Быстрые радиовсплески — это короткие, мощные и широкополосные сигналы от компактных внегалактических источников нетепловой природы. В этой фразе сконцентрировано значительное число достижений всеволновой и радиоастрономии последних десятилетий.
Детальное объяснение будет приведено немного позже. Начнем с момента открытия FRB (Fast Radio Burst — быстрый радиовсплеск») и проанализируем различные аспекты изучения таких всплесков, поскольку часто методы являются более общими и универсальными, чем отдельные открытия, а аналогии могут привести к более глубокому пониманию природы какого-то явления благодаря его связям с другими. Итак, в 2007 году при переобработке данных Парксовского многолучевого обзора пульсаров (радиотелескоп вблизи австралийского города Паркс) был выделен короткий и мощный одиночный всплеск с двумя наиболее характерными особенностями для подобных внеземных сигналов — дисперсионной задержкой по времени прихода излучения более низкой частоты относительно более высокой по закону 1/f² (что, в свою очередь, зависит от закона распространения излучения в плазме) и большего рассеяния («размытия») хвоста на низких частотах, чем на высоких.
Тут объяснения требует буквально каждый штрих: зачем переобрабатывать старые данные, почему обзор является многолучевым, почему именно пульсаров, интересен ли поиск одиночных (транзиентных, то есть больше никогда не повторяющихся) сигналов, о чем свидетельствует дисперсионная задержка и почему нужно обращать внимание на рассеяние.
Начнем с того, что переобработка данных этого многолучевого обзора уже привела к очень интересным результатам: за год до открытия первого FRB — так называемого Lorimer burst («всплеск Лоримера») — была опубликована статья в журнале Nature, где сообщалось об открытии так называемых RRAT (Rotating RAdio Transient — «вращающиеся радиотранзиенты») — нового типа нейтронных звезд, похожих на пульсары, но импульсы от них приходят значительно реже одного раза за период. Это существенно расширило представления о галактических импульсных источниках излучения.
Стоит напомнить, что, согласно принципу причинности и ограниченности скорости света, размер области излучения не может быть больше расстояния, которое он преодолевает — точнее, не свет, а общая причина изменения излучения — за характерное время импульса. Так, при продолжительности в одну миллисекунду размер этой области не может превышать 300 км, а при продолжительности вспышки, например, 400 пикосекунд (так называемые гигантские импульсы пульсара в Крабовидной туманности иногда настолько коротки) — не превышает 12 см! Неужели столь крошечный по космическим меркам источник может быть виден за две тысячи парсеков (6,5 тысячи световых лет), отделяющих нас от Крабовидной туманности?!
Это именно тот случай, когда и сам вопрос, и утвердительный ответ на него весьма важны. Подсознательно человек ориентируется на визуальные образы (например, звезды). Но механизм излучения звезд — тепловой (вспомним, что температура Солнца близка к 6000 K и излучает оно практически как черное тело), а у пульсаров — нетепловой, когерентный (близкая аналогия — лазер). В случае с пульсаром в «Крабе» эффективная температура, рассчитанная по формуле интенсивности при тепловом излучении, превышает 10⁴¹ K! Кроме того, из-за релятивистских эффектов луч может быть дополнительно сужен, и в максимуме диаграммы направленности источник может излучать энергии на несколько порядков больше, чем во всех других направлениях.
Но пока такие источники были неизвестны, радиоастрономы шли надежным путем повышения чувствительности — накапливали сигнал по времени и частоте, используя так называемый радиометрический выигрыш (квадратный корень из произведения ширины частотной полосы и временного разрешения). В таких условиях даже сильный, но короткий импульс пульсара просто «тонул» в накопленной энергии источников непрерывного излучения за время одного отсчета, достигавшего нескольких минут.
Лишь тогда, когда возникли задачи исследования коротких вариаций сигналов квазаров (мерцание в околоземной и межпланетной плазме), и для повышения чувствительности был построен достаточно большой радиотелескоп, радиоастрономия получила возможность регистрации коротких импульсных сигналов новых по своей природе источников излучения — нейтронных звезд.
Сам характер сигнала пульсара оказался столь информативным, что их поисковые обзоры заняли значительную часть наблюдательного времени многих радиоастрономических обсерваторий. Достаточно сказать, что за само открытие пульсаров была присуждена Нобелевская премия. Такой же наградой было отмечено открытие первого пульсара в двойной системе (система Халса-Тейлора — пульсар и белый карлик), поскольку благодаря сильному гравитационному взаимодействию компонентов появилась возможность проверки предсказаний Общей теории относительности с недостижимой ранее точностью. Первое открытие планет за пределами Солнечной системы — причем именно в окрестностях пульсара — также было сделано на основе анализа изменения периода пульсара В1257+12 за несколько лет наблюдений (Нобелевскую премию 2019 года за открытие планет вблизи солнцеподобных звезд присудили за работу, опубликованную двумя годами позже).
Однако, помимо этих фундаментальных, но редких достижений, пульсары оказались чрезвычайно эффективным средством для диагностики межзвездной среды. Радиоинтерферометрические измерения расстояния до них, с одной стороны, и измерение дисперсионного запаздывания их сигналов с другой позволяют определять среднюю электронную плотность в направлении пульсара с точностью до четвертой-шестой значимой цифры. А для неизвестных, только что открытых источников большая задержка (то есть более высокая «мера дисперсии») означает большее расстояние до источника при условии одной и той же электронной плотности. Линейная поляризация сигналов и вращение плоскости поляризации из-за эффекта Фарадея позволяют измерять интегральное магнитное поле на луче зрения, а рассеяние — распределение неоднородностей межзвездной среды. Поэтому поиск и открытие все новых пульсаров, используемых сейчас как «пробные маячки» в Галактике, является скорее полезным инструментом для исследователей в различных областях астрономии, нежели какой-то абстрактной ценностью. Достаточно сказать, что на конференциях, посвященных навигации межпланетных аппаратов в космическом пространстве, ориентация по пульсарам занимает в несколько раз больше времени и внимания участников, чем ориентация по обычным звездам. Учитывая все вышесказанное, открытие быстрых радиовсплесков — это следующий важный шаг в познании Вселенной, теперь уже за пределами Галактики.
До 2000 года «томография» Галактики с помощью пульсаров давала удовлетворительно точные значения расстояний до новых источников импульсного излучения. Но «всплеск Лоримера» имел в несколько раз большую степень дисперсии, чем может иметь объект Млечного Пути в заданном направлении. При этом за его пределами (в межгалактической среде) плотность электронов падает на три-четыре порядка, а это значит, что источник расположен в соседней («далекой-далекой» ©) галактике и расстояние до него измеряется мегапарсеками!
Что могло бы излучать такие мощные сигналы? Насколько уникально это явление? Эти вопросы снова актуализировали задачу обзора неба в радиодиапазоне и переобработку данных таких обзоров, где параметры наблюдений были подходящими, то есть именно обзоров пульсаров.
Тут следовало бы заглянуть на «кухню» радиоастрономии, где готовится «блюдо» для дальнейших исследований — производится очистка данных от помех и верификация результатов. В детективной истории о «защите чести и достоинстве всплеска Лоримера» рассеяние сыграло огромную роль. Но еще более важным оказалось сопоставление характеристик наблюдений, которые к астрономии, на первый взгляд, не могут быть причастными в принципе. Ну, например, «когда у нас обед?»
«Всплеск Лоримера» — очень мощный, а значит — редкий. Когда в записях нашли другие подобные всплески, они оказались похожими, но не совсем. К примеру, эти сигналы не имели такой зависимости рассеяния от частоты. У них были близкие значения степени дисперсии, мощности и времени появления. Они даже удостоились собственного названия — «перитоны». Наконец, оказалось, что они генерируются микроволновой печью соседнего кафе при открывании дверцы — выключении магнетрона. Репутация всех FRB (особенно первого из них) оказалась под угрозой. И только многопараметрический анализ всех всплесков позволил выявить те, которые не имели ничего общего со временем работы кафе, ориентацией одного из боковых лепестков радиотелескопа на источник помех, наличием или отсутствием зависимости рассеяния (как уже упоминалось, для космических сигналов на низких частотах оно больше, чем на высоких). Анализ всплесков по интенсивности и степени дисперсии продемонстрировал, что для некоторого набора событий их распределение выглядят более естественным, чем для других. Таким образом, борьба с радиопомехами, очень важная при исследованиях повторяющихся импульсов пульсаров, для транзиентных сигналов становится просто жизненно необходимой. Лишь многопараметрический анализ позволил доказать космическое происхождение не только «всплеска Лоримера», но и десятков других всплесков.
Следующим подтверждением внегалактической природы FRB стало достаточно равномерное распределение их координат по небу. В Галактике такие события концентрировались бы вблизи ее главной плоскости (как пульсары) или как-то проявляли бы привязку к галактическим координатам.
Природа таких мощных и коротких всплесков (как мы помним, это связано с малыми размерами источника) породила целый ряд гипотез и предположений. Сначала это явление связывали с катастрофическими — а значит, единичными — событиями (падение вещества на нейтронную звезду, слияние таких звезд и т.п.). Высказывались различные предположения: от коллапса пульсара под влиянием темной материи с последующим выбросом части магнитосферы до взаимодействия космических струн с плазмой, пронизывающей раннюю Вселенную. Но открытие сначала одного (FRB 121102), а далее нескольких повторяющихся всплесков заставило отказаться от таких гипотез, поскольку они не могут объяснить оба типа событий.
Среди версий происхождения FRB в Википедию попал и вариант «маленьких зеленых человечков». Как помнят те, кто знаком с историей открытия пульсаров, тогда он тоже обсуждался. Но почему-то меньше интереса вызывает то обстоятельство, что тогда этот вопрос не только был поставлен, но и на него получили ответ. Уже в первой работе Энтони Хьюиша (Antony Hewish) с соавторами об открытии пульсирующего радиоисточника упоминалось, что дополнительный периодический доплеровский сдвиг, характерный для движения планеты с «зелеными человечками» вокруг своей звезды (не на самой же звезде они живут!) обнаружен не был. Единственным исключением могла бы стать ориентация плоскости орбиты их планеты перпендикулярно направлению на Землю. Но такой же результат был получен еще для трех открытых пульсаров, что делало подобную ориентацию орбит всех планет и соответственно принадлежность открытых импульсов цивилизации «зеленых человечков» крайне маловероятной. Поэтому подозрения с них были сняты. В случае с FRB они, кажется, также ни при чем, поскольку вряд ли расход колоссальной энергии на одиночный и сравнительно малоинформативный импульс разумен для любой цивилизации.
Наиболее обоснованным является предположение о порождении подобных импульсов магнетарами. Эти объекты известны как молодые остатки взрывов сверхновых, магнитные поля которых на два-три порядка сильнее полей обычных пульсаров. Они могут излучать как в высокоэнергетической области спектра (гамма-диапазон или рентген), так и в сантиметровом диапазоне длин радиоволн. Не до конца понятен механизм генерации одиночных импульсов магнетаров: рассматривается, например, «растрескивание» коры пульсара либо другие способы высвобождения колоссальной энергии магнитного поля. Однако наблюдения на канадском радиотелескопе CHIME 28 апреля 2020 года привели к регистрации FRB 200428 — радиовсплесков галактического магнетара SGR 1935+2154, на несколько порядков превышающих интенсивность всплесков других подобных источников. Радиоизлучение принималось с помощью дальнего бокового лепестка (что стало понятным после обработки данных) и потому было существенно ослабленным, но и в таких условиях его интенсивность оказалась вполне достаточной для четкого выделения особенностей всплеска — например, того, что он был двойным. Такой уровень интенсивности уже может объяснить сигналы от магнетаров в других галактиках, особенно при удачной ориентации источника в пространстве и дополнительного релятивистского сужения диаграммы направленности излучения.
В связи с огромными энергиями FRB следует упомянуть и одно из величайших достижений науки последнего десятилетия — детектирование гравитационных волн. Ближайшие к нашей теме «слабые» события — слияния нейтронных звезд (вроде события GW170817, наблюдавшегося 17 августа 2017 года), когда были обнаружены как гравитационные волны, так и излучение на разных частотах — от сантиметрового до гамма-диапазона. Это стало рождением так называемой multi-messenger astronomy — «многоканальной» астрономии, сопоставляющей сигналы не только электромагнитного спектра, но и различных информационных/силовых полей. С ростом как чувствительности гравитационных детекторов, так и унификации обработки спутниковых данных рентгеновского и гамма-диапазона, а также оптических и радиотелескопов, сигналы FRB и события типа GW170817 станут нашими пробными «импульсными генераторами» для изучения внегалактического пространства.
И напоследок — для любителей астрономии.
Красота ночного неба привлекает миллионы людей, мечтающих прикоснуться ко Вселенной, наблюдать и исследовать ее с помощью любительских телескопов. Некоторые из этих устройств работают удаленно. А будущей Меккой всеволновой, многоканальной и радиоастрономии (надеемся, в скором будущем) станет обратная сторона Луны. Там нет ни помех от радиостанций, ни засветки от атмосферы. Лунная тектоническая активность также не должна создавать серьезных помех для гравитационных детекторов. Было бы неплохо, если бы телескопы всех диапазонов на естественном спутнике Земли сделали доступными для астрономов-любителей (о профессионалах речь не идет — они получат доступ гораздо раньше), поскольку существует все более серьезная проблема обработки постоянно растущего потока данных. Тогда масса предварительно обработанных наблюдений и проекты типа SETI@Home могли би стать началом новой эры постижения тайн Вселенной.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t. me/ustmagazine
