Изображение предоставлено: Unsplash/CC0 Public Domain
Быстрые радиовсплески — это короткие и яркие всплески радиоволн, испускаемые чрезвычайно компактными объектами, такими как нейтронные звезды и, возможно, черные дыры. Эти мимолетные фейерверки длятся всего тысячную долю секунды и могут переносить 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, расположение которых варьируется от нашей собственной галактики до удаленности до 8 миллиардов световых лет. Как именно запускаются эти космические радиовспышки, остается весьма спорным.
Теперь астрономы из Массачусетского технологического института прояснили происхождение по крайней мере одного быстрого радиовсплеска, используя новую технику, которая могла бы сделать то же самое с другими FRB. В своем новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, команда сосредоточилась на FRB 20221022A — ранее обнаруженном быстром радиовсплеске, обнаруженном в галактике на расстоянии около 200 миллионов световых лет от нас.
Команда продолжала концентрироваться на определении точного местоположения радиосигнала, анализируя его «мерцание», подобное тому, как звезды мерцают в ночном небе. Ученые изучили изменения яркости FRB и определили, что вспышка, должно быть, произошла очень близко к его источнику, а не намного дальше, как предсказывали некоторые модели.
По оценкам команды, FRB 20221022A взорвался из области, очень близкой к вращающейся нейтронной звезде, на расстоянии не более 10 000 километров. Это меньше, чем расстояние между Нью-Йорком и Сингапуром. На таком близком расстоянии взрыв, вероятно, возник в магнитосфере нейтронной звезды — сильномагнитной области, которая непосредственно окружает сверхкомпактную звезду.
Результаты команды дают первое убедительное доказательство того, что быстрый радиовсплеск может исходить из магнитосферы — сильномагнитной среды, непосредственно окружающей чрезвычайно компактный объект.
«В среде нейтронных звезд магнитные поля действительно находятся на пределе возможностей Вселенной», — говорит ведущий автор Кензи Ниммо, постдокторант Института астрофизики и космических исследований Кавли Массачусетского технологического института. «Было много споров о том, может ли это яркое радиоизлучение вообще вырваться из этой экстремальной плазмы».
«Атомы не могут существовать вокруг этих сильномагнитных нейтронных звезд, также называемых магнетарами — они просто были бы разорваны на части магнитными полями», — говорит Киёси Масуи, доцент кафедры физики Массачусетского технологического института.
«Самое интересное то, что мы обнаруживаем, что энергия, хранящаяся в этих магнитных полях вблизи источника, скручивается и переконфигурируется так, что ее можно высвободить в виде радиоволн, которые мы можем видеть в центре Вселенной».
В число соавторов исследования Массачусетского технологического института входят Адам Ланман, Шион Эндрю, Даниэле Микилли и Кейтлин Шин, а также сотрудники из нескольких учреждений.
Размер пакета
Благодаря канадскому эксперименту по картированию интенсивности водорода (CHIME) в последние годы обнаруживается все больше и больше быстрых радиовсплесков. Массив радиотелескопа состоит из четырех больших стационарных приемников, каждый из которых имеет форму полутрубы, настроенных на обнаружение радиоизлучения в области, которая очень чувствительна к быстрым радиовсплескам.
С 2020 года CHIME обнаружил тысячи FRB со всей Вселенной. Хотя ученые в целом согласны с тем, что всплески происходят от чрезвычайно компактных объектов, точная физика, лежащая в основе 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, распространяющейся от центрального объекта.
Чтобы различить эти два сценария и определить, где возникают быстрые радиовсплески, команда изучила мерцание — эффект, который возникает, когда свет от небольшого яркого источника, такого как звезда, проходит через такую среду, как газ галактики.
Когда свет звезды проходит через газ, он изгибается таким образом, что у удаленного наблюдателя создается впечатление, что звезда мерцает. Чем меньше или дальше находится объект, тем сильнее он сверкает. Свет от более крупных или близких объектов, таких как планеты нашей Солнечной системы, меньше преломляется и поэтому не кажется искрящимся.
Команда пришла к выводу, что если бы они могли оценить степень мерцания FRB, они могли бы определить относительный размер региона, из которого возник FRB. Чем меньше регион, тем ближе извержение к источнику и тем больше вероятность того, что оно возникнет в магнитно-турбулентной среде. Чем больше регион, тем дальше будет вспышка, что подтверждает идею о том, что FRB возникают в результате отдаленных ударных волн.
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте ежедневные или еженедельные новости о прорывах, инновациях и важных результатах исследований.
Сверкающий узор
Чтобы проверить свою идею, исследователи изучили FRB 20221022A, быстрый радиовсплеск, обнаруженный CHIME в 2022 году. Сигнал длится около двух миллисекунд и по яркости представляет собой относительно обычный FRB.
Однако команда из Университета Макгилла обнаружила, что у FRB 20221022A есть одна выдающаяся особенность. Свет всплеска был сильно поляризован, угол поляризации имел плавную S-образную кривую. Эта закономерность интерпретируется как свидетельство того, что место излучения FRB вращается — свойство, ранее наблюдавшееся у пульсаров, которые представляют собой сильно намагниченные вращающиеся нейтронные звезды.
Наблюдение подобной поляризации в быстрых радиовсплесках было первым, что позволило предположить, что сигнал может исходить из непосредственной близости от нейтронной звезды. Выводы команды Макгилла опубликованы в сопроводительной статье в журнале Nature.
Команда Массачусетского технологического института поняла, что если FRB 20221022A появился вблизи нейтронной звезды, его следует обнаружить с помощью сцинтилляции.
В своем новом исследовании Ниммо и ее коллеги проанализировали данные CHIME и наблюдали большие колебания яркости, которые предполагали мерцание — другими словами, FRB сверкал. Они подтвердили, что где-то между телескопом и FRB находится газ, который дифрагирует и фильтрует радиоволны.
Затем команда определила, где может находиться этот газ, подтвердив, что за часть наблюдаемых мерцаний отвечает газ в галактике, в которой находится FRB. Этот газ действовал как естественная линза, позволяя исследователям приблизить участок FRB и определить, что извержение произошло из чрезвычайно маленькой области, ширина которой оценивается примерно в 10 000 километров.
«Это означает, что FRB, вероятно, находится всего в сотнях тысяч километров от источника», — говорит Ниммо. «Это очень близко. Для сравнения: если бы сигнал исходил от ударной волны, мы ожидали бы, что сигнал будет находиться на расстоянии более десятков миллионов километров, и вообще не увидели бы искры».
«Увеличение масштаба изображения с расстояния в 200 миллионов световых лет до области в 10 000 километров похоже на возможность измерить ширину спирали ДНК шириной около 2 нанометров на лунной поверхности», — говорит Масуи. «Существует удивительный диапазон масштабов».
Результаты команды, а также выводы команды МакГилла исключают возможность того, что FRB 20221022A появился на краю компактного объекта. Вместо этого исследования впервые доказывают, что быстрые радиовсплески могут возникать вблизи нейтронной звезды в чрезвычайно хаотичной магнитной среде.
«Такие вспышки случаются всегда, и CHIME обнаруживает несколько в день», — говорит Масуи. «Может быть много различий в том, как и где они происходят, и этот метод сцинтилляции будет действительно полезен, помогая распутать различные физические факторы, которые вызывают эти всплески».
Информация от: Массачусетским технологическим институтом.
