеск в галактике, расположенной в непосредственной близости от нас», — сказал Вэнь-фай Фонг из Северо-Западного университета, старший автор исследования.

«Это очень хороший знак для будущего. Увеличение частоты событий всегда даёт возможность обнаружить более редкие явления. Команда CHIME/FRB много лет работала над этим техническим достижением, и Вселенная вознаградила нас бесценным подарком».

"Этот результат знаменует собой поворотный момент", - сказала автор-корреспондент Аманда Кук, научный сотрудник Университета Макгилла. "Вместо того, чтобы просто обнаруживать эти загадочные вспышки, мы теперь можем точно видеть, откуда они исходят. Это открывает возможность выяснить, вызваны ли они умирающими звездами, экзотическими магнитными объектами или чем-то еще, о чем мы даже не думали ".

Фонг, специалист по космическим взрывам, является доцентом кафедры физики и астрономии в Колледже искусств и наук имени Вайнберга Северо-Западного университета. Она также является членом Центра междисциплинарных исследований в области астрофизики (CIERA) и Института искусственного интеллекта для изучения космоса NSF-Simons (SkAI Institute).

Жан-Пьер Маккар

Радиотелескоп ASKAP в Австралии первым зафиксировал далёкий быстрый радиовсплеск, названный FRB 20220610A, в июне 2022 года. Невероятно, но он побил рекорд предыдущего «самого далёкого» быстрого радиовсплеска, зафиксированного ASKAP, на целых 50%. Позже астрономы использовали Очень большой телескоп ESO (VLT) в Чили, чтобы определить, из какой галактики произошёл быстрый радиовсплеск. Ведущий автор Стюарт Райдер, астроном из Университета Маккуори в Австралии

Исследователи заявили, что этот новый быстрый радиовсплеск произошёл в группе сливающихся галактик. Это открытие имеет дополнительное преимущество. По словам исследователей, это показывает, что быстрые радиовсплески можно использовать для поиска скрытой материи во Вселенной и «взвешивания» массы галактик. Это материя, которая, согласно современным расчётам, должна существовать между галактиками, но не может быть обнаружена напрямую. Как объяснил соавтор Райан Шеннон из Технологического университета Суинберна в Австралии:

Если мы подсчитаем количество обычной материи во Вселенной — атомов, из которых мы все состоим, — то обнаружим, что более половины того, что должно быть там сегодня, отсутствует. Мы думаем, что недостающая материя скрывается в пространстве между галактиками, но, возможно, она настолько горячая и разреженная, что её невозможно увидеть с помощью обычных методов.

Быстрые радиовсплески улавливают этот ионизированный материал. Даже в почти идеально пустом пространстве они могут «видеть» все электроны, и это позволяет нам измерять количество вещества между галактиками.

На самом деле учёные уже доказали, что быстрые радиовсплески необходимы для измерения количества скрытой материи во Вселенной. Покойный австралийский астроном Жан-Пьер Маккар открыл это в 2020 году. А Райдер отметил:

Жан-Пьер показал, что чем дальше находится источник быстрого радиовсплеска, тем более разреженный газ он обнаруживает между галактиками. Теперь это известно как соотношение Маккарра. Некоторые недавние быстрые радиовсплески, по-видимому, нарушали это соотношение. Наши измерения подтверждают, что соотношение Маккарра справедливо для более чем половины известной Вселенной.

FRB 20220610A — самый удалённый от нас быстрый радиовсплеск, обнаруженный астрономами на сегодняшний день. Но, вероятно, есть и другие, ещё более удалённые от нас. И новые телескопы, которые скоро будут введены в эксплуатацию, смогут их обнаружить. Международная обсерватория Square Kilometre Array (SKAO) будет оснащена двумя новыми радиотелескопами в Южной Африке и Австралии, которые смогут обнаруживать тысячи быстрых радиовсплесков. В том числе те, которые находятся так далеко, что их невозможно обнаружить с помощью существующих инструментов. Будущий чрезвычайно большой телескоп (ELT) Европейской южной обсерватории также сможет изучать галактики-источники быстрых радиовсплесков, расположенные ещё дальше, чем FRB 20220610A.

В 2020 году астрономы объявили об открытии ближайшего из известных на сегодняшний день быстрых радиовсплесков. Он находился на расстоянии около 30 000 световых лет от нас, в нашей галактике Млечный Путь.

Ученые до сих пор точно не знают, что вызывает быстрые радиовсплески, но среди теорий есть такие, в которых источниками являются магнетары или слияние черных дыр и нейтронных звезд.

Итог: астрономы подтвердили, что это самый далёкий из когда-либо обнаруженных быстрых радиовсплесков. Он находится в небольшой группе сливающихся галактик на расстоянии 8 миллиардов световых лет.

Некоторые особенности быстрых радиовсплесков:

Заключение

Единой, общепризнанной научной гипотезы образования быстрых радиовсплесков не существует.

Ставьте лайки, подписывайтесь на канал, делитесь ссылками в социальных сетях. Спасибо за внимание!