Новое о быстрых радиовсплесках

В конце февраля появилась важная астрономическая новость: впервые удалось определить место рождения так называемых быстрых радиовсплесков. Само событие FRB 150418 (как следует из его обозначения) наблюдалось в апреле прошлого года. Местом его появления объявлена эллиптическая галактика, удаленная от нас на 6 млрд световых лет, что, казалось бы, исключает теории о порождении радиовсплесков относительно маломощными магнитарами в нашей Галактике и ее окрестностях. Доносящиеся с очень дальних расстояний радиовсплески способны рождать разве что слияния нейтронных звезд. Однако в начале марта ситуация вновь стала загадочной. Кажется, могут всё же существовать разные типы быстрых радиовсплесков. Предлагаем вашему вниманию исторический экскурс Алексея Левина на эту тему.

Два космоса астрономии

Европейская астрономия вплоть до второй половины XVI века имела чрезвычайно стабильный объект изучения. Все известные ей небесные тела совершали по небосводу периодические движения, которые считались проявлениями вечного мирового порядка. Если видимые пути планет были довольно сложными и требовали объяснений, то звезды ночь за ночью прочерчивали на небесах одни и те же пути, оставаясь неизменными как в яркости, так и в числе. Единственным исключением были кометы, но ученые вслед за Аристотелем считали их чисто атмосферным явлением.

Эта парадигма получила первый удар 11 ноября 1572 года. В тот вечер будущий великий астроном-наблюдатель Тихо Браге заметил в созвездии Кассиопеи яркую звезду, которой до того никогда там не было. Он проследил постепенное затухание ее блеска вплоть до полного угасания в марте 1574 года. Еще до этого он выпустил книгу De Nova Stella, которая прогремела по всей Европе. Так Браге первым из европейских ученых обнаружил, что на сфере неподвижных звезд, как ее тогда называли, могут случаться неожиданные перемены. А через несколько лет он же доказал, что и кометы принадлежат надлунному миру.

Это было только начало. В августе 1596 года немецкий пастор и превосходный астроном Давид Фабрициус заметил, что одна из звезд созвездия Кита стала тускнеть и к октябрю исчезла из виду, чтобы через несколько месяцев засиять прежним блеском. Его открытие показало, что звезды могут не только рождаться заново, но и периодически варьировать свою светимость (сейчас такие звезды называют переменными). После изобретения телескопа в космосе стали открывать всё больше динамических объектов разной природы. Эта тенденция в полную силу проявилась и закрепилась в XX столетии.

Всплески в разных диапазонах

Многие космические процессы проявляют себя в наблюдениях пакетами электромагнитного излучения, которые принято называть всплесками (bursts). До недавнего времени в центре интересов астрофизики лежали «вспышечные» импульсы высоких частот — гамма-излучения и рентгена. Их энергия может достигать поистине фантастических значений. Например, 16 сентября 2008 года космический телескоп «Ферми» зарегистрировал гамма-всплеск с изотропным энергетическим эквивалентом 8,8х10⁴⁷ джоулей, что соответствует аннигиляции примерно пяти солнечных масс. 19 марта 2008 года космическая обсерватория Swift заметила гамма-всплеск, сопровождающийся такой яркой вспышкой видимого света, что в течение 30 секунд удачливый наблюдатель мог бы видеть ее простым глазом, хотя расстояние до источника составляло 7,5 млрд световых лет!

Длительность гамма-всплесков варьирует от менее чем сотни миллисекунд до десятков минут. Рентгеновские всплески также демонстрируют сильный разброс по продолжительности. К слову, отловленный в сентябре прошлого года отзвук слияния двух черных дыр можно назвать гравитационно-волновым всплеском.

Космос обстреливает Землю и радиоимпульсами. У них может быть много источников — радиопульсары, длинноволновые хвосты гамма-всплесков, выбросы газа и плазмы из активных ядер галактик и тесных двойных систем (джеты). В 2007 году международный коллектив под руководством профессора Университета Западной Вирджинии Дункана Лоримера сообщил о детектировании мощного пакета радиоволн длительностью менее 5 мс. Его источник находился на небесной сфере в 3° к югу от центра Малого Магелланова Облака и явно не принадлежал ни ему, ни нашей Галактике (D.R. Lorimer et al., A Bright Millisecond Radio Burst of Extragalactic Origin, Science 318, 5851, pp. 777-780 (2 November 2007)).

С тех пор были выявлены еще 16 столь же мощных и коротких одиночных радиоимпульсов внегалактического происхождения. Их стали называть быстрыми радиовсплесками (fast radio bursts, FRBs). Не подлежит сомнению, что такие всплески несут информацию о космических катаклизмах или иных процессах с очень большим выделением энергии, так что их исследование представляет огромный интерес для физики и астрофизики.

Лоримеровский всплеск

Очень короткие радиоимпульсы непросто заметить сразу после прихода на антенну радиотелескопа. Обычно их находят, анализируя архивированные в памяти компьютеров данные наблюдений за многие годы. Чаще всего подобный поиск ведется в традиционном для радиоастрономии диапазоне частот 1–2 ГГц (L band). Именно так был найден и первый быстрый радиовсплеск, который дошел до Земли 24 августа 2001 года. Точное расстояние до источника определить не удалось, однако Лоример и его коллеги приблизительно оценили его в 500 мегапарсек. Это означает, что источник всплеска FRB 010824 находится далеко за пределами не то что Млечного Пути, но и Местного сверхскопления галактик. Расстояние до него на несколько порядков превышает максимальные дистанции порядка 100 килопарсек, на которых до сих пор удавалось регистрировать самые яркие импульсы радиопульсаров.

Лоримеровский радиовсплеск был выявлен при анализе информации, собранной в ходе сканирования небосвода в районе Магеллановых Облаков на частоте 1,4 ГГц с помощью 64-метрового австралийского радиотелескопа в Парксе (Parkes Radio Telescope). Этот же телескоп отловил почти все прочие всплески за исключением лишь двух: FRB 121102, который 11 февраля 2012 года детектировал 300-метровый радиотелескоп обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико (L.G. Spitler et al., Fast Radio Burst Discovered in the Arecibo Pulsar ALFA Survey, Astrophys. J. 790, 101 (2014)), и FRB 110523, зарегистрированного американским радиотелескопом Грин-Бэнк (Kiyoshi Masui et al., Dense Magnetized Plasma Associated with a Fast Radio Burst, Nature 528, 523-25 (24 December 2015)).

Для понимания механизма быстрых радиовсплесков очень важно знать расстояния до источников. До недавнего времени их удавалось оценить только на основании данных о разнице во времени регистрации компонентов всплеска, имеющих разные частоты. По пути от источника до Земли он проходит через холодный ионизированный электронный газ, заполняющий межгалактическое пространство. Скорость распространения в этой среде радиоволн с разными длинами неодинакова, это всем известное явление дисперсии. Коротковолновые компоненты всплеска движутся несколько быстрее и поэтому достигают Земли чуть раньше длинноволновых. Таким образом, по пути к Земле всплеск расплывается, и его измеренная протяженность оказывается больше той, что была в момент генерации. Величина задержки зависит от интегрированной плотности электронов на пути всплеска (так называемой меры дисперсии) и при прочих равных растет вместе с длиной этого пути. Астрофизические модели позволяют вычислить эту плотность для разных межгалактических расстояний, то есть для разных величин красного смещения. Однако конкретные расчеты этого рода требуют ряда предварительных допущений и потому дают весьма приблизительные оценки расстояний до источников. Не зная дистанции до источника всплеска, нельзя определить количество энергии, выброшенной в пространство при его генерации, и, следовательно, невозможно определить его природу.

Апрельское везение

Однако прошлой весной ученым сильно подфартило. 18 апреля 2015 года Эван Кин и его коллеги зарегистрировали всё на том же австралийском телескопе радио всплеск FRB 150418 протяженностью (0,8±0,3) миллисекунды через несколько секунд после его прихода (Keane E. F. et al., The Host Galaxy of a Fast Radio Burst, Nature 530, 453-456 (25 February 2016) — www.nature.com/nature/journal/v530/n7591/full/nature17140.html). Это позволило быстро подключить команды других радиообсерваторий, которые занялись поиском источника. Хотя почти все эти усилия ничего не дали, одна группа австралийских радиоастрономов всё же выявила слабеющее радиоизлучение, приписанное остаточной активности источника всплеска (возможность случайного совпадения, по оценке группы Кина, не превысила двух десятых процента). Это излучение наблюдалось еще шесть суток, после чего его интенсивность снизилась до уровня обычного галактического радиошума.

Сразу после предполагаемой идентификации источника в дело вступил 820-сантиметровый телескоп «Субару», расположенный на гавайском пике Мауна-Кеа. Его аппаратура в ходе наблюдений 19 и 20 апреля обнаружила по заданному направлению эллиптическую галактику с красным смещением z=0,492±0,008, которая удалена от нас на 1,8 гигапарсека (примерно 6 млрд световых лет). Без оптических наблюдений такой точности в определении дистанции добиться бы не удалось. Масса галактики составляет примерно 100 млрд солнечных масс.

Эти результаты сразу дали выход в космологию. Зная дистанцию до источника и меру дисперсии всплеска, авторы статьи смогли оценить число свободных электронов вдоль линии его движения. Это, в свою очередь, позволило оценить плотность ионизированного барионного вещества в межгалактическом пространстве, которое составляет 90% всей барионной материи Вселенной. Полученный результат неплохо согласуется с данными космической обсерватории WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) и со стандартной космологической моделью (ΛCDM model).

Первооткрыватели всплеска FRB 150418 подсчитали, что энергетическая цена его генерации составила 8х10³¹ джоулей, что примерно равно двухсуточному выходу солнечной энергии. Светимость всплеска оценивается как минимум в 10³⁵ ватт и, следовательно, в миллиард раз превышает светимость Солнца. Это весьма скромные показатели на фоне масштаба гамма-всплесков, но всё равно речь идет о процессах с гигантским выделением энергии.

Природа источника FRB 150418 пока остается под вопросом. Поскольку эллиптические галактики в основном заполнены старыми звездами, Кин и его коллеги считают, что вплеск был порожден однократным катаклизмом, скорее всего столкновением и слиянием двух компактных звезд.

Однако выводы Кина и его соавторов уже столкнулись с возражениями. Сотрудники Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики Эдо Бергер и Питер Уильямс считают, что галактика, из которой, предположительно, пришел всплеск, может генерировать пульсирующее радиоизлучение, интерпретированное группой Кина как послесвечение самого всплеска (http://arxiv.org/abs/1602.08434). Вероятность этого они оценивают как минимум в 10%. Если они правы, то приписка FRB 150418 к этой галактике повисает в воздухе. Эван Кин уже заявил, что его группа проводит повторные исследования, результаты которых будут опубликованы (www.nature.com/news/fresh-confusion-over-origins-of-enigmatic-radio-wave-blasts-1.19494). Так что надо следить за новостями.

Новый сюрприз

Сага о быстрых радиовсплесках получила и другое продолжение. Через неделю после появления статьи о FRB 150418 тот же журнал сообщил в Интернете о детектировании повторяющихся всплесков: L G. Spitler, P. Scholz et al., A Repeating Fast Radio Burst, Nature, published online 2 March 2016). Это свидетельствует о том, что быстрые радиовсплески, скорее всего, порождаются источниками различной природы.

Повторяющиеся всплески были открыты в рамках поиска радиопульсаров в плоскости Галактики на радиотелескопе в Аресибо (PALFA survey), в ходе которого ранее был зарегистрирован FRB 121102. В мае и июне 2015 года проводилось новое сканирование этого участка, которое выявило десять быстрых радиовсплесков примерно с такой же мерой дисперсии. Это позволяет предположить, что за FRB 121102 и новооткрытыми всплесками стоит один и тот же источник в созвездии Возничего.

Повторные всплески обнаружил Пауль Шольц, аспирант канадского Университета Макгилла, работающий под руководством профессора астрофизики Виктории Каспи. Он мне рассказал, что участники коллаборации, в принципе, допускали такую возможность, но считали ее маловероятной. Как и положено, об открытии они объявили только после тщательного изучения первичных данных и проведения контрольных тестов. Анализ структуры новых всплесков позволил оценить дистанцию до источника — примерно в 3 млрд световых лет, впрочем, по словам Пауля, эта цифра весьма приблизительна. Связать его с какой-нибудь конкретной галактикой, видимой в оптические телескопы, пока не удалось. Возможно, это можно будет сделать в дальнейшем с помощью радиоинтерферометров.

Происхождение новооткрытых радиовсплесков пока неясно. Очевидно, что эти всплески, в отличие от однократных, требуют какого-то постоянно действующего источника и потому не могут возникать в результате катаклизмических событий. Члены коллаборации предполагают, что источником служит очень молодая сильно замагниченная нейтронная звезда, которая иногда генерирует гигантские непериодические вспышки радиоизлучения. Именно эти вспышки доходят до Земли, в то время как менее мощное стабильное излучение юного радиопульсара теряется в пространстве из-за его огромной удаленности. Но, конечно, пока это только гипотеза.