Астрономы впервые обнаружили строгую периодичность в быстрых радиовсплесках — странных космических сигналах длительностью менее секунды, источник происхождения которых до сих пор не определен. Событие, открытое учеными, повторялось раз в 16 дней, что опровергает большую часть теорий о том, какие процессы или объекты являются источником возникновения радиовсплесков. Вместе с тем, исследовательская работа астрономов порождает еще больше вопросов о природе это явления. «Хайтек» рассказывает, что известно о радиовсплесках и почему ни одна гипотеза об их происхождении не может объяснить процесс их формирования.
Что такое быстрые радиовсплески?
Вселенная полна невидимого света. За пределами видимого спектра пространство представляет собой красочный хаос из радиосигналов и микроволн, излучаемых вспыхивающими пульсарами, коллапсирующими звездами, потрескивающими магнитными полями, облаками пыли и бурлящими черными дырами.
Большинство этих сигналов ученые могут зафиксировать и интерпретировать — однако существуют и волны, процесс возникновения и источник происхождения которых астрономы определить пока не могут. Это сверхэнергичные всплески, которые по неизвестным причинам распространяются на расстояние до нескольких миллиардов световых лет.
К таким явлениям относятся и быстрые радиовсплески (FRB) — яркие импульсы радиоизлучения длительностью всего в несколько миллисекунд. Вероятно, они пролетали мимо Земли в течение миллиардов лет, однако ученым впервые удалось зафиксировать их лишь в 2007 году. Астрофизики Дункан Лоример и Дэвид Наркевич назвали первое такое событие взрывом Лоримера.
С тех пор ученым удалось зафиксировать еще несколько сотен радиовсплесков, но о них известно лишь то, что они имеют внегалактический источник — другими словами, события сформировались за пределами Млечного пути.
Пока ученые спорят об источнике происхождения радиовсплесков. Несмотря на то, что по состоянию на 2019 год было зафиксировано несколько сотен таких событий, быстрые радиовсплески очень редки и, вдобавок к этому, кратковременны. Учитывая, что всплески видны через огромные расстояния от своего гипотетического источника формирования, некоторые ученые склонны считать, что причиной их возникновения являются катастрофические события — столкновения или слияния звезд.
Однако учитывая тот факт, что некоторые радиовсплески повторяются с определенной периодичностью, большинство исследователей полагают, что во Вселенной существует естественная машина, которая регулярно производит высокоэнергетичные радиоволны.
Как они возникают?
Есть несколько теорий об источниках быстрых радиовсплесков. Большинство из них строится на жизнедеятельности или взаимодействии самых высокоэнергетических объектов во Вселенной. Кроме того, из-за небольшой длительности всплеска его источник должен быть небольшим: всего несколько сотен километров в поперечнике, полагают астрофизики.
В прошлом году ученым уже удалось установить предполагаемый источник радиовсплеска — событие было зафиксировано в спиральной галактике с красным смещением z = 0,0337 и активным процессом звездообразования. По предположительным расчетам, эта галактика находится на расстоянии в 480 млн световых лет до Земли, что делает ее ближайшим открытым источником радиовсплесков к нашей планете.
Красное смещение — сдвиг спектральных линий химических элементов в красную (длинноволновую) сторону. Это явление может быть выражением эффекта Доплера, гравитационного красного смещения или их комбинацией. Сдвиг спектральных линий в фиолетовую (коротковолновую) сторону называется синим смещением.
Впервые сдвиг спектральных линий в спектрах небесных тел описал французский физик Ипполит Физо в 1848 году и предложил для объяснения эффект Доплера, вызванный лучевой скоростью звезды. Существуют и другие физические явления, которые могут привести к сдвигу частоты электромагнитного излучения, включая рассеяние и эффекты физической оптики.
Исследование показало, что расположение источника в области активного звездообразования в спиральном рукаве родительской галактики связывает процесс радиовсплесков с нейтронными звездами.
Некоторые ученые считают, что быстрые радиовсплески могут быть связаны с гамма-всплесками (GRB) или они образовываются в результате столкновения массивных объектов — нейтронных звезд или черных дыр
Другой гипотетический источник — это магнитары, тип нейтронных звезд с чрезвычайно мощным магнитным полем. Подобно тому, как Солнце генерирует солнечные вспышки, создающие прилив энергии, магнитные гипервспышки могут создавать мощные радиовсплески.
Среди наиболее вероятных источников — чрезвычайно энергичные сверхновые или пульсары, разрушающиеся под действием каких-либо событий. Существует также гипотеза о том, что всплески являются сигналами инопланетной технологической цивилизации, но ее по большей части придерживаются астрономы-любители и люди, никак не связанные с наукой.
Выдвигаются и совсем экзотические гипотезы: например, о происхождении быстрых радиовсплесков в результате растягивания космических струн, распада аксионных мини-кластеров и разрушения пульсара, который подошел слишком близко к черной дыре.
Аксионная темная материя кластеризуется и формирует сгустки — аксионные мини-кластеры. Пролеты таких сгустков через Землю являются очень редкими событиями, происходящими раз в 105 лет. Также ученым известно, что намного более вероятным событием, происходящим раз в несколько лет, является пролет Земли через шлейфы из темной материи, являющиеся остатками сгустков, которые были разрушены приливными гравитационными силами со стороны звезд Галактики.
У всех перечисленных выше гипотез существует несколько недостатков. Во-первых, ученым уже известно, что некоторые радиовсплески имеют периодичность — другими словами, несколько всплесков могут происходить из одного источника. При этом между повторяющимися радовсплесками может пройти от нескольких дней до нескольких недель — это исключает идею о том, что их источником являются такие катастрофические события, как коллапсирующие в черную дыру нейтронные звезды.
В 2019 году ученые сделали одно из важнейших открытий в этой области — обнаружили радиовсплеск, который повторяется каждые 16 дней. Все зафиксированные до сих пор такие события имели спорадическую последовательность — то есть не имели строгой периодичности.
Что именно нашли ученые?
Наблюдая за небом с сентября 2018 года по октябрь 2019 года, исследователи обнаружили 28 всплесков — в том числе один, который повторяется с регулярным паттерном: каждые 16,35 дней.
Сигнал, названный FRB 180916.J0158 + 65, был зафиксирован в массивной спиральной галактике, расположенной на расстоянии примерно 500 млн световых лет от Земли.
Повторно проанализировав данные, исследователи заметили, что источник излучения посылал один или два сигнала каждый час в течение четырех дней. Затем передача прекращалась и возобновлялась в том же виде ровно через 12 дней.
В исследовании, опубликованном в феврале 2020 года, отмечается, что такое поведение быстрых радиовсплесков не вписывается ни в одну из существующих теорий об источниках их происхождения.
Периодичность сигнала натолкнула ученых на мысль о том, что источником быстрых радиовсплесков может быть звезда, вращающаяся по орбите другого космического тела. Если это действительно так, сигнал блокируется телом, вокруг которого вращается объект.
Однако ученые отмечают, что это объяснение — лишь гипотеза, к которой пока нет какого-либо подтверждения. В качестве другого объяснения авторы работы предлагают звездные ветры, которые могут попеременно усиливать и блокировать сигнал.
Кроме того, существует вероятность, что сам источник всплесков является вращающимся телом. Или за периодичность быстрых радиовсплесков ответственна некая комбинация описанных выше факторов. Единственное, в чем ученые уверены, — то, что наличие регулярного паттерна является ключом к пониманию природы радиовсплесков.
Что будет дальше?
Для более детального изучения быстрых радиовсплесков потребуются более совершенные с технической точки зрения радиотелескопы. Например, CHIME — используемый в канадском эксперименте по картированию интенсивности водорода радиотелескоп, с помощью которого исследователи обнаружили периодичность в радиовсплесках, может наблюдать за ними только в течение коротких отрезков времени. Поэтому вполне вероятно, что детектор пропускает многие всплески.
Вероятно, более чувствительные телескопы позволят «разглядеть» источники радиовсплесков и установить их природу. Пока эти события остаются одной из главных загадок астрофизики.