Ученые MIT определили происхождение быстрого радиовсплеска

Быстрые радиовсплески — это короткие и яркие вспышки радиоволн, испускаемые чрезвычайно компактными объектами, такими как нейтронные звезды и, возможно, черные дыры. Они длятся всего тысячную долю секунды и могут нести огромное количество энергии — достаточное, чтобы на короткое время затмить целые галактики.

С момента открытия первого быстрого радиовсплеска (FRB) в 2007 году астрономы обнаружили тысячи FRB, местоположение которых варьируется от нашей галактики Млечный путь до 8 миллиардов световых лет от нас. То, как именно возникают эти космические радиовспышки, точно не выяснено.

Теперь астрономы из Массачусетского технологического института определили происхождение по крайней мере одного быстрого радиовсплеска, используя новую технику, которая может сделать то же самое для других FRB. В своем новом исследовании они сосредоточились на FRB 20221022A — быстром радиовсплеске, который был обнаружен примерно в 200 миллионах световых лет от нас.

Чтобы определить точное местоположение радиосигнала, команда астрономов проанализировала его «мерцание», подобное тому, как звезды мерцают в ночном небе. Ученые изучили изменения в яркости FRB и определили, что всплеск должен был возникнуть в непосредственной близости от источника, а не намного дальше, как предсказывали некоторые модели.

По оценкам, FRB 20221022A взорвался из области, расположенной очень близко к вращающейся нейтронной звезде, на расстоянии не более 10 000 километров. На таком близком расстоянии вспышка, вероятно, возникла в магнитосфере нейтронной звезды — высокомагнитной области, непосредственно окружающей сверхкомпактную звезду.

Результаты работы группы представляют собой первое убедительное доказательство того, что быстрый радиовсплеск может исходить из магнитосферы — высокомагнитной среды, непосредственно окружающей чрезвычайно компактный объект.

«В средах нейтронных звезд магнитные поля действительно находятся на пределе того, что может произвести Вселенная», — говорит ведущий автор Кензи Ниммо. «Было много споров о том, может ли это яркое радиоизлучение вообще вырваться из этой экстремальной плазмы».

«Вокруг нейтронных звезд с сильным магнитным полем, также известных как магнетары, атомы существовать не могут — их просто разорвет магнитными полями», — говорит Киёси Масуи, доцент кафедры физики Массачусетского технологического института. «Самое интересное здесь то, что мы обнаруживаем, что энергия, хранящаяся в этих магнитных полях, вблизи источника, скручивается и перестраивается таким образом, что ее можно высвободить в виде радиоволн, которые мы можем видеть на полпути через всю Вселенную».

Степень мерцания

В последние годы число обнаружений быстрых радиовсплесков возросло благодаря Канадскому Эксперименту по Картированию Интенсивности Водорода (CHIME). Массив радиотелескопов состоит из четырех больших стационарных приемников, каждый из которых имеет форму полутрубы, настроенных на обнаружение радиоизлучения в диапазоне, который очень чувствителен к быстрым радиовсплескам.

С 2020 года CHIME обнаружил тысячи FRB по всей Вселенной. Хотя ученые в целом согласны с тем, что всплески возникают из чрезвычайно компактных объектов, точная физика, управляющая FRB, 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 возникать гораздо дальше, как часть ударной волны, которая распространяется от центрального объекта.

Чтобы различить два сценария и определить, где возникают быстрые радиовсплески, команда ученых рассмотрела мерцание — эффект, возникающий, когда свет от небольшого яркого источника, такого как звезда, просачивается через некоторую среду, например, газ галактики.

Когда это происходит, свет преломляется таким образом, что для удаленного наблюдателя кажется, что звезда мерцает. Чем меньше или дальше находится объект, тем больше он мерцает. Свет от более крупных или более близких объектов, таких как планеты в Солнечной системе, претерпевает меньшее преломление и поэтому не кажется мерцающим.

Ученые рассуждали, что если бы они могли оценить степень мерцания FRB, они могли бы определить относительный размер области, из которой возник FRB. Чем меньше область, тем ближе всплеск будет к своему источнику, и тем больше вероятность, что он пришел из магнитно-турбулентной среды. Чем больше область, тем дальше будет всплеск, что подтверждает идею о том, что FRB возникают из далеких ударных волн.

Узор мерцания

Чтобы проверить свою идею, исследователи обратились к FRB 20221022A, быстрому радиовсплеску, который был обнаружен CHIME в 2022 году. Сигнал длится около двух миллисекунд и является относительно заурядным FRB с точки зрения его яркости. Однако ученые обнаружили, что FRB 20221022A продемонстрировал одно выдающееся свойство: свет от всплеска был сильно поляризован, а угол поляризации описывал плавную S-образную кривую. Эта картина интерпретируется как доказательство того, что место излучения FRB вращается — характеристика, ранее наблюдавшаяся у пульсаров, которые представляют собой сильно намагниченные вращающиеся нейтронные звезды.

Теперь впервые удалось увидеть подобную поляризацию в быстрых радиовсплесках, что предполагает, что сигнал мог возникнуть из непосредственной близости от нейтронной звезды.  Ученые пришли к выводу, что если FRB 20221022A произошел вблизи нейтронной звезды, они смогут доказать это с помощью сцинтилляции (мерцания).

Исследователи 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 есть газ, который изгибает и фильтрует радиоволны. Затем команда определила, где может находиться этот газ, подтвердив, что газ внутри родительской галактики FRB был ответственен за часть наблюдаемых мерцаний. Этот газ действовал как естественная линза, позволяя исследователям увеличить масштаб области FRB и определить, что всплеск произошел из чрезвычайно маленькой области, размер которой оценивается примерно в 10 000 километров.

«Это означало, что FRB, вероятно, находится в пределах сотен тысяч километров от источника», — говорит Кензи Ниммо. «Это очень близко. Для сравнения, мы бы ожидали, что сигнал будет находиться на расстоянии более десятков миллионов километров, если бы он возник из ударной волны, и мы бы вообще не увидели мерцания».

«Увеличение масштаба до области в 10 000 километров с расстояния в 200 миллионов световых лет — это как возможность измерить ширину спирали ДНК, которая составляет около 2 нанометров, на поверхности Луны. Здесь задействован удивительный диапазон масштабов».

Результаты исследования исключают возможность того, что FRB 20221022A появился на окраинах компактного объекта. Вместо этого ученые впервые доказывают, что быстрые радиовсплески могут возникать очень близко к нейтронной звезде в крайне хаотичных магнитных средах.

«Эти всплески происходят постоянно, и CHIME обнаруживает их по несколько в день», — говорит Киёси Масуи. «Может быть много различий в том, как и где они происходят, и эта техника мерцания будет действительно полезна для помощи в распутывании различных физических процессов, которые управляют этими всплесками».

Результаты исследования представлены в журнале Nature.