Быстрые радиовсплески: ключ к разгадке тайны

Константин Постнов

Кон­стан­тин Пост­нов

В 2007 году было обна­ру­же­но одно из самых зага­доч­ных явле­ний в совре­мен­ной аст­ро­фи­зи­ке: быст­рые радио­всплес­ки (Fast Radio Bursts, FRB). Пер­вый из них най­ден в архив­ных дан­ных радио­те­ле­ско­па «Паркс» (Австра­лия) — мил­ли­се­кунд­ный всплеск радио­из­лу­че­ния высо­кой интен­сив­но­сти, кото­рый имел очень силь­ную зави­си­мость задерж­ки сиг­на­ла от часто­ты. Эта зави­си­мость назы­ва­ет­ся мерой дис­пер­сии, она воз­ни­ка­ет при рас­про­стра­не­нии радио­сиг­на­ла в кос­ми­че­ской меж­звезд­ной и меж­га­лак­ти­че­ской плаз­ме и про­пор­ци­о­наль­на плот­но­сти элек­трон­но­го ком­по­нен­та, про­ин­те­гри­ро­ван­ной вдоль луча зре­ния.

Автор откры­тия Дун­кан Лори­мер (Duncan Lorimer) пред­по­ло­жил, что, ско­рее все­го, источ­ни­ком был вне­га­лак­ти­че­ский объ­ект, на рас­сто­я­нии поряд­ка сотен мега­пар­се­ков. Через несколь­ко лет радио­астро­но­мы откры­ли ана­ло­гич­ные всплес­ки с похо­жи­ми свой­ства­ми, и ста­ло ясно, что это целый класс новых аст­ро­но­ми­че­ских явле­ний. Сей­час их извест­но око­ло 20, и ста­ти­сти­че­ский ана­лиз пока­зы­ва­ет, что чис­ло быст­рых радио­всплес­ков в день по все­му небу долж­но быть поряд­ка несколь­ких тысяч!

Но оста­вал­ся вопрос — отку­да они при­хо­дят? Где источ­ни­ки — рядом в Галак­ти­ке, в сосед­них галак­ти­ках или вооб­ще на кос­мо­ло­ги­че­ских рас­сто­я­ни­ях в мил­ли­ар­ды све­то­вых лет? Точ­ность лока­ли­за­ции быст­рых радио­всплес­ков на небе до сих пор была неве­ли­ка — несколь­ко квад­рат­ных гра­ду­сов. Искать источ­ник на такой пло­ща­ди, к тому же не зная, что он дол­жен из себя пред­став­лять, — зада­ча без­на­деж­ная.

В чем их уни­каль­ность? Корот­кая дли­тель­ность и высо­кая интен­сив­ность сви­де­тель­ству­ют о колос­саль­ной яркост­ной тем­пе­ра­ту­ре излу­че­ния в источ­ни­ке. Тако­го рода радио­из­лу­че­ние было извест­но толь­ко от сверх­ко­рот­ких «суперим­пуль­сов» моло­дых пуль­са­ров (напри­мер, Кра­ба), при­ро­да кото­рых тоже неяс­на. В насто­я­щее вре­мя о при­ро­де корот­ких радио­всплес­ков (FRB) напи­са­ны сот­ни ста­тей и выдви­ну­ты несколь­ко десят­ков гипо­тез, от вполне есте­ствен­ных (напри­мер, свя­зы­ва­ю­щих их с взрыв­ны­ми про­цес­са­ми вбли­зи ней­трон­ных звезд, arXiv:1307.4924, arXiv:1401.6674) до вполне экзо­ти­че­ских (напри­мер, взрыв­ной рас­пад «акси­он­ных мини-кла­сте­ров», arXiv:1411.3900) или даже (пока) фан­та­сти­че­ских (напри­мер, радио­лу­чи, исполь­зу­е­мые вне­зем­ны­ми циви­ли­за­ци­я­ми для раз­го­на «кос­ми­че­ских пару­сов» для пере­дви­же­ния в меж­пла­нет­ном и меж­звезд­ном про­стран­стве, arXiv:1701.01109).

Первый быстрый радиовсплеск, найденный в архивных данных. По вертикали — частота, по горизонтали — время в миллисекундах. Сигнал от всплеска — темная полоса. На низких частотах сигнал приходит позже из-за дисперсии радиоволн в среде со свободными электронами. На врезке — временной профиль сигнала на фиксированной частоте.  Рисунок из статьи Larimer et al., arXiv:0709.4301

Пер­вый быст­рый радио­всплеск, най­ден­ный в архив­ных дан­ных. По вер­ти­ка­ли — часто­та, по гори­зон­та­ли — вре­мя в мил­ли­се­кун­дах. Сиг­нал от всплес­ка — тем­ная поло­са. На низ­ких часто­тах сиг­нал при­хо­дит поз­же из-за дис­пер­сии радио­волн в сре­де со сво­бод­ны­ми элек­тро­на­ми. На врез­ке — вре­мен­ной про­филь сиг­на­ла на фик­си­ро­ван­ной часто­те.
Рису­нок из ста­тьи Larimer et al., arXiv:0709.4301

 

Радиотелескоп «Паркс»в Австралии, в данных которого был найден первый FRB. Фото John Sarkissian (CSIRO Parkes Observatory)

Радио­те­ле­скоп «Паркс» в Австра­лии, в дан­ных кото­ро­го был най­ден пер­вый FRB. Фото John Sarkissian (CSIRO Parkes Observatory)

Ситу­а­ция с быст­ры­ми радио­всплес­ка­ми очень напо­ми­на­ет исто­рию с гам­ма-всплес­ка­ми дав­но­стью почти пол­ве­ка. Тогда тоже не мог­ли най­ти источ­ни­ки из-за пло­хой лока­ли­за­ции, тоже не зна­ли мас­шта­ба рас­сто­я­ний до них. В нача­ле 1990-х годов гос­под­ство­ва­ла точ­ка зре­ния, что источ­ни­ки нахо­дят­ся в Галак­ти­ке. Но их ста­ти­сти­ка, набран­ная гам­ма-обсер­ва­то­ри­ей «Комп­тон», гово­ри­ла за то, что гам­ма-всплес­ки при­хо­дят с кос­мо­ло­ги­че­ских рас­сто­я­ний, срав­ни­мых с рас­сто­я­ни­ем до гори­зон­та Все­лен­ной.

По это­му пово­ду в Биб­лио­те­ке Кон­грес­са США в 1995 году состо­я­лись захва­ты­ва­ю­щие пуб­лич­ные деба­ты меж­ду Доном Лэм­бом (Donald Q. Lamb), при­дер­жи­вав­шим­ся галак­ти­че­ской гипо­те­зы, и Бог­да­ном Пачин­ским (Bohdan Paczynski), отста­и­вав­шим кос­мо­ло­ги­че­ское про­ис­хож­де­ние гам­ма-всплес­ков. Тогда явной побе­ды не одер­жал никто, но в 1996 году загад­ка раз­ре­ши­лась. Нашли опти­че­ское после­све­че­ние всплес­ка, кото­рое сов­па­ло с дале­кой галак­ти­кой с боль­шим крас­ным сме­ще­ни­ем. Потом еще и еще — всё на кос­мо­ло­ги­че­ских рас­сто­я­ни­ях. Клю­чом к раз­гад­ке ста­ло опре­де­ле­ние коор­ди­нат источ­ни­ка с аст­ро­мет­ри­че­ской точ­но­стью.

Аст­ро­мет­рия — наи­бо­лее точ­ная область аст­ро­но­мии; опре­де­ле­ние коор­ди­нат небес­ных объ­ек­тов и их види­мых дви­же­ний — одна из основ­ных ее задач. Наи­бо­лее точ­но коор­ди­на­ты опре­де­ля­ют­ся с помо­щью интер­фе­ро­мет­рии, осо­бен­но в радио­ди­а­па­зоне, где база может быть сопо­ста­ви­ма с раз­ме­ра­ми Зем­ли, а в кос­ми­че­ских экс­пе­ри­мен­тах («Радио­астрон») — даже в десят­ки раз боль­ше.

Дол­гое вре­мя оста­ва­лось про­бле­мой пой­мать радио­всплеск с помо­щью интер­фе­ро­мет­ра из-за узко­го поля зре­ния. И вот 4 янва­ря 2017 года в жур­на­ле Nature боль­шая груп­па радио­астро­но­мов (S. Chatterjee et al., arXiv:1701.01098) сооб­щи­ла о нако­нец-то «аст­ро­мет­ри­че­ской» лока­ли­за­ции одно­го из источ­ни­ков корот­ких импуль­сов FRB 121102 с помо­щью радио­ин­тер­фе­ро­мет­ри­че­ских наблю­де­ний на антен­нах VLA и 305-мет­ро­вом радио­те­ле­ско­пе в Аре­си­бо (США).

Аст­ро­но­мы вос­поль­зо­ва­лись тем, что этот кон­крет­ный источ­ник явля­ет­ся повтор­ным — за 83 часа наблю­де­ний на VLA в поло­се частот 2,5−3,5 ГГц в тече­ние полу­го­да от него было заре­ги­стри­ро­ва­но 9 корот­ких ярких всплес­ков с оди­на­ко­вой мерой дис­пер­сии. Точ­ность лока­ли­за­ции соста­ви­ла поряд­ка 0,1 угло­вой секун­ды (это точ­ность луч­ших опти­че­ских наблю­де­ний).

Ока­за­лось, что рядом с источ­ни­ком повтор­ных FRB (на рас­сто­я­нии 0,1 секун­ды дуги) есть сла­бый почти посто­ян­ный радио­и­сточ­ник с непре­рыв­ным нетеп­ло­вым спек­тром. По архив­ным дан­ным наблю­де­ний 2014 года, на опти­че­ском 10-мет­ро­вом теле­ско­пе «Кек» и теле­ско­пе «Дже­ми­ни» выяви­ли на месте источ­ни­ка сла­бый посто­ян­ный объ­ект при­мер­но 25 звезд­ной вели­чи­ны.

Допол­ни­тель­ные радио­ин­тер­фе­ро­мет­ри­че­ские наблю­де­ния со сверх­длин­ной базой (VLBI) на сети Евро­пей­ских радио­те­ле­ско­пов с мил­ли­се­кунд­ной точ­но­стью под­твер­ди­ли резуль­та­ты VLA (arXiv:1701.01099) и пока­за­ли, что посто­ян­ный источ­ник и источ­ник FRB раз­де­ле­ны менее чем на 0,12 мил­ли­се­кун­ды дуги. Это под­твер­жда­ет их воз­мож­ную физи­че­скую связь.

Спек­тро­ско­пия опти­че­ско­го источ­ни­ка на теле­ско­пе «Север­ный Дже­ми­ни» (Гавайи) пока­за­ла (arXiv:1701.01100), что опти­че­ское излу­че­ние явля­ет­ся сла­бой кар­ли­ко­вой галак­ти­кой с крас­ным сме­ще­ни­ем z=0,1927 (рас­сто­я­ние око­ло 1 Гпк), с мас­сой 40–70 млн масс Солн­ца, с высо­ким удель­ным тем­пом звез­до­об­ра­зо­ва­ния и низ­кой метал-лич­но­стью, похо­жей на моло­дые кар­ли­ко­вые галак­ти­ки со вспыш­кой звез­до­об­ра­зо­ва­ния.

Како­вы же выво­ды из этих откры­тий? Во-пер­вых, под­твер­жде­на вне­га­лак­ти­че­ская при­ро­да (по край­ней мере это­го!) источ­ни­ка FRB. Во-вто­рых, най­ден посто­ян­ный вто­рой радио­и­сточ­ник с нетеп­ло­вым спек­тром, кото­рый пока не уда­лось отож­де­ствить с извест­ны­ми источ­ни­ка­ми (напри­мер, моло­дой ней­трон­ной звез­дой -маг­не­та­ром или с ядром актив­ной галак­ти­ки). В-тре­тьих, источ­ник точ­но нахо­дит­ся в кар­ли­ко­вой галак­ти­ке с малой метал­лич­но­стью и высо­ким тем­пом звез­до­об­ра­зо­ва­ния.

Оче­вид­но, эти фак­ты уве­рен­но отвер­га­ют ряд физи­че­ских моде­лей, но всё еще не поз­во­ля­ют одно­знач­но отве­тить на вопрос о при­ро­де FRB и их необыч­но­го радио­из­лу­че­ния. Надо пола­гать, в неда­ле­ком буду­щем новые наблю­де­ния поз­во­лят аст­ро­но­мам раз­га­дать тай­ну источ­ни­ков корот­ких радио­всплес­ков — ждем новых резуль­та­тов!

Кон­стан­тин Пост­нов,
докт. физ.-мат. наук, про­фес­сор кафед­ры аст­ро­фи­зи­ки и звезд­ной
аст­ро­но­мии аст­ро­но­ми­че­ско­го отде­ле­ния физи­че­ско­го факуль­те­та МГУ

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (Пока оценок нет)
Загрузка...
 
 

Метки: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *