13.01.2025. - Выяснили происхождение быстрых радиовсплесков

Выяснили происхождение быстрых радиовсплесков

Быстрые радиовсплески - это короткие и яркие вспышки радиоволн, испускаемых чрезвычайно компактными объектами, такими как нейтронные звезды и, возможно, черные дыры. Эти мимолетные фейерверки длятся всего тысячную долю секунды и могут нести в себе огромное количество энергии — достаточно, чтобы на короткое время затмить целые галактики.

С тех пор как в 2007 году был обнаружен первый быстрый радиовсплеск (FRB), астрономы обнаружили тысячи FRB, местоположение которых варьируется от в пределах нашей галактики до расстояния в 8 миллиардов световых лет. Как именно запускаются эти космические радиовсплески, остается весьма спорным.

Теперь астрономы Массачусетского технологического института установили происхождение по крайней мере одного быстрого радиовсплеска, используя новую технику, которая могла бы сделать то же самое для других FRB. В своем новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, команда сосредоточилась на FRB 20221022A — ранее обнаруженном быстром радиовсплеске, который был обнаружен в галактике, удаленной от нас на расстояние около 200 миллионов световых лет.

Команда продолжила работу над определением точного местоположения радиосигнала, проанализировав его "мерцание", подобное тому, как мерцают звезды на ночном небе. Ученые изучили изменения яркости FRB и определили, что вспышка, должно быть, произошла в непосредственной близости от его источника, а не намного дальше, как предсказывали некоторые модели.

По оценкам команды, FRB 20221022A взорвался в области, расположенной очень близко к вращающейся нейтронной звезде, на расстоянии не более 10 000 километров. Это меньше, чем расстояние между Нью-Йорком и Сингапуром. На таком близком расстоянии вспышка, вероятно, возникла в магнитосфере нейтронной звезды — высокомагнитной области, непосредственно окружающей ультракомпактную звезду.

Результаты работы команды являются первым убедительным доказательством того, что быстрый радиовсплеск может исходить из магнитосферы - высокомагнитной среды, непосредственно окружающей чрезвычайно компактный объект.

"В окружении нейтронных звезд магнитные поля действительно находятся на пределе того, что может создать Вселенная", - говорит ведущий автор Кензи Ниммо, постдок Института астрофизики и космических исследований Кавли Массачусетского технологического института. "Было много споров о том, может ли это яркое радиоизлучение вообще исходить из такой экстремальной плазмы".

"Вокруг этих высокомагнитных нейтронных звезд, также известных как магнетары, атомы существовать не могут — они просто были бы разорваны на части магнитными полями", - говорит Киеси Масуи, доцент кафедры физики Массачусетского технологического института.

"Самое интересное здесь то, что мы обнаружили, что энергия, накопленная в этих магнитных полях вблизи источника, скручивается и перестраивается таким образом, что она может высвобождаться в виде радиоволн, которые мы можем видеть на другом конце Вселенной".

Соавторами исследования в Массачусетском технологическом институте являются Адам Ланман, Шион Эндрю, Даниэле Мичилли и Кейтлин Шин, а также сотрудники из нескольких институтов.

Размер пакета

В последние годы участились случаи обнаружения быстрых радиовсплесков благодаря канадскому эксперименту по картированию интенсивности излучения водорода (CHIME). Радиотелескоп состоит из четырех больших стационарных приемников, каждый из которых имеет форму полукруглой трубы и настроен на обнаружение радиоизлучений в диапазоне, который очень чувствителен к быстрым радиовсплескам.

С 2020 года CHIME обнаружил тысячи FRB со всей Вселенной. Хотя ученые в целом сходятся во мнении, что всплески возникают из-за чрезвычайно компактных объектов, точная физика, управляющая этими всплесками, неясна.

Некоторые модели предсказывают, что быстрые радиовсплески должны исходить из турбулентной магнитосферы, непосредственно окружающей компактный объект, в то время как другие предсказывают, что всплески должны исходить гораздо дальше, как часть ударной волны, распространяющейся от центрального объекта.

Чтобы провести различие между этими двумя сценариями и определить, где возникают быстрые радиовсплески, команда ученых рассмотрела сцинтилляцию — эффект, возникающий, когда свет от небольшого яркого источника, такого как звезда, проникает через некоторую среду, такую как газ галактики.

Когда звездный свет проникает сквозь газ, он изгибается таким образом, что удаленному наблюдателю кажется, будто звезда мерцает. Чем меньше или чем дальше находится объект, тем сильнее он мерцает. Свет, исходящий от более крупных или близких объектов, таких как планеты нашей собственной Солнечной системы, испытывает меньшее искривление, и поэтому кажется, что он не мерцает.

Команда пришла к выводу, что если бы они могли оценить степень мерцания FRB, то могли бы определить относительный размер региона, из которого исходит FRB. Чем меньше область, тем ближе вспышка была бы к ее источнику и тем больше вероятность того, что она произошла из среды с магнитной турбулентностью. Чем больше область, тем дальше была бы вспышка, что подтверждает идею о том, что всплески происходят от удаленных ударных волн.

Мерцающий узор

Чтобы проверить свою идею, исследователи обратились к FRB 20221022A, быстрому радиовсплеску, который был обнаружен CHIME в 2022 году. Сигнал длится около двух миллисекунд и по своей яркости является относительно обычным FRB-сигналом.

Однако сотрудники команды из Университета Макгилла обнаружили, что FRB 20221022A обладает одним выдающимся свойством. Свет от вспышки был сильно поляризован, причем угол поляризации описывал плавную S-образную кривую. Эта картина интерпретируется как свидетельство того, что место излучения FRB вращается — особенность, ранее наблюдавшаяся у пульсаров, которые являются сильно намагниченными вращающимися нейтронными звездами.

Подобная поляризация в быстрых радиовсплесках наблюдалась впервые, что позволяет предположить, что сигнал мог исходить от нейтронной звезды, расположенной в непосредственной близости. Результаты работы команды Макгилла опубликованы в сопроводительной статье в журнале Nature.

Команда Массачусетского технологического института поняла, что если FRB 20221022A возникла вблизи нейтронной звезды, они должны быть в состоянии доказать это с помощью сцинтилляции.

В своем новом исследовании Ниммо и ее коллеги проанализировали данные CHIME и наблюдали резкие изменения яркости, которые сигнализировали о мерцании — другими словами, FRB мерцал. Они подтвердили, что где-то между телескопом и FRB находится газ, который изгибает и фильтрует радиоволны.

Затем команда определила, где может находиться этот газ, подтвердив, что газ в галактике-хозяине FRB был ответственен за некоторые наблюдаемые мерцания. Этот газ действовал как естественная линза, позволив исследователям увеличить изображение на участке FRB и определить, что вспышка произошла в чрезвычайно маленьком регионе, ширина которого, по оценкам, составляет около 10 000 километров.

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

"Масштабирование области протяженностью 10 000 километров с расстояния 200 миллионов световых лет подобно возможности измерить ширину спирали ДНК, ширина которой составляет около 2 нанометров, на поверхности Луны", - говорит Масуи. - Здесь задействован удивительный диапазон масштабов".

Результаты исследования в сочетании с выводами команды McGill исключают возможность того, что FRB 20221022A появился на окраине компактного объекта. Вместо этого, исследования впервые доказывают, что быстрые радиовсплески могут происходить очень близко к нейтронной звезде, в сильно хаотичной магнитной среде.

"Такие вспышки происходят постоянно, и CHIME обнаруживает несколько таких вспышек в день", - говорит Масуи. "Может быть много различий в том, как и где они происходят, и этот метод сцинтилляции будет действительно полезен, помогая разобраться в различных физических механизмах, которые управляют этими вспышками".

Источник