Астрономы зафиксировали первый быстрый радиовсплеск на частоте, не превышающей 300 мегагерц, в ходе обзора неба, проводимого без предварительного выбора конкретного объекта для наблюдения. Радиосигнал FRB 20191203A был зарегистрирован радиотелескопом Murchison Widefield Array, расположенным в Австралии, на частотах от 138,88 до 169,6 мегагерца. До настоящего момента подтвержденные быстрые радиовсплески в этом диапазоне частот удавалось получить лишь при целенаправленных наблюдениях уже известного повторяющегося источника FRB 20180916B.

Быстрые радиовсплески, обозначаемые как FRB, являются краткими радиосигналами, исходящими за пределами нашей галактики. Эти импульсы характеризуются очень короткой продолжительностью – всего миллисекунды – при этом они способны излучать колоссальные объёмы энергии. На сегодняшний день зарегистрировано несколько тысяч подобных явлений в диапазоне частот выше 400 мегагерц, тогда как на более низких частотах, ниже 300 мегагерц, их наблюдение остаётся крайне редким. Природа возникновения FRB до сих пор не установлена окончательно, однако современные научные представления связывают эти явления с нейтронными звёздами, обладающими сильным магнитным полем – магнетарами.

FRB 20191203A был зафиксирован 3 декабря 2019 года в ходе обзора южного неба SMART, который предназначен для поиска пульсаров и быстрых радиоисточников. Телескоп Murchison Widefield Array обладает полем зрения, охватывающим приблизительно 610 квадратных градусов на частоте 150 мегагерц, что позволяет ему одновременно наблюдать значительную область неба. В рамках исследования было проведено 71 сеанс продолжительностью 80 минут каждый, в результате чего была получена эффективная экспозиция в размере 18 244 квадратных градуса-часа.

Выявление всплеска в большом объеме собранных данных стало возможным благодаря применению новой системы обработки BLINK, использующей графические процессоры и суперкомпьютер Setonix, расположенный в Суперкомпьютерном центре Pawsey. В процессе работы исследователи обработали почти четыре петабайта исходной информации. За шесть месяцев система сформировала и проанализировала свыше 80 миллиардов радиоизображений, общий объем которых составил около 21 петабайта. Разрешение по времени составляло 20 миллисекунд, а частотное разрешение – 40 килогерц.

FRB 20191203A оказался одним из самых мощных зарегистрированных быстрых радиовсплесков. Его флюенс, отражающий суммарную энергию принятого радиоимпульса на единицу площади и полосы частот, составил 360 ± 30 янских-миллисекунд. Пиковая плотность потока достигла значения 3,9 ± 0,6 янского, а отношение полезного сигнала к шуму – 10,7.

Значительная дисперсионная задержка стала одним из ключевых признаков полученного сигнала. Поскольку радиоволны различных частот перемещаются через ионизированную среду с разной скоростью, низкочастотная часть импульса достигает наблюдателя позже высокочастотной. В пределах диапазона FRB 20191203A зафиксированная задержка составила 28,1 секунды. При этом измеренная дисперсионная мера оказалась равной 393 парсека на кубический сантиметр.

Анализ моделей распределения свободных электронов указывает на то, что вклад Млечного Пути может составлять около 66 парсеков на кубический сантиметр, а его гало – приблизительно 50 парсеков на кубический сантиметр. Внегалактическая составляющая была оценена исследователями в районе 277 парсеков на кубический сантиметр. Если предположить, что вся эта величина обусловлена межгалактическим веществом, то максимальное красное смещение источника составит около 0,3, а расстояние по светимости – примерно 1,55 гигапарсека, что эквивалентно пяти миллиардам световых лет. Определить галактику, в которой произошёл всплеск, не удалось из-за недостаточной угловой разрешающей способности конфигурации Murchison Widefield Array.

Учитывая значительное расстояние до источника, изотропный эквивалент энергии FRB 20191203A в наблюдаемой полосе частот достигает приблизительно 8 × 10⁴¹ эрг, что относит это событие к верхнему диапазону известных значений энергии для быстрых радиовсплесков. Данное значение зависит от оценки расстояния до объекта, поскольку точная идентификация галактики-хозяина пока не установлена.

Помимо этого, исследователи провели измерения рассеяния сигнала в ионизированной среде. Время уширения импульса на частоте около 155 мегагерц составило 90 ± 20 миллисекунд, в то время как собственная длительность всплеска ограничена примерно 20 миллисекундами. Низкочастотные сигналы особенно подвержены этому эффекту, что приводит к растяжению короткого импульса во времени и усложняет его обнаружение.

Именно рассеяние и поглощение рассматривались как вероятные причины того, почему быстрые радиовсплески практически не регистрировались ниже 300 мегагерц. В течение последних 15 лет несколько поисковых кампаний с использованием LOFAR и Murchison Widefield Array не принесли подтвержденных результатов в этом диапазоне частот. Единственным исключением стал повторяющийся FRB 20180916B, который был зарегистрирован с помощью LOFAR примерно на 150 мегагерцах после того, как источник уже был идентифицирован на более высоких частотах.

FRB 20191203A продемонстрировал способность быстрых радиовсплесков проникать через окружающее и межгалактическое вещество, оставаясь при этом обнаружимыми даже на частотах ниже 200 мегагерц. Зафиксированное время рассеяния соответствует диапазону, наблюдаемому для FRB на более высоких частотах, хотя данный источник относится к менее подверженной рассеянию части известных объектов.

На основании единственного зафиксированного события и общей экспозиции обзора исследователи оценили частоту подобных явлений примерно в 54 всплеска по всему небу в сутки для сигналов с флюенсом, превышающим 57 янских-миллисекунд. Следует отметить, что из-за ограниченности данных неопределённость оценки достаточно велика: доверительный интервал с вероятностью 95% составляет от 1 до 302 всплесков в сутки. Полученная оценка согласуется с частотой FRB на более высоких радиочастотах при сопоставимом пороге чувствительности.

Учёные объясняют предыдущую проблему с обнаружением маломощных быстрых радиовсплесков (FRB) недостаточной чувствительностью оборудования, ограниченной продолжительностью наблюдений и трудностями в обработке больших объёмов данных. На низких частотах распространение сигнала во времени из-за дисперсии и рассеяния усложняет поиск, который требует одновременного высокого разрешения по времени и частоте. Внедрение новой вычислительной системы позволило переработать архивные данные с использованием параметров, которые ранее были недоступны для анализа таких больших массивов информации.

После регистрации FRB 20191203A исследователи провели повторный анализ предыдущих наблюдений этой же области неба. В ходе проверки 4,5-часового архива данных, полученных с радиотелескопа Murchison Widefield Array, не было обнаружено дополнительных всплесков. Радиотелескоп ASKAP также не зафиксировал высокочастотный аналог этого события, а последующие трёхчасовые наблюдения в диапазоне частот от 0,7 до 4 гигагерц с использованием 64-метрового радиотелескопа Murriyang в Парксе не выявили повторных всплесков. На текущий момент имеющиеся данные не позволяют установить, является ли FRB 20191203A повторяющимся источником.

Наблюдения на низких частотах могут предоставить дополнительную информацию об окружающей среде быстрых радиовсплесков. Поскольку рассеяние, дисперсия и поглощение радиоволн увеличиваются с уменьшением частоты, такие сигналы особенно чувствительны к плотности и свойствам окружающего ионизированного газа. Это позволяет изучать возможные остатки сверхновых звёзд и туманности, расположенные вокруг объектов, генерирующих FRB.

В дальнейшем планируется проведение наблюдений с использованием более чувствительных приборов, работающих в диапазоне низких частот. Модернизированный комплекс Murchison Widefield Array, а также перспективная низкочастотная секция радиоинтерферометра Square Kilometre Array, предоставят возможность более точного определения местоположения быстрых радиовсплесков. Это позволит установить связь между вспышками и конкретными галактиками, а также уточнить характеристики вещества, находящегося на пути от источника сигнала до Земли.

Исследование опубликованоМатериалы исследования представлены в виде препринта на платформе arXiv и пока не прошли процедуру рецензирования.