Вчені з′ясували походження швидкого радіосплеску

Астрономи встановили, що швидкоплинний космічний феєрверк, найімовірніше, виник у турбулентній магнітосфері навколо далекої нейтронної зорі.

Про це розповідають в Массачусетському технологічному інституті (MIT), передають OstanniPodii.com.

Швидкі радіосплески -- це короткі та яскраві вибухи радіохвиль, що випромінюються надзвичайно компактними об′єктами, такими як нейтронні зорі та, можливо, чорні діри. Ці швидкоплинні феєрверки тривають лише тисячні частки секунди й можуть нести величезну кількість енергії -- достатню, щоб на короткий час перевершити сяяння цілих галактик.

З часу відкриття першого швидкого радіосплеску (FRB) у 2007 році, астрономи вже виявили тисячі FRB, розташування яких варіюється від нашої галактики до 8 мільярдів світлових років від неї. Як саме запускаються ці космічні радіоспалахи, залишається дуже спірним питанням.

Тепер астрономи визначили походження принаймні одного швидкого радіосплеску за допомогою нового методу, який може бути застосований і для інших FRB. У своєму новому дослідженні, опублікованому в журналі Nature, команда зосередилася на FRB 20221022A -- швидкому радіосплеску, який раніше був зафіксований з галактики на відстані близько 200 мільйонів світлових років від нас.

Дослідники зосередилися на визначенні точного місця розташування радіосигналу, проаналізувавши його "сцинтиляцію", подібно до того, як мерехтять зорі в нічному небі. Вчені вивчили зміни яскравості FRB і визначили, що сплеск мав відбутися в безпосередній близькості від його джерела, а не набагато далі, як передбачали деякі моделі.

За оцінками команди, FRB 20221022A вибухнув з області, яка знаходиться дуже близько до обертової нейтронної зорі, максимум на відстані 10 000 кілометрів. Це менше, ніж відстань між Нью-Йорком і Сінгапуром. На такій близькій відстані сплеск, ймовірно, стався в магнітосфері нейтронної зорі -- високомагнітній області, що безпосередньо оточує ультракомпактну зорю.

В MIT зазначають: результати дослідження є першим переконливим доказом того, що швидкий радіосплеск може походити з магнітосфери -- високомагнітного середовища, що безпосередньо оточує ультракомпактний об′єкт.

"У цьому середовищі нейтронних зірок магнітні поля дійсно знаходяться на межі того, що може створити Всесвіт", - каже провідний автор Кензі Німмо, постдок в Інституті астрофізики і космічних досліджень ім. Кавлі при MIT. "Було багато суперечок про те, чи може це яскраве радіовипромінювання взагалі вийти з цієї екстремальної плазми".

"Навколо цих високомагнітних нейтронних зірок, також відомих як магнетари, атоми не можуть існувати -- їх би просто розірвало на частини магнітними полями", - каже Кійоші Масуї, доцент кафедри фізики в MIT. "Найцікавіше те, що ми виявили, що енергія, накопичена в цих магнітних полях, поблизу джерела, викривляється та змінює конфігурацію таким чином, що може вивільнятися у вигляді радіохвиль, які ми можемо бачити на півдорозі всього Всесвіту".

Розмір сплеску

Кількість виявлень швидких радіосплесків зросло останніми роками завдяки Канадському експерименту з картування інтенсивності водню (CHIME). Масив цього радіотелескопа складається з чотирьох великих стаціонарних приймачів, кожен з яких має форму напівтруби, налаштованих на виявлення радіовипромінювання в діапазоні, який є дуже чутливим до швидких радіосплесків.

З 2020 року CHIME виявив тисячі FRB зі всього Всесвіту. Хоча вчені загалом погоджуються, що сплески виникають від надзвичайно компактних об′єктів, точна фізика, яка керує FRB, незрозуміла. Деякі моделі передбачають, що швидкі радіосплески повинні походити з турбулентної магнітосфери, що безпосередньо оточує компактний об′єкт, тоді як інші передбачають, що сплески повинні виникати набагато далі, як частина ударної хвилі, що поширюється в напрямку від центрального об′єкта.

Щоб розрізнити ці два сценарії та визначити, де виникають швидкі радіосплески, команда розглянула сцинтиляцію -- ефект, який виникає, коли світло від невеликого яскравого джерела, такого як зоря, фільтрується крізь певне середовище, наприклад, газ галактики. Коли зоряне світло фільтрується крізь газ, воно викривляється так, що віддаленому спостерігачеві здається, ніби зоря мерехтить. Чим менший або віддаленіший об′єкт, тим сильніше він мерехтить. Світло від більших або ближчих об′єктів, таких як планети нашої Сонячної системи, зазнає меншого викривлення, і тому не здається мерехтливим.

Команда вирішила, що якщо вони зможуть оцінити ступінь сцинтиляції FRB, вони зможуть визначити відносний розмір області, звідки він походить. Чим менша область, тим ближче сплеск буде до свого джерела, і тим імовірніше, що він походить з магнітно-турбулентного середовища. Чим більша область, тим далі буде сплеск, що підтверджує ідею про те, що FRB походять від далеких ударних хвиль.

Мерехтливий патерн

Для перевірки своєї ідеї, дослідники звернулися до FRB 20221022A -- швидкого радіосплеску, який був зафіксований CHIME у 2022 році. Сигнал триває близько двох мілісекунд і за своєю яскравістю є відносно звичайним FRB. Однак учасники команди з Університету Макгілла виявили, що FRB 20221022A мав одну особливу властивість: світло від сплеску було сильно поляризоване, причому кут поляризації мав вигляд плавної S-подібної кривої. Цей патерн інтерпретується як доказ того, що місце випромінювання FRB обертається -- характеристика, яку раніше спостерігали у пульсарів, сильно намагнічених обертових нейтронних зірок.

Подібну поляризацію у швидких радіосплесках було виявлено вперше, що дозволяє припустити, що сигнал міг виникнути в безпосередній близькості від нейтронної зорі. Результати команди МакГілла були опубліковані в супровідній статті в журналі Nature.

Команда MIT зрозуміла, що якщо FRB 20221022A походить зблизька до нейтронної зорі, вони зможуть довести це, використовуючи сцинтиляцію.

У своєму новому дослідженні Німмо та її колеги проаналізували дані з CHIME та спостерігали різкі коливання яскравості, які сигналізували про сцинтиляцію -- іншими словами, FRB мерехтів. Вони підтвердили, що десь між телескопом і FRB є газ, який викривляє й фільтрує радіохвилі. Потім команда визначила, де цей газ може бути розташований, підтвердивши, що газ у галактиці-господарі FRB відповідальний за частину спостережуваних сцинтиляцій. Цей газ діяв як природна лінза, що дозволило дослідникам наблизити місце розташування FRB і визначити, що сплеск походить з надзвичайно маленької області, ширина якої оцінюється приблизно в 10 000 кілометрів.

"Це означає, що FRB, ймовірно, знаходиться в межах сотень тисяч кілометрів від джерела", - каже Німмо. "Це дуже близько. Для порівняння, ми б очікували, що сигнал був би на відстані понад десятки мільйонів кілометрів, якби він походив від ударної хвилі, і ми б взагалі не побачили сцинтиляції".

"Збільшити масштаб до 10 000-кілометрової області з відстані 200 мільйонів світлових років -- це все одно, що виміряти на поверхні Місяця ширину спіралі ДНК, яка має ширину близько 2 нанометрів", - каже Масуї. "Тут залучений дивовижний діапазон масштабів".

Результати команди, в поєднанні з висновками команди МакГілла, виключають можливість того, що FRB 20221022A з′явився з околиць компактного об′єкта. Натомість дослідження вперше доводять, що швидкі радіосплески можуть виникати дуже близько до нейтронної зорі, у дуже хаотичному магнітному середовищі.

"Ці сплески відбуваються постійно, і CHIME реєструє їх по кілька на день", - каже Масуї. "Може існувати велика різноманітність у тому, як і де вони відбуваються, і ця сцинтиляційна техніка буде дуже корисною, щоб допомогти розібратися з різними фізичними процесами, які керують цими сплесками".

• Швидкі радіосплески