Астрономи виявили радіохвилі з регулярним ритмом, походження яких невідоме

Команда астрономів виявила цікаві, швидкі радіо-сплески з повторюваним ритмом, що виходять з невідомого джерела поза нашою галактикою, за 500 мільйонів світлових років.

Про це розповідається в прес-релізі Массачусетського технологічного інституту (MIT).

Швидкі радіо-сплески або ШРС (FRB) – це короткі, інтенсивні сплески радіохвиль, які, як вважають, виробляються невеликими, далекими, надзвичайно щільними об'єктами, хоча те, що може бути цими об'єктами, є давньою загадкою в астрофізиці. ШРС зазвичай тривають кілька мілісекунд, впродовж яких вони можуть затьмарити цілі галактики.

З моменту виявленого першого ШРС у 2007 році, астрономи зареєстрували понад 100 швидких радіо-сплесків із далеких джерел, розсіяних по всьому Всесвіту, поза нашою власною галактикою. Здебільшого ці виявлення були одноразовими, які миготіли незадовго до повного зникнення. У небагатьох випадках астрономи спостерігали швидкі радіо-сплески кілька разів від одного й того ж джерела, хоча й без розрізнюваного патерну.

Це нове джерело ШРС, яке команда астрономів внесла у каталог під назвою FRB 180916.J0158+65, є першим, що створює періодичний або циклічний патерн швидких радіо-сплесків. Патерн починається з шумливого чотириденного вікна, під час якого джерело випромінює випадкові сплески радіохвиль, з подальшим 12-денним періодом радіо-тиші.

Астрономи помітили, що цей 16-денний патерн швидких радіо-сплесків постійно повторювався протягом 500 днів спостережень.

«Цей ШРС, про який ми зараз повідомляємо, - це як механізм годинника, – каже Кійосі Масуї, доцент фізики в Інституті астрофізики та космічних досліджень MIT в Кавлі. – Це найбільш визначений патерн, що ми бачили з одного з цих джерел. І це велика підказка, яку ми можемо використати, щоб почати переслідування тієї фізики, що спричиняє ці яскраві сплески, яких ніхто насправді не розуміє.»

Масуї є членом колаборації CHIME/FRB, групи з понад 50 вчених, очолюваної Університетом Британської Колумбії, Університетом Макгілла, Університетом Торонто та Національною дослідницької ради Канади. Ця група вчених оперує та аналізує дані, отримані з Канадського експерименту з картування інтенсивності впливу водню, або CHIME, радіотелескопу у Британській Колумбії, який першим отримав сигнали від нового періодичного джерела ШРС.

Колоборація CHIME/FRB опублікувала подробиці нового спостереження в журналі «Nature».

Радіо погляд

CHIME був зведений у 2017 році в радіо-астрофізичній обсерваторії Домініон у Британській Колумбії, де незабаром почав виявляти швидкі радіо-сплески з галактик по всьому Всесвіту, за мільярди світлових років від Землі.

CHIME складається з чотирьох великих антен, кожна з яких розміром і формою, як сноубординговий хаф-пайп, і спроектована без рухомих частин. Замість того, щоб поворотно фокусуватися на різних частинах неба, CHIME пильно дивиться на все небо, а для того, щоб точно визначити область космосу, звідки походять радіохвилі, використовує цифрову обробку сигналів.

З вересня 2018 року по лютий 2020-го CHIME вибрав 38 швидких радіо-сплесків із одного джерела, FRB 180916.J0158+65, який астрономи простежили до зоряно-збовтувального регіону на околиці масивної спіральної галактики, за 500 мільйонів світлових років від Землі. Джерело є найактивнішим джерелом ШРС, яке виявив CHIME, і до недавнього часу воно було найближчим до Землі джерелом ШРС.

По мірі того, як дослідники креслили діаграму з кожним із 38 сплеском і часом, почав утворюватися патерн: один чи два сплески відбуваються протягом чотирьох днів, після чого триває 12-денний період без будь-яких сплесків, після чого патерн повторюється. Цей 16-денний цикл повторювався знову і знову протягом 500 днів, коли вони спостерігали джерело.

«Ці періодичні сплески - це те, чого ми ще ніколи не бачили, і це нове явище в астрофізиці», - каже Масуї.

Сценарії повторювання

Сам феномен, який стоїть за цим новим позагалактичним ритмом, зовсім невідомий, хоча команда пропонує деякі ідеї у своїй роботі. Одна з них полягає в тому, що спалахи можуть надходити від одного компактного об’єкта, такого як нейтронна зірка, яка одночасно і обертається і коливається – астрофізичне явище, відоме як прецесія. Якщо припустити, що радіохвилі походять із фіксованого місцеположення на об'єкті, якщо об’єкт обертається вздовж осі і ця вісь направлена до Землі кожні 4 із 16 днів, то ми б спостерігали радіохвилі як періодичні сплески.

Інша причиною передбачається бінарна система, така як нейтронна зірка, що обертається навколо іншої нейтронної зірки або чорної діри. Якщо перша нейтронна зірка випромінює радіохвилі і знаходиться на ексцентричній орбіті, яка ненадовго наближає її до другого об'єкта, припливи між цими двома об'єктами можуть бути досить сильними, щоб змусити першу нейтронну зірку деформуватися і здійснити короткий спалах, перш ніж вона відійде. Цей патерн повториться, коли нейтронна зірка відкотиться назад по своїй орбіті.

Дослідники розглянули третій сценарій, за яким передбачається джерело радіовипромінювання, що обертається навколо зірки. Якщо зірка випускає вітер або хмару з газу, то кожного разу, коли джерело проходить через цю хмару, газ із хмари може періодично збільшувати радіовипромінювання джерела.

«Можливо, джерело завжди випускає ці сплески, але ми бачимо їх лише тоді, коли вони проходять через ці хмари, тому що хмари виступають як лінзи», - каже Масуї.

Мабуть, найбільш хвилюючою причиною вбачається те, що ця нова ШРС, і навіть ті, які не є періодичними і навіть не повторюються, може походити від магнітарів – типу нейтронних зірок, які, як вважають, мають надзвичайно потужне магнітне поле. Подробиці щодо магнітарів до сих пір є загадкою, але астрономи відмічають, що вони час від часу випускають величезну кількість випромінювання у всьому електромагнітному спектрі, включаючи енергію в радіодіапазоні.

Масуї розповів, що вчені працювали над тим, яким чином ці магнітари випромінюють швидкі радіо-сплески з цією періодичністю, яку вони спостерігали, моделюючи це, щоб з'ясувати, як все поєднується разом.

Зовсім недавно ця ж група вчених зробила нове спостереження, яке підтримує ідею про те, що магнітари насправді можуть бути життєздатним джерелом для швидких радіо-сплесків. Наприкінці квітня CHIME прийняв сигнал, який був схожий на швидкий радіо-сплеск, що виходив від яскравого магнітара, приблизно за 30 тисяч світлових років від Землі. Якщо сигнал буде підтверджений, це був би перший ШРС, виявлений у нашій власній галактиці, а також найбільш переконливі свідчення того, що магнітари є джерелами цих таємничих космічних спалахів.

Читайте ще цікаві новини про космос.