Ученые выяснили происхождение быстрого радиовсплеска

Астрономы установили, что быстротечный космический фейерверк, скорее всего, возник в турбулентной магнитосфере вокруг далекой нейтронной звезды.

Об этом рассказывают в Массачусетском технологическом институте (MIT), передают OstanniPodii.com.

Быстрые радиовсплески -- это короткие и яркие взрывы радиоволн, излучаемых чрезвычайно компактными объектами, такими как нейтронные звезды и, возможно, черные дыры. Эти быстротечные фейерверки длятся лишь тысячные доли секунды и могут нести огромное количество энергии -- достаточное, чтобы на короткое время превзойти сияние целых галактик.

Со времени открытия первого быстрого радиовсплеска (FRB) в 2007 году, астрономы уже обнаружили тысячи FRB, расположение которых варьируется от нашей галактики до 8 миллиардов световых лет от нее. Как именно запускаются эти космические радиовспышки, остается очень спорным вопросом.

Теперь астрономы определили происхождение по крайней мере одного быстрого радиовсплеска с помощью нового метода, который может быть применен и для других FRB. В своем новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, команда сосредоточилась на FRB 20221022A -- быстром радиовсплеске, который ранее был зафиксирован из галактики на расстоянии около 200 миллионов световых лет от нас.

Исследователи сосредоточились на определении точного местоположения радиосигнала, проанализировав его "сцинтилляцию", подобно тому, как мерцают звезды в ночном небе. Ученые изучили изменения яркости FRB и определили, что всплеск должен был произойти в непосредственной близости от его источника, а не намного дальше, как предсказывали некоторые модели.

По оценкам команды, FRB 20221022A взорвался из области, которая находится очень близко к вращающейся нейтронной звезде, максимум на расстоянии 10 000 километров. Это меньше, чем расстояние между Нью-Йорком и Сингапуром. На таком близком расстоянии всплеск, вероятно, произошел в магнитосфере нейтронной звезды -- высокомагнитной области, непосредственно окружающей ультракомпактную звезду.

В MIT отмечают: результаты исследования являются первым убедительным доказательством того, что быстрый радиовсплеск может происходить из магнитосферы -- высокомагнитной среды, непосредственно окружающей ультракомпактный объект.

"В этой среде нейтронных звезд магнитные поля действительно находятся на грани того, что может создать Вселенная", - говорит ведущий автор Кензи Ниммо, постдок в Институте астрофизики и космических исследований им. Кавли при MIT. "Было много споров о том, может ли это яркое радиоизлучение вообще выйти из этой экстремальной плазмы".

"Вокруг этих высокомагнитных нейтронных звезд, также известных как магнетары, атомы не могут существовать -- их бы просто разорвало на части магнитными полями", - говорит Кийоши Масуи, доцент кафедры физики в MIT. "Самое интересное то, что мы обнаружили, что энергия, накопленная в этих магнитных полях, вблизи источника, искривляется и меняет конфигурацию таким образом, что может высвобождаться в виде радиоволн, которые мы можем видеть на полпути всей Вселенной".

Размер всплеска

Количество обнаружений быстрых радиовсплесков возросло в последние годы благодаря Канадскому эксперименту по картированию интенсивности водорода (CHIME). Массив этого радиотелескопа состоит из четырех больших стационарных приемников, каждый из которых имеет форму полутрубы, настроенных на обнаружение радиоизлучения в диапазоне, являющимся очень чувствительным к быстрым радиовсплескам.

С 2020 года CHIME обнаружил тысячи FRB со всей Вселенной. Хотя ученые в целом соглашаются, что всплески возникают от чрезвычайно компактных объектов, точная физика, которая управляет FRB, непонятна. Некоторые модели предполагают, что быстрые радиовсплески должны происходить из турбулентной магнитосферы, непосредственно окружающей компактный объект, тогда как другие предполагают, что всплески должны возникать гораздо дальше, как часть ударной волны, распространяющейся по направлению от центрального объекта.

Чтобы различить эти два сценария и определить, где возникают быстрые радиовсплески, команда рассмотрела сцинтилляцию -- эффект, который возникает, когда свет от небольшого яркого источника, такого как звезда, фильтруется сквозь определенную среду, например, газ галактики. Когда звездный свет фильтруется сквозь газ, он искривляется так, что удаленному наблюдателю кажется, будто звезда мерцает. Чем меньше или дальше объект, тем сильнее он мерцает. Свет от более крупных или близких объектов, таких как планеты нашей Солнечной системы, испытывает меньшее искажение, и поэтому не кажется мерцающим.

Команда решила, что если они смогут оценить степень сцинтилляции FRB, они смогут определить относительный размер области, откуда он происходит. Чем меньше область, тем ближе всплеск будет к своему источнику, и тем вероятнее, что он происходит из магнитно-турбулентной среды. Чем больше область, тем дальше будет всплеск, что подтверждает идею о том, что FRB происходят от далеких ударных волн.

Мерцающий паттерн

Для проверки своей идеи, исследователи обратились к FRB 20221022A -- быстрому радиовсплеску, который был зафиксирован CHIME в 2022 году. Сигнал длится около двух миллисекунд и по своей яркости является относительно обычным FRB. Однако участники команды из Университета МакГилла обнаружили, что FRB 20221022A имел одно особое свойство: свет от всплеска был сильно поляризован, причем угол поляризации имел вид плавной S-образной кривой. Этот паттерн интерпретируется как доказательство того, что место излучения FRB вращается -- характеристика, которую ранее наблюдали у пульсаров, сильно намагниченных вращающихся нейтронных звезд.

Подобная поляризация в быстрых радиовсплесках была обнаружена впервые, что позволяет предположить, что сигнал мог возникнуть в непосредственной близости от нейтронной звезды. Результаты команды МакГилла были опубликованы в сопроводительной статье в журнале Nature.

Команда MIT поняла, что если FRB 20221022A происходит вблизи нейтронной звезды, они смогут доказать это, используя сцинтилляцию.

В своем новом исследовании Ниммо и ее коллеги проанализировали данные от CHIME и наблюдали резкие колебания яркости, которые сигнализировали о сцинтилляции -- другими словами, FRB мерцал. Они подтвердили, что где-то между телескопом и FRB есть газ, который искажает и фильтрует радиоволны. Затем команда определила, где этот газ может быть расположен, подтвердив, что газ в галактике-хозяине FRB ответственен за часть наблюдаемых сцинтилляций. Этот газ действовал как естественная линза, что позволило исследователям приблизить местоположение FRB и определить, что всплеск происходит из чрезвычайно маленькой области, ширина которой оценивается примерно в 10 000 километров.

"Это означает, что FRB, вероятно, находится в пределах сотен тысяч километров от источника", - говорит Ниммо. "Это очень близко. Для сравнения, мы бы ожидали, что сигнал был бы на расстоянии более десятков миллионов километров, если бы он происходил от ударной волны, и мы бы вообще не увидели сцинтилляции".

"Увеличить масштаб до 10 000-километровой области с расстояния 200 миллионов световых лет -- это все равно, что измерить на поверхности Луны ширину спирали ДНК, которая имеет ширину около 2 нанометров", - говорит Масуи. "Здесь задействован удивительный диапазон масштабов".

Результаты команды, в сочетании с выводами команды МакГилла, исключают возможность того, что FRB 20221022A появился из окрестностей компактного объекта. Вместо этого исследования впервые доказывают, что быстрые радиовсплески могут возникать очень близко к нейтронной звезде, в очень хаотичной магнитной среде.

"Эти всплески происходят постоянно, и CHIME регистрирует их по несколько в день", - говорит Масуи. "Может существовать большое разнообразие в том, как и где они происходят, и эта сцинтилляционная техника будет очень полезной, чтобы помочь разобраться с различными физическими процессами, которые управляют этими всплесками".

• Быстрые радиовсплески