Обнаружение быстрых радиовсплесков оказалось неожиданным открытием. Уже более десяти лет ученые обсуждают природу этих таинственных космических вспышек. Недавно астрономы предложили новую, интересную гипотезу. Согласно их мнению, причиной явления является гибель планет вблизи нейтронных звезд. Naked Science рассказывает о быстрых радиовсплесках, об их открытии и существующих гипотезах относительно их возникновения.
Быстрые радиовсплески (fast radio bursts, FRB) представляют собой вспышки, излучаемые из космоса и регистрируемые радиотелескопами. Одна такая вспышка может быть сопоставима по интенсивности с самыми яркими радиоисточниками, однако её продолжительность составляет всего несколько миллисекунд.
Мир познакомился с ними в 2007 году. Обрабатывая данные австралийского радиотелескопа Parkes за 2001 год, ученые обнаружили первую из подобных вспышек. Сегодня счет открытым FRB идет уже на сотни, и можно только гадать, сколько событий не попадает в поле зрения радиотелескопов.
Не верь антеннам своим
Недоверие к открытию проявили многие астрономы. Эти короткие, яркие и непредсказуемые вспышки, возникающие в различных точках неба, напоминали помехи, вызванные земными источниками.
Небесные тела способны генерировать мощные радиоволны, однако им необходимо преодолевать огромные космические расстояния. В результате сигнал, достигающий Земли, оказывается значительно ослабленным. В астрономии для обозначения плотности потока (по сути, яркости) используется единица измерения, называемая янский, которая получила свое название в честь Карла Янского, пионера радиоастрономии. Один янский равен 10 −26 ватта на квадратный метр в герце.
Космический радиоисточник, характеризующийся потоком в 10 янских, демонстрирует высокую интенсивность. Однако, при расчете мощности излучения в полосе частот, например, 100 килогерц, становится очевидной ее ничтожная величина – всего 10 −19 (мощность, приходящаяся на квадратный метр антенны, составляет (одну десятиквинтиллионную) ватта. Для сравнения, мощность передатчика портативной рации измеряется несколькими ваттами!
Даже при слабой мощности радиоволн, достигающих поверхности Земли на единицу площади, требуется антенна значительного размера. Именно поэтому радиотелескопы обладают столь внушительными габаритами. Однако это не устраняет проблему земных помех, которые зачастую превосходят по интенсивности радиосигналы из космоса. Чтобы минимизировать влияние этих помех, астрономы используют частоты, не занятые радиовещанием. Но источником земного радиосигнала может быть, к примеру, даже обычная молния. Или активация какого-либо прибора, который не предназначен для работы в качестве радиопередатчика. Поэтому, когда радиоастроном фиксирует кратковременные, хаотичные и мощные вспышки (такие как FRB), он испытывает серьезное беспокойство.
Будьте осторожны с электроприборами
Частично эта критика оказалась обоснованной. Помимо быстрых радиовсплесков, тот же радиотелескоп Parkes фиксировал и другие вспышки, весьма напоминающие их — так называемые перитоны. Однако, в отличие от FRB, со временем были обнаружены и другими инструментами, перитоны наблюдали только с «Паркс», и то лишь с одного ракурса. Существуют и более незначительные различия между перитонами и быстрыми радиовсплесками, которые мы не будем рассматривать.
Исследователи довольно быстро пришли к выводу, что перитоны возникают на Земле. Их точное происхождение долгое время оставалось загадкой. Разгадка оказалась поистине анекдотической. Вспышки порождала… микроволновая печь в комнате отдыха персонала Parkes.
Микроволновое излучение не выходит за пределы дверцы. Однако астрономы нередко открывали ее до окончания процесса разогрева. В этом случае автоматика практически моментально выключала излучатель. Но на короткое время устройство становилось источником радиоволн. Именно их зафиксировал радиотелескоп, который не предназначался для подобных «сюрпризов».
Наблюдатели, отсмеявшись, убедились, что их микроволновка способна генерировать лишь перитоны, а не FRB. Этот факт являлся значимым, хотя и не единственным, подтверждением того, что быстрые радиовсплески, вероятно, происходят из глубин космоса. Накопленные данные убедили даже самых строгих противников, заставив их отказаться от сомнений в связи с этими загадочными вспышками. Оставалось лишь определить их подлинное происхождение.
Пойди туда, уже знаю куда
В науке, как это часто бывает, открытие истины происходило благодаря последовательности небольших, постепенных улучшений.
Первые исследователи быстрых радиовсплесков также определили их дисперсию. Дисперсия света знакома многим: при прохождении белого света через стеклянную призму он разделяется на радугу. Это связано с тем, что электромагнитные волны, включая световые, с разной длиной волны распространяются в веществе с различной скоростью. Различную длину волны имеют красные, зеленые и другие световые волны.
Радиоволны, как и другие электромагнитные волны, испытывают дисперсию. Однако, в отличие от призмы, дисперсия радиоволн происходит в межзвездной и межгалактической среде. Эта среда характеризуется чрезвычайно низкой плотностью, что для земных инженеров может казаться вакуумом. Тем не менее, аналогично тому, как капля воды разрушает камень, даже незначительное количество вещества на огромных расстояниях, измеряемых световыми годами, оказывает влияние на радиоволновой сигнал».
Определить расстояние, которое прошла радиоволна, можно, зная типичную концентрацию вещества во Вселенной и измерив дисперсию этой волны. Хотя точность такого измерения впечатляет, она позволяет различать расстояния в парсеках и килопарсеках. Наблюдения за множеством радиовсплесков продемонстрировали, что они исходят из областей, расположенных далеко за пределами Млечного Пути. В 2016 году ученые впервые определили родительскую галактику FRB. Родившиеся там радиоволны добирались до Земли около 5 миллиардов лет. Впоследствии «родные» для радиовсплесков звездные системы определялись еще несколько раз.
Это не внесло существенной ясности в понимание природы вспышек. В каждой галактике, заслуживающей внимания, существует огромное разнообразие объектов – от обычных звезд до сверхмассивных черных дыр. И какие из них являются источником радиосигналов?
Взорви то, не знаю что!
Несмотря на это, «геолокация» все же оказалась полезной. На основе данных о расстоянии до источника и мощности полученного сигнала астрономы смогли рассчитать энергию вспышки. Ее величина оценивается в 10 38–1046 эрг. Разброс довольно велик: первую энергию Солнце вырабатывает за сутки, а вторую за сотни тысяч лет. Оба значения впечатляют, учитывая, что радиовсплеск длится лишь несколько миллисекунд. Однако во Вселенной бывают взрывы и покруче. Например, типичная сверхновая выделяет порядка 10 50–1051 эрг энергии.
Вывод о связи между быстрым радиовсплеском и кратковременным, но мощным космическим событием представляется очевидным. Во Вселенной постоянно происходят различные взрывы и катаклизмы: вспыхивают сверхновые звезды, звезды сталкиваются или разрушаются под воздействием черных дыр. Однако, для установления связи между радиовсплесками и определенными типами космических катастроф, астрономам требовались дополнительные данные.
Теоретиков занимала непростая загадка. Существовала привлекательная гипотеза о том, что FRB возникают в результате взрывов первичных черных дыр. И действительно, согласно теории, черные дыры способны к взрывам. Более точно, они «испаряются» посредством излучения Хокинга. Чем меньше масса черной дыры, тем интенсивнее это излучение. И чем интенсивнее излучение, тем больше массы черной дыры оно забирает. Таким образом, «испарение» само по себе ускоряется, и его заключительный этап напоминает взрыв. По крайней мере, так утверждает теория.
На практике даже самые маленькие из известных черных дыр обладают массой, сопоставимой с несколькими солнечными. Они испаряются настолько медленно, что мы не сможем наблюдать их окончательного исчезновения. Совершенно другая ситуация с первичными черными дырами, возникшими сразу после Большого взрыва. Их масса может варьироваться от веса астероида до размеров пылинки. Согласно теоретическим расчетам, в настоящий момент во Вселенной может происходить взрыв множества первичных черных дыр. Однако, мы до сих пор не обнаружили ни одной черной дыры, которую можно было бы с уверенностью идентифицировать как первичную. И не было зафиксировано ни одного события, которое можно было бы однозначно отнести к ее взрыву. Возможно, быстрые радиовсплески и являются проявлением этого явления»?
Некоторые ученые предлагали и более экстравагантные объяснения этих таинственных вспышек, например, что источником их является не черные дыры, а гипотетические бозонные звезды, состоящие из темной материи.
Ну-ка повтори!
Однако ученые получили неожиданные результаты. Выяснилось, что быстрые радиовсплески могут повторяться.
Радиовсплески классифицируют по дате их первого обнаружения. Например, событие FRB 121102 было зарегистрировано 2 ноября 2012 года. Если в той же области неба впоследствии зафиксирован ещё один всплеск, он рассматривается как повторение FRB 121102, а не как новое явление. Следовательно, радиовсплески подразделяют на повторяющиеся и не повторяющиеся.
Счет повторяющимся радиовсплескам идет на десятки, а сами повторы — многочисленны. Такие повторяющиеся колебания не всегда имеют строгую периодичность, хотя в них можно проследить определенные математические зависимости удается нащупать.
Повторяющееся в одной и той же области неба явление не может быть вызвано взрывом небесного тела. Трудно представить, чтобы звезда или черная дыра взорвались, а затем… снова взорвались. И подобное происходило сотни раз.
Радиовсплески, возникающие регулярно, хорошо согласуются с альтернативной теорией, согласно которой источником FRB являются магнетары – нейтронные звезды с магнитными полями, достигающими 10 13–1014 гаусс. Такие значения, невероятные даже по меркам нейтронных звезд, делают магнетары самыми сильными магнитами в известной Вселенной.
Радиовспышки наблюдались у некоторых магнетар, хотя и не достигают мощности быстрых радиовсплесков. Кроме того, некоторые радиовсплески, по всей видимости, прошли через область с очень сильным магнитным полем. Этот вывод был сделан астрономами на основе анализа определенной характеристики радиоволн – меры вращения плоскости поляризации в магнитном поле.
Наконец, наблюдателям удалось зафиксировать настоящий FRB от магнетара. Это был FRB 200428, пока что единственный зафиксированный всплеск, произошедший в Млечном Пути. Дисперсия сигнала однозначно указывала, что событие произошло в Галактике, а не за ее пределами. И надо же было такому случиться, чтобы именно в этой точке неба находился магнетар SGR 1935+2154. Впоследствии оказалось, что FRB 200428 — повторяющийся радиовсплеск.
Существенно иной вопрос заключается в механизме возникновения радиовсплесков у магнетаров. Теорий, объясняющих этот процесс, существует множество, и «планетная» гипотеза, с которой мы начали обсуждение, является лишь одной из них. Для определения наиболее вероятной версии пока недостаточно информации.
А может, все-таки бахнем?
Значит, магнетары окончательно опровергли возможность взрывов каких-либо необычных объектов?
Вероятно, повторяющиеся и неповторяющиеся всплески имеют различную природу. В конечном счете, подавляющее большинство FRB так и не было зафиксировано повторно.
Астрономы часто сталкиваются со вспышками, которые могут быть похожи друг на друга, однако имеют разное происхождение. Рассмотрим, к примеру, сверхновые.
Сверхновая типа Ia возникает в результате термоядерного взрыва белого карлика. Белые карлики – это, по сути, остатки небольших звёзд, которые израсходовали всё своё топливо. Как правило, они постепенно остывают. Однако в некоторых случаях белый карлик увеличивает свою массу, либо постепенно, аккрецируя вещество от ближайшей звезды, либо внезапно, в результате столкновения и слияния с другим белым карликом. Когда масса белого карлика превышает допустимый предел, происходит мощный термоядерный взрыв, который полностью разрушает его.
Сверхновые, отличные от остальных типов, возникают по иной причине. Вспышка происходит, когда массивная звезда заканчивает запасы термоядерного топлива. В результате ядро звезды коллапсирует, формируя нейтронную звезду или черную дыру. Внешние слои звезды падают на ядро и отражаются от него. Огромное количество энергии, высвобождаемое при этом ударе, превращает отскочившую оболочку в раскаленный, расширяющийся фронт, напоминающий взрывную волну.
Это лишь один случай из множества различных явлений, которые выглядят схоже при наблюдении в телескоп. Не исключено, что за быстрыми радиовсплесками скрываются события разного типа, включая взрывы некой природы.