Що таке швидкі радіовспліски
Астрофізики змогли визначити механізм виникнення швидких радіовсплісків - сигналів, природа яких досі була невідома, так що деякі навіть вважали, що вони можуть бути сигналами інопланетних цивілізацій. Судячи з усього, швидкі радіовспліски формуються в околицях нейтронних зірок. Ми попросили астронома Сергія Попова з Державного астрономічного інституту імені Шáберга МДУ, автора книги про нейтронних зірок «Супероб'єкти», розповісти про історію дослідження швидких радіовсплісків і про те, які гіпотези про їхню природу висували вчені.
У новій статті йдеться про джерело FRB121102. Це поки єдине повторюване джерело швидких радіовсплісків.
Швидкі радіовспліски - новий загадковий астрофізичний феномен (просунутий читач може подивитися свіжий невеликий огляд англійською мовою). Їх дослідження почалося всього лише 10 років тому, коли в 2007 році Дункан Лорімер і його колеги оголосили про виявлення першого дуже потужного, але при цьому короткого (кілька мілісекунд) радіовспліска, що прийшов «з нізвідки». Тобто, як це було майже півстоліття тому з космічними гамма-сплесками, спалах не спостерігався більше ні в якому діапазоні спектру, а крім того, не представлялося можливим точно локалізувати, з чим він пов'язаний.
Перший сплеск, як і більшість наступних, виявили під час обробки архівних даних телескопа з обсерваторії «Паркс» (Parkes Observatory) в Австралії. Ця 64-метрова антена призначена, в першу чергу, для дослідження радіопульсарів. Сплеск отримав позначення FRB 010724, де FRB - Fast radio burst, а 010724 - дата: 24 липня 2001 року.
Якщо інструмент фіксує короткий одиночний сплеск радіовипромінювання, то його координати можна визначити лише з точністю близько 10 кутових хвилин. Це приблизно третина місячного диска. З астрономічної точки зору - великий майданчик, оскільки, наприклад, великий оптичний телескоп побачить там велику кількість об'єктів. Але при цьому нічого видатного в області локалізації першого сплеску не спостерігалося. Джерело могло знаходитися або зовсім близько (навіть у магнітосфері Землі!), або дуже далеко. Однак друге представлялося більш імовірним, так як сплеск характеризувався великий.
Справа в тому, що це тільки у вакуумі швидкість світла одна і та ж. Якщо ж електромагнітне випромінювання поширюється в середовищі, то швидкість хвиль різної довжини буде відрізнятися. Саме тому призма дає райдужну смужку спектру. Радіосигнали на двох різних частотах, поширюючись у космічній плазмі, мають різні швидкості. А тому сигнал на вищій частоті приходить до нас раніше. Ось ця величина «зрушення» часу приходу сигналу залежно від частоти хвилі і характеризується мірою дисперсії. Вона тим більше, чим більша щільність зарядів у середовищі, в якому поширюється сигнал, і чим більша відстань у цьому середовищі сигнал проходить.
У разі лорімерівського сплеску FRB 010724 дисперсію не можна було пояснити міжзоряним середовищем нашої Галактики - її не вистачало. Отже, джерело позакалактичне, а міра дисперсії пов'язана або з міжгалактичним середовищем, або з середовищем навколо джерела в іншій галактиці. Якщо справа в міжгалактичному середовищі, то відстань до джерела виходила близько мільярдів світлових років! Тоді у джерела колосальна радіосвітлюваність - мільярд світлим Сонця. Такого ніколи не бачили, і це непросто пояснити.
Але це ще не все. Оскільки сплеск був відкритий в рамках обробки архіву оглядових спостережень, то можна було оцінити, як часто відбуваються такі події. Виходило, що на земному небі ми мали б бачити тисячі сплесків на день. Проблема, однак, в тому, що радіотелескопи зазвичай дивляться лише на маленький п'ятачок неба, та до того ж важко виділити окремий короткий спалах, якщо він не повторюється, а точні координати (і ідентифікація з відомим джерелом) невідомі. Ось і виходило, що до 2007 року ми не знали, що на небі весь час видно радіофейєрверк: яскравий спалах щохвилини.
Про другу подію відрапортували лише в 2012 році. Тому теоретики не кинулися будувати моделі. Правда, ще в 2007 році Костянтин Постнов і я запропонували модель, в якій спалахи були пов'язані з гіпервспышками магнітарів - молодих активних нейтронних зірок з дуже сильними магнітними полями. Крім того, в нашій роботі ми звернули увагу, що темп спалахів збігається з темпом народження магнітарів, а також що якщо пульсари з великими втратами енергії обертання можуть давати спалахи, подібні гігантським імпульсам пульсара в Крабовидній туманності, але тільки більш потужні в стільки ж разів, у скільки разів більше енерговтрати, то це теж буде схоже на FRB. Були висловлені й інші припущення, в тому числі досить екзотичні, в яких спалахи FRB зв'язувалися з космічними струнами.
Ситуація змінилася влітку 2013 року, коли Торнтон і його співавтори повідомили відразу про чотири нові спалахи. Всі зрозуміли, що справа серйозна.
За кілька місяців теоретики запропонували пару дюжин моделей для пояснення швидких радіовсплісків. Там були і білі карлики, що зливаються і випаровуються чорні діри, і незвичайні подвійні системи, і поодинокі компактні об'єкти, на які падають астероїди. Не забули, звичайно, і інопланетян. «Всі побували тут», - сказав би Михайло Юрійович.
Але найбільш реалістичні моделі були пов'язані з нейтронними зірками. Ми знаємо, що ці об'єкти дають короткі радіоімпульси. Ми знаємо, що у спалаху нейтронні зірки можуть за долі секунди виділяти колосальну енергію. Однак вибрати одну модель не виходило. І навіть відкинути ряд моделей було непросто.
З'являлися нові дані спостережень. За кілька років було відкрито близько 30 джерел (їх каталог можна знайти тут). Для них вимірювалися різні параметри. Через велику значимість проблеми статті нерідко публікувалися в і. Але ясності не було.
Важливою віхою стало відкриття джерела FRB121102 - героя нової публікації. Це був перший сплеск, відкритий на 300-метровій антені в Аресібо (Пуерто-Ріко). Подальші спостереження показали, що від джерела приходять нові сплески. Причому багато - сотні! Стало ясно, що FRB - це не катастрофа. Тобто, це не випаровування чорної діри, не утворення кваркової зірки, не якийсь вид наднової, не злиття нейтронних зірок і так далі. На перший план остаточно вийшли моделі з молодими нейтронними зірками.
Спостереження повторних сплесків, у тому числі одночасно кількома радіотелескопами, дозволили дуже точно визначити координати джерела. Крім того, був виявлений постійний радіоджерело, з ним пов'язаний. Зрештою, змогли розгледіти і галактику, в якій джерело розташоване, а значить, стало можливим точне визначення енергетики спалахів, так як тепер було відомо точну відстань. Виявилося, що об'єкт знаходиться в невеликій галактиці з потужним зіроутворенням. Молоді нейтронні зірки «люблять» такі місця.
І в моделі молодого магнітара (в даному випадку мова йде про виділення енергії магнітного поля), і в моделі молодого потужного радіопульсара (який випускає енергію свого обертання) можна пояснити всі основні властивості FRB121102. Нова стаття, мабуть, підтверджує це.
У ній автори змогли дізнатися дещо нове про середовище навколо джерела. Вони виміряли лінійну поляризацію радіовипромінювання - вона виявилася 100-відсотковою, - а також змогли визначити так звану міру обертання. При поширенні в плазмі з магнітним полем площина поляризації електромагнітної хвилі повертається. Чим більше поле і чим більше в плазмі вільних електронів, тим помітніший ефект. У FRB121102 вимірюється дуже великий захід обертання, що виділяє його на тлі відомих пульсарів, магнітарів та інших джерел швидких радіовсплісків, для яких була встановлена ця величина. Дані говорять про те, що джерело сплесків знаходиться в досить щільному середовищі зі значним магнітним полем.
З одного боку, автори звертають увагу на те, що такі умови ми спостерігаємо в околиці надмасивних чорних дір. З іншого, аналогічні умови можуть бути і в дуже молодих залишках наднових в областях зіроутворення. Отже, ми знову повертаємося до того, що джерела швидких радіовсплісків пов'язані з молодими нейтронними зірками.
Важливим передбаченням моделей молодих нейтронних зірок, оточених щільною туманністю, є еволюція властивостей туманності на часах близько декількох років. Відповідно, подальші спостереження незабаром повинні перевірити це.
У такій моделі висока активність FRB121102 може пояснюватися особливою молодістю об'єкта. Скажімо, десятки років проти сотень або тисяч років у інших джерел. З часом темп витрачання (дисипації) і обертальної, і магнітної енергії неминуче падає, - що підтверджують і спостереження радіопульсарів і магнітарів, і теоретичні розрахунки, - відповідно і час між повторними сплесками має зростати. Для типового магнітара воно повинно становити десятки або навіть сотні років, а тому ми і не бачимо повторних сплесків від інших відомих джерел.
Зараз в дію введені (FAST, UTMOST, ASKAP) або вводяться (CHIME, а в майбутньому - SKA) нові радіотелескопи. Будемо сподіватися, що це дасть нові важливі результати, які дозволять вирішити загадку швидких радіовсплесків в найближчі кілька років.