Быстрые радиовсплески — это короткие и яркие взрывы радиоволн, испускаемые чрезвычайно компактными объектами, такими как нейтронные звезды и, возможно, черные дыры. Эти мимолетные фейерверки длятся всего тысячную долю секунды и могут нести 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, местоположение которых варьируется от нашей собственной галактики до 8 миллиардов световых лет от нас. То, как именно запускаются эти космические радиовспышки, является весьма спорным неизвестным.

Теперь астрономы из Массачусетского технологического института определили происхождение по крайней мере одного быстрого радиовсплеска, используя новую технику, которая может сделать то же самое для других FRB. В своем новом исследовании, опубликованном в журнале Nature , команда сосредоточилась на FRB 20221022A — ранее обнаруженном быстром радиовсплеске, который был обнаружен из галактики примерно в 200 миллионах световых лет.

Команда сосредоточилась еще больше, чтобы определить точное местоположение радиосигнала, анализируя его «мерцание», похожее на то, как мерцают звезды в ночном небе. Ученые изучили изменения яркости FRB и определили, что всплеск должен был возникнуть в непосредственной близости от его источника, а не намного дальше, как предсказывали некоторые модели.

Команда подсчитала, что FRB 20221022A взорвался из области, которая находится чрезвычайно близко к вращающейся нейтронной звезде, максимум в 10 000 километрах. Это меньше расстояния между Нью-Йорком и Сингапуром. На таком близком расстоянии взрыв, вероятно, возник из магнитосферы нейтронной звезды — сильно магнитной области, непосредственно окружающей сверхкомпактную звезду.

Результаты работы группы представляют собой первое убедительное доказательство того, что быстрый радиовсплеск может исходить из магнитосферы — высокомагнитной среды, непосредственно окружающей чрезвычайно компактный объект.

«В этих средах нейтронных звезд магнитные поля действительно находятся на пределе того, что может произвести Вселенная», — говорит ведущий автор Кензи Ниммо, постдок в Институте астрофизики и космических исследований Кавли Массачусетского технологического института. «Было много споров о том, может ли это яркое радиоизлучение вообще вырваться из этой экстремальной плазмы».

«Вокруг этих нейтронных звезд с сильным магнитным полем, также известных как магнетары, атомы существовать не могут — их просто разорвет магнитное поле», — говорит Киёси Масуи, доцент кафедры физики Массачусетского технологического института.

«Самое интересное здесь то, что мы обнаружили, что энергия, хранящаяся в этих магнитных полях, вблизи источника, искажается и перестраивается таким образом, что ее можно высвободить в виде радиоволн, которые мы можем видеть на другом конце Вселенной».

Соавторами исследования из Массачусетского технологического института являются Адам Ланман, Шион Эндрю, Даниэль Мичилли и Кейтлин Шин, а также сотрудники из нескольких учреждений.

Эксперименту по картированию

В последние годы число обнаружений быстрых радиовсплесков возросло благодаря канадскому эксперименту по картированию интенсивности водорода (CHIME). Массив радиотелескопов состоит из четырех больших стационарных приемников, каждый из которых имеет форму полутрубы, настроенных на обнаружение радиоизлучения в диапазоне, который очень чувствителен к быстрым радиовсплескам.

С 2020 года CHIME обнаружил тысячи FRB по всей Вселенной. Хотя ученые в целом согласны с тем, что всплески возникают из-за чрезвычайно компактных объектов, точная физика, управляющая 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, которая распространяется от центрального объекта.

Чтобы различить два сценария и определить, где возникают быстрые радиовсплески, команда рассмотрела мерцание — эффект, возникающий, когда свет от небольшого яркого источника, например звезды, проходит через некоторую среду, например, через газ галактики.

Когда звездный свет просачивается через газ, он изгибается таким образом, что для удаленного наблюдателя кажется, что звезда мерцает. Чем меньше или дальше находится объект, тем больше он мерцает. Свет от более крупных или более близких объектов, таких как планеты в нашей собственной солнечной системе, испытывает меньшее изгибание и поэтому не кажется мерцающим.

Команда рассуждала, что если бы они могли оценить степень мерцания FRB, они могли бы определить относительный размер области, из которой возник FRB. Чем меньше область, тем ближе всплеск будет к своему источнику, и тем больше вероятность, что он пришел из магнитно-турбулентной среды. Чем больше область, тем дальше будет всплеск, что подтверждает идею о том, что FRB возникают из далеких ударных волн.

Узор мерцания радиовсплеска

Чтобы проверить свою идею, исследователи обратились к FRB 20221022A — быстрому радиовсплеску, обнаруженному CHIME в 2022 году. Сигнал длится около двух миллисекунд и по своей яркости является относительно заурядным FRB.

Однако сотрудники команды в Университете Макгилла обнаружили, что FRB 20221022A продемонстрировал одно выдающееся свойство. Свет от всплеска был сильно поляризован, а угол поляризации описывал плавную S-образную кривую. Эта картина интерпретируется как доказательство того, что место испускания FRB вращается — характеристика, ранее наблюдавшаяся у пульсаров, которые представляют собой сильно намагниченные вращающиеся нейтронные звезды.

Впервые удалось увидеть подобную поляризацию в быстрых радиовсплесках, что предполагает, что сигнал мог возникнуть из непосредственной близости от нейтронной звезды. Результаты команды Макгилла представлены в сопутствующей статье в Nature .

Команда Массачусетского технологического института пришла к выводу, что если FRB 20221022A произошел вблизи нейтронной звезды, они смогут доказать это с помощью сцинтилляции.

В своем новом исследовании Ниммо и ее коллеги проанализировали данные CHIME и наблюдали резкие изменения яркости, которые сигнализировали о мерцании — другими словами, FRB мерцал. Они подтвердили, что где-то между телескопом и FRB есть газ, который изгибает и фильтрует радиоволны.

Затем команда определила, где может находиться этот газ, подтвердив, что газ внутри галактики-хозяина FRB был ответственен за часть наблюдаемых мерцаний. Этот газ действовал как естественная линза, позволив исследователям увеличить масштаб места FRB и определить, что всплеск произошел из чрезвычайно маленькой области, ширина которой оценивается примерно в 10 000 километров.

«Это означает, что FRB, вероятно, находится в пределах сотен тысяч километров от источника», — говорит Ниммо. «Это очень близко. Для сравнения, мы бы ожидали, что сигнал будет находиться на расстоянии более десятков миллионов километров, если бы он возник из ударной волны, и мы бы вообще не увидели мерцания».

«Увеличение масштаба до области в 10 000 километров с расстояния в 200 миллионов световых лет — это как возможность измерить ширину спирали ДНК, которая составляет около 2 нанометров, на поверхности Луны», — говорит Масуи. «Здесь задействован удивительный диапазон масштабов».

Результаты команды в сочетании с выводами команды Макгилла исключают возможность того, что FRB 20221022A появился на окраинах компактного объекта. Вместо этого исследования впервые доказывают, что быстрые радиовсплески могут возникать очень близко к нейтронной звезде в крайне хаотичных магнитных средах.

«Эти всплески происходят постоянно, и CHIME обнаруживает их по несколько в день», — говорит Масуи. «Может быть много различий в том, как и где они происходят, и эта техника мерцания будет действительно полезна для помощи в распутывании различных физических процессов, которые управляют этими всплесками».