Вторник, Май 21, 2019
Космос

Астрономы смогли объяснить загадочные радиопослания из космоса

Где-то в начале этого года Брайан Метцгер понял, что предоставлен сам себе — никаких входящих писем, никаких уроков — и что может быть, только может быть, он нащупал ответ на одну из самых упорных загадок астрономии. Он озверел и попытался зацепиться за этот ответ, переживая, что небольшая ошибка может все испортить, или что кто-нибудь другой составит все части воедино первым. «Пытаешься угнаться, потому что другие люди, возможно, тоже это видят», говорит Метцгер, астрофизик Колумбийского университета.

Астрономы смогли объяснить загадочные радиопослания из космоса

Вместе с множеством других ученых по всему миру Метгцер провел последние несколько лет в мозговом штурме, пытаясь понять быстрые радиовсплески (FRB). Это миллисекундные вспышки интенсивных и необъяснимых радиосигналов, которые распространяются по всему небу, временно затмевая радиопульсары в нашей галактике, несмотря на то, что находятся в миллионы раз дальше. До 2013 года многие астрофизики вообще сомневались в их существовании. За прошедшие годы ученые привели десятки возможных объяснений тому, что могло быть причиной их появления. Один каталог насчитывает 48 отдельных теорий.

То есть, теорий было больше, чем самих событий, которые они пытались объяснить.

Быстрые радиовсплески: что это такое?

Теория FRB нуждается в двух частях. Есть подозреваемый — астрофизический монстр, который может высвобождать огромные суммы энергии. Есть оружие — нечто, что преобразует эту энергию в яркий, удивительный и необычный радиосигнал.

Теперь вот Метцгер и его коллеги считают, что смогли восстановить место преступления. В начале этого месяца они опубликовали на сайте препринтов arXiv.org статью, в которой набросали способ появления быстрых радиовсплесков из взрывов в областях космоса, усеянных плотными облаками частиц и магнитными полями.

Их модель предпочитает, но не требует, магнетар в качестве источника взрывов. Магнетар — это молодая нейтронная звезда, которая иногда отрыгивает заряженные частицы в виде огромной версии выброса корональной массы, которые происходят на Солнце. Каждый новый взрыв врезается в окружающий беспорядок. Когда это происходит, рождается ударная волна, которая, в свою очередь, испускает короткую похожую на лазер вспышку радиоволн во вселенную.

«В общих чертах это определенно имеет смысл», говорит Джеймс Корден, астрофизик Корнельского университета, добавляя, однако, что дальнейшие детали нуждаются в проработке. «Я бы сказал, что это хорошая лошадка, на которую можно ставить».

Однако что действительно нравится астрономам, так это то, что теория Метцгера генерирует вполне конкретные прогнозы относительно того, как должны выглядеть будущие FRB. Следовательно, эти прогнозы можно будет проверить, подвергнув испытаниям. Новый канадский радиотелескоп CHIME, как ожидается, должен будет находить от одной до десяти FRB в день, когда заработает на полную мощность в конце этого года. Во время первоначальных испытаний прошлым летом он обнаружил десяток вспышек. Результаты его работы были обнародованы в январе. «Я думаю, что в течение следующего года или около того мы сможем очень хорошо это проверить», говорит Шрихарш Тендулкар, астрофизик Университета Макгилла, член команды FRB CHIME.

На скорости ударной волны

Теория, разработанная Метгцером и его коллегами Беном Маргалитом и Лоренцо Сирони, основана на самом большом прорыве в деле FRB. В 2016 году команда во главе с Лаурой Спитлер из Института радиоастрономии Макса Планка в Бонне, Германия, опубликовала свои результаты изучения первой в истории повторившейся FRB. Ранее каждое из этих событий было единичным. Из-за этого астрономы не могли отследить, где в небе они рождались, поэтому ничего не знали о вспышках, хоть и подозревали, что те появляются далеко за пределами нашей галактики. Но одна вспышка появилась после другой.

И вскоре радиоастрономы смогли обнаружить ее происхождение в маленькой, деформированной карликовой галактике. Пытаясь выжать каждую подсказку из этих радиосигналов, они обнаружили, что все рождается в плотном регионе плазмы, захваченной сильными магнитными полями. Они также обнаружили, что всплеск был окружен тусклым, но стабильным радиосвечением. И в прошлом ноябре астроном Джейсон Хессельс (вместе со Спитлером и другими) заметил кое-что странное: каждый всплеск длительностью в доли секунды на самом деле содержит несколько подвсплесков, которые постепенно смещаются вниз от более высоких к более низким радиочастотам.

Для команды Метгцера эта последняя подсказка показалась удивительно знакомой. В 1950-х годах физики изучали взрывные волны ядерных взрывов, чтобы оценить их выходную мощность. В этих моделях ударные фронты ядерных взрывов поглощают больше газа, поскольку расширяются наружу. Этот дополнительный вес замедляет удар, а поскольку он замедляется, испускаемая с ударного фронта радиация смещается вниз по частоте, благодаря эффекту Доплера.

Метгцер задумался, что этот эффект взрывной волны может намекнуть на истинную природу FRB. И вдруг, внезапно, в начале января телескоп CHIME подхватил еще одно повторяющееся событие. В этот раз повторяющиеся радиосигналы показали тот же нисходящий сдвиг частоты. «Идея зародилась еще с первым повторением», говорит Метцгер. «Но увидев это проявление в FRB, я заработал в удвоенном темпе».

Теперь Метцгер, Маргалит и Сирони выпустили свою полную модель, основанную главным образом на объяснении вводов и выводов с первого повторения. Представьте себе магнетар, нейтронную звезду размером с город, выкованную в сверхновой за несколько десятилетий до этого, с кипящей и вздымающейся поверхностью. Как солнце в непогожий день, этот молодой магнетар выпускает случайные всплески, которые выстреливают электроны, позитроны и может быть даже тяжелые ионы на скорости, близкой к скорости света.

Когда этот материал запускается, он сталкивается с более старыми частицами, испущенными в предыдущие всплески. Там, где новый выброс сталкивается со старым, он накапливает ударный шок, внутри которого бушуют магнитные поля. Когда шок выталкивается наружу, электроны внутри вращаются вдоль линий магнитного поля, и это движение рождает всплеск радиоволн. Поскольку ударный шок замедляется, сигнал смещается с более высоких частот на более низкие. А астрономы на Земле получают захватывающие радиопослания.

И хотя все это звучит интересно, идея должна будет пройти следующий этап испытаний в истории быстрых радиовсплесков. Пока это самый просчитываемый и глубоко продуманный сценарий. «Они произвели самые подробные расчеты и смогли дать конкретные прогнозы для наблюдений», говорит Спитлер.

Модель Метгцера предсказывает ряд специфических особенностей, которыми должны обладать будущие FRB. Во-первых, все будущие FRB должны следовать за тем же понижением частоты. Они могут показывать гамма-лучевые или рентгеновские выбросы, которые астрономы вроде Спитлера уже начали искать. Они должны находиться в галактиках, в которых образуется множество новых звезд и появляются свежие магнетары. И когда они действительно повторяются, они должны делать перерывы после того, как астрономы наблюдают крупную вспышку. В этот момент система настолько забита материалом, что последующие вспышки не могут вырваться.

Теперь модель Метгцера сталкивается со множеством других, все еще жизнеспособных теорий. Быстрые радиовсплески могут быть следствием слияния нейтронных звезд, которые телескопы и детекторы гравитационных волн впервые поймали в 2017 году. Нейтронные звезды могут рождать FRB, сталкиваясь с другими объектами, такими как черные дыры и белые карлики, когда сами коллапсируют в черные дыры или когда их магнитные силовые линии вырываются сильными потоками плазмы.

И непонятно, появляются ли все FRB из одного вида события.

Данные продолжают накапливаться, поле сужается. За последние пять месяцев, пока CHIME находился в стадии ввода в эксплуатацию, ученые обнаружили больше всплесков, которые они пока не представили публике.

После нескольких лет изучения разрозненных данных и теоретических мечтаний, решение, наконец, оказалось на расстоянии вытянутой руки

Подпишитесь на наш канал с новостями в Телеграме, чтобы не пропускать новости с космических полей.

Источник