Астрономы только что сделали гигантский скачок в решении причудливой космической загадки

У быстрых радиовсплесков есть история происхождения, и мы все ближе к тому, чтобы узнать, что это такое.

Отредактировано 2023-15-06
Космическая фотография

Что приходит на ум, когда вы пытаетесь представить себе самый мощный объект во Вселенной? Может быть, атомная бомба или сверхмощное солнце, верно? Позвольте представить вам Быстрый радиовсплеск: странное явление, которое длится всего несколько тысячных долей секунды, но может излучать больше энергии, чем Солнце за 80 лет. Тысячи FRB вспыхивают в космосе в любой момент времени, но для такого вездесущего и мощного явления мы почти ничего не знаем о том, как и почему они образуются. Во многом это связано с тем, что с момента их первого обнаружения в 2007 году ученые так и не смогли точно определить, откуда они берутся. Выбрасываются ли они черными дырами? Являются ли они продолжением нестабильных звезд? Может быть, это знаки разумных инопланетян, которые пытаются общаться с нами?

Мы только что сделали огромный шаг вперед в решении этого вопроса. В исследовании, опубликованном в четверг в журнале Science, международная команда сообщает о первой в истории локализации точки происхождения неповторяющегося FRB. "Это был первый [FRB], когда мы и нашли его, и имели нужный тип данных для его локализации", - говорит Кит Баннистер, астроном из Австралийской организации научных и промышленных исследований Содружества (CSIRO) и ведущий автор новой работы. "Нам пришлось создать в телескопе режим, который мы назвали "воспроизведением живого действия", чтобы локализовать этот FRB".

Эта система "воспроизведения живого действия" может стать той революционной инновацией, которая нам необходима для того, чтобы наконец-то выяснить, какие странные космические явления производят и запускают FRB в остальную часть Вселенной.

"Это действительно великое открытие", - говорит Брайан Метцгер, астрофизик из Колумбийского университета в Нью-Йорке, который не принимал участия в исследовании. "Я не хочу сравнивать их напрямую, но в некотором смысле локализация стоит 100 событий, когда мы не знаем, откуда они исходят. Вы можете получить так много контекста".

В центре внимания - FRB 180924, уже 86-й FRB, обнаруженный астрономами. Такие сигналы, как известно, скоротечны, и этот сигнал длился всего 1,3 миллисекунды - едва ли это можно назвать всплеском для человеческого разума.

Теории о том, что производит эти сигналы, включают традиционные объяснения, такие как черные дыры, нейтронные звезды или высокоэнергетические сверхновые, а также более необычные варианты, такие как блицары (гипотетическая версия пульсара) или коллапсы темной материи. И да, иногда люди предполагают, что они могут исходить от инопланетян. Одна из наиболее восхваляемых теорий последних лет была выдвинута Метцгером и несколькими его коллегами, которые предположили, что FRBs - это эффект гиперактивных вспышек от молодых магнетаров (нейтронных звезд, сопровождаемых сверхмощными магнитными полями).

Справедливости ради следует отметить, что на самом деле это не первый FRB в истории. В 2017 году ученым удалось определить родную галактику для повторяющегося FRB, FRB 121102 (одного из всего двух наблюдаемых в истории). Несмотря на сложность задачи, повторные обнаружения дали астрономам подсказку, где искать, и в итоге они определили, что это слабая карликовая галактика на расстоянии 3 миллиардов световых лет от нас с высокой скоростью звездообразования.

Как вы можете себе представить, единичные FRB еще сложнее найти. "Главное - иметь телескоп, который может как находить FRB, так и быть достаточно большим, с точки зрения расстояния между антеннами, для их локализации", - говорит Баннистер. "Предыдущие телескопы обладали одним или другим, но не обоими".

У CSIRO есть хитрость в рукаве, которая делает эту задачу возможной: Австралийский квадратный километровый массив (ASKAP), 36-лучевой радиотелескоп, расположенный в Западной Австралии. В прошлом все антенны ASKAP обычно были направлены в разные стороны, что мешало попыткам более точно определить характеристики сигнала, включая точку его происхождения.

Очевидно, что простым решением этой проблемы была перестановка антенн ASKAP таким образом, чтобы все они были направлены на одну и ту же часть неба. Но Баннистер и его команда также предприняли дополнительные шаги по усовершенствованию систем, обеспечивающих сбор данных о FRB, настроив оборудование так, чтобы оно могло производить миллиард различных измерений в секунду, и создав новое программное обеспечение, способное обрабатывать эти данные в режиме реального времени.

радиотелескопы под млечным путемГалактика Млечный Путь простирается над основной группой АСКАП CSIRO. CSIRO/Алекс Черни

Вот как работает система "воспроизведения живого действия": как только ASKAP обнаруживает FRB, сбор данных останавливается, и программное обеспечение загружает все необработанные данные, собранные каждой антенной за последние три секунды. На самом деле исходный сигнал приходит на каждую радиотарелку в разное время, и астрономы могут использовать эти доли наносекундной задержки для оценки положения FRB с точностью около 0,1 арксекунды - "что эквивалентно человеческому волосу на расстоянии 200 метров", - говорит Баннистер.

Затем команда получила изображение исходной точки и измерила расстояние с помощью трех самых мощных наземных телескопов Земли (Очень большого телескопа Европейской южной обсерватории в Чили, телескопа Кека на Гавайях и телескопа Gemini South в Чили).

В результате мы теперь знаем, что FRB 180924 находится на внешнем краю галактики, расположенной на расстоянии 3,6 миллиарда световых лет в созвездии Груша, сравнимой по размеру, форме и светимости с Млечным Путем. Как и в случае с другими FRB, межзвездный газ вызвал периодическое замедление FRB 180924 за счет эффекта, называемого "дисперсией". Астрономы могут использовать дисперсию как способ определить, через какой газ и в каком количестве FRB проскочил на своем пути к Земле, что дает нам некоторое представление о том, какая материя находится между точкой А и точкой Б и какой путь проделал сигнал.

"Для неповторяющегося FRB у нас есть один шанс найти его и измерить его положение, и команда ASKAP сделала это великолепно", - говорит Шрихарш Тендулкар, астроном из Университета Макгилла в Монреале, который не принимал участия в исследовании.

Возникает некоторая путаница при попытке согласовать эту новую точку происхождения с карликовой галактикой, в которой находится FRB 121102. Трудно представить, что обе галактики производят один и тот же тип необъяснимо высокоэнергетических явлений, когда разница в размерах и светимости между ними 1000-кратная.

"Если уж на то пошло, это открытие породило еще больше вопросов", - говорит Баннистер. "Теперь мы знаем, что FRB могут происходить в довольно пассивных частях Вселенной. Ранее мы считали, что для возникновения FRB необходимо активное звездообразование". Он считает, что новые результаты опровергают несколько моделей: тот факт, что FRB 180924 исходит с окраины своей галактики, ставит под сомнение теорию о том, что сверхмассивные черные дыры, расположенные в центре галактик, являются обычным источником. Очень молодые звезды, такие как молодые магнетары, образовавшиеся после сверхновых, вероятно, тоже не учитываются, как и любые объяснения, не требующие какого-либо галактического тела. "Мы должны вернуться к чертежной доске, чтобы понять, как FRB могут возникать в таком широком диапазоне сред".

Не все убеждены, что новые результаты исследования требуют радикального изменения наших современных теорий FRB. Джеймс Кордес, астроном из Корнельского университета, не принимавший участия в исследовании, считает, что нейтронные звезды, особенно магнетары, по-прежнему являются наиболее вероятным источником образования FRB. Самое главное последствие, по его словам, связано с теорией о том, что FRB образуются в сверхъярких сверхновых, которые преимущественно формируются в карликовых галактиках с низкой концентрацией металлов. "Возможно, в какой-то степени это все еще верно, но новый FRB и его галактика представляют собой возможный контрпример", - говорит он.

Существует также возможность того, что повторяющиеся и неповторяющиеся FRBs просто управляются разными моделями. "Найти молодой магнетар на окраине массивной галактики со старыми звездами - все равно что найти кита в Сахаре", - говорит Тендулкар. "Конечно, еще очень рано, но это может навести на мысль, что повторяющиеся и неповторяющиеся FRB имеют совершенно разное происхождение", и что модель магнетара справедлива только для последних.

Сам Метцгер не считает, что полученные результаты полностью исключают магнетары. Возможно, магнетары более разнообразны и образуются в большем количестве космических сценариев, чем предполагалось ранее. "Возможно, существует больше возможных способов создания этих магнетаров, производящих FRB", - говорит он. "И у природы может быть более одного способа произвести быстрый радиовсплеск".

Мы сможем ответить на эти вопросы только после того, как соберем больше данных о FRB, но совершенно ясно, что Баннистер и его команда проложили новый путь для глубокого исследования этих явлений. Локализация точки возникновения дает гораздо более узкое окно для определения того, какие объекты на месте преступления могли выстрелить. Более того, ученые могут использовать дисперсию FRB как более надежный способ составить карту распределения материи во Вселенной, что должно стать благом для ответа на некоторые космологические вопросы. "Такой подход - это волна будущего", - говорит Кордес.

(Только не надейтесь, что кто-то скажет, что это инопланетяне. Это никогда не инопланетяне).