Швидкі радіосплески: види та методи дослідження

Швидкі радіосплески — це короткі, потужні та широкосмугові сигнали від компактних позагалактичних джерел нетеплової природи. У цій фразі сконцентровано чималу кількість досягнень всехвильової та радіоастрономії останніх десятиліть.

Динамічний спектр швидкого радіосплеску SGR 1935+2154. Джерело: Scholz et al., 2020

Детальне пояснення буде наведено трохи пізніше. Почнемо з моменту відкриття FRB (Fast Radio Burst — «швидкий радіосплеск») і проаналізуємо різні аспекти вивчення таких сплесків, оскільки часто методи є більш загальними й універсальними, ніж окремі відкриття, а аналогії можуть привести до глибшого розуміння природи якогось явища завдяки його зв’язкам з іншими. Отже, 2007 року при переобробці даних Парксівського багатопроменевого огляду пульсарів (радіотелескоп поблизу австралійського міста Паркс) було виділено короткий і потужний одиночний сплеск із двома найхарактернішими особливостями для подібних позаземних сигналів — дисперсійною затримкою в часі приходу випромінювання більш низької частоти стосовно більш високої за законом 1/ (що, у свою чергу, залежить від закону поширення випромінювання у плазмі) та більшого розсіяння («розмиття») хвоста на низьких частотах, ніж на високих.

Тут пояснення вимагає буквально кожен штрих: навіщо переобробляти старі дані, чому огляд є багатопроменевим, чому саме пульсарів, чи є цікавим пошук одиночних (транзієнтних, тобто таких, що більше ніколи не повторяться) сигналів, про що свідчить дисперсійна затримка та чому потрібно звертати увагу на розсіяння.

Радіотелескоп поблизу австралійського міста Паркс

Почнемо з того, що переобробка даних цього багатопроменевого огляду вже призвела до дуже цікавих результатів: за рік до відкриття першого FRB — так званого Lorimer burst («сплеск Лорімера») — була опублікована стаття в журналі Nature, де повідомлялося про відкриття так званих RRAT (Rotating RAdio Transient — «радіотранзієнтів, що обертаються») — нового типу нейтронних зірок, схожих на пульсари, але імпульси від них приходять значно рідше, ніж один раз за період. Це істотно розширило уявлення про галактичні імпульсні джерела випромінювання.

Варто нагадати, що, згідно з принципом причинності й обмеженості швидкості світла, розмір області випромінювання не може бути більшим за відстань, яку воно долає — точніше, не світло, а загальна причина зміни випромінювання — за характерний час імпульсу. Так, за тривалості в одну мілісекунду розмір цієї області не може перевищувати 300 км, а за умови тривалості спалаху, наприклад, 400 пікосекунд (так звані гігантські імпульси пульсара у Крабовидній туманності іноді є аж настільки короткими) — не перевищує 12 см! Невже таке крихітне за космічними мірками джерело може бути видно за дві тисячі парсеків (6,5 тисяч світлових років), що відділяють нас від Крабовидної туманності?!

«Сплеск Лорімера». Джерело: Wikipedia

Це той випадок, коли й саме питання, і ствердна відповідь на нього дуже важливі. Підсвідомо людина орієнтується на візуальні образи (наприклад, зорі). Але механізм випромінювання зірок — тепловий (згадаємо, що температура Сонця близька до 6000 K, і випромінює воно практично як чорне тіло), а у пульсарів — нетепловий, когерентний (близька аналогія — лазер). У випадку з пульсаром у «Крабі» ефективна температура, розрахована за формулою інтенсивності при тепловому випромінюванні, перевищує 10⁴¹ K! Крім того, через релятивістські ефекти промінь може бути додатково звуженим, і в максимумі діаграми спрямованості джерело може випромінювати енергії на кілька порядків більше, ніж у всіх інших напрямках.

Але поки такі джерела були невідомі, радіоастрономи йшли надійним шляхом підвищення чутливості — накопичували сигнал за часом і частотою, використовуючи так званий радіометричний виграш (квадратний корінь із добутку ширини частотної смуги та часової роздільної здатності). За таких умов навіть сильний, але короткий імпульс пульсара просто «тонув» у накопиченій енергії джерел безперервного випромінювання за час одного відліку, що сягав кількох хвилин.

Лише тоді, коли постали задачі дослідження коротких варіацій сигналів квазарів (мерехтіння в навколоземній і міжпланетній плазмі), і для підвищення чутливості було побудовано достатньо великий радіотелескоп, радіоастрономія отримала можливість реєстрації коротких імпульсних сигналів нових за своєю природою джерел випромінювання — нейтронних зірок.

Сам характер сигналу пульсара виявився настільки інформативним, що їхні пошукові огляди зайняли значну частину спостережного часу багатьох радіоастрономічних обсерваторій. Достатньо сказати, що за саме відкриття пульсарів було присуджено Нобелівську премію. Такою ж нагородою відзначили відкриття першого пульсара в подвійній системі (система Галса-Тейлора — пульсар і білий карлик), оскільки завдяки сильній гравітаційній взаємодії компонентів з’явилася можливість перевірки передбачень Загальної теорії відносності з недосяжною раніше точністю. Перше відкриття планет за межами Сонячної системи — причому саме в околицях пульсара — також було зроблене на основі аналізу зміни періоду пульсара В1257+12 за кілька років спостережень (Нобелівську премію 2019 року за відкриття планет поблизу зірок, подібних Сонцю, присудили за роботу, опубліковану двома роками пізніше).

Але, крім цих фундаментальних, але рідкісних досягнень, пульсари виявилися надзвичайно ефективним засобом для діагностики міжзоряного середовища. Радіоінтерферометричні вимірювання відстані до них, з одного боку, та вимірювання дисперсійного запізнення їхніх сигналів з іншого дозволяють визначати середню електронну густину в напрямку на пульсар із точністю до четвертої-шостої значущої цифри. А для невідомих, щойно відкритих джерел більша затримка (тобто вища «міра дисперсії») означає більшу відстань до джерела за умови однієї й тієї ж електронної густини. Лінійна поляризація сигналів і обертання площини поляризації через ефект Фарадея дозволяють вимірювати інтегральне магнітне поле на промені зору, а розсіяння — розподіл неоднорідностей міжзоряного середовища. Тому пошук і відкриття все нових і нових пульсарів, що зараз використовуються як «пробні маячки» в Галактиці, є радше дуже корисним інструментом для дослідників у різних галузях астрономії, ніж якоюсь абстрактною цінністю. Досить сказати, що на конференціях, присвячених навігації міжпланетних апаратів у космічному просторі, орієнтація за пульсарами займає в кілька разів більше часу й уваги учасників, ніж орієнтація за звичайними зiрками. З огляду на все вищесказане, відкриття швидких радіосплесків — це наступний важливий крок у пізнанні Всесвіту, тепер уже за межами Галактики.

Вивільнення енергії магнітного поля внаслідок «розтріскування» кори магнетара (візуалізація)

До 2000 року «томографія» Галактики за допомогою пульсарів давала досить точні значення відстаней до нових джерел імпульсного випромінювання. Але «сплеск Лорімера» мав у кілька разів більшу міру дисперсії, ніж може мати об’єкт Чумацького Шляху в заданому напрямку. При цьому за його межами (в міжгалактичному середовищі) густина електронів падає на три-чотири порядки, а це значить, що джерело розташоване в сусідній («далекій-далекій» ©) галактиці й відстань до нього вимірюється мегапарсеками!

Що могло би випромінювати такі потужні сигнали? Наскільки унікальне це явище? Ці питання знову актуалізували задачу огляду неба в радіодіапазоні та переобробку даних таких оглядів, де параметри спостережень були підходящими, тобто саме оглядів пульсарів.

Тут варто зазирнути на «кухню» радіоастрономії, де готується «страва» для наступних досліджень — ведеться очищення даних від перешкод і верифікація результатів. У детективній історії про «захист честі та гідності сплеску Лорімера» розсіяння зіграло велику роль. Але ще важливішим виявилося співставлення характеристик спостережень, які до астрономії, на перший погляд, не можуть бути причетними в принципі. Ну, наприклад, «коли у нас обід?»

«Сплеск Лорімера» дуже потужний, а отже — рідкісний. Коли в записах знайшли інші подібні сплески, вони були схожими, але не зовсім. Наприклад, ці сигнали не мали такої залежності розсіяння від частоти. У них були близькі значення міри дисперсії, потужності та часу появи. Вони навіть удостоїлися власної назви — «перитони». Врешті виявилося, що вони генеруються мікрохвильовою піччю сусіднього кафе при відкриванні дверцят — вимкненні магнетрона. Репутація всіх FRB (а особливо першого з них) опинилася під загрозою. І тільки багатопараметричний аналіз усіх сплесків дозволив виявити ті, що не мали нічого спільного з часом роботи кафе, орієнтацією однієї з бічних пелюсток радіотелескопа на джерело перешкод, наявністю або відсутністю залежності розсіяння (як уже згадувалося, для космічних сигналів на низьких частотах воно є більшим, ніж на високих). Аналіз сплесків за інтенсивністю та мірою дисперсії продемонстрував, що для деякого набору подій їхні розподіли мають більш природний вигляд, ніж для інших. Таким чином, боротьба з радіоперешкодами, що є дуже важливою при дослідженні повторюваних імпульсів пульсарів, для транзієнтних сигналів стає просто життєво необхідною. Тільки багатопараметричний аналіз дозволив довести космічне походження не лише «сплеску Лорімера», але й десятків інших сплесків.

Наступним підтвердженням позагалактичної природи FRB став досить рівномірний розподіл їхніх координат по небу. В Галактиці такі події концентрувалися би поблизу її головної площини (як пульсари) або якось виявляли би прив’язку до галактичних координат.

Природа таких потужних і коротких (як ми пам’ятаємо, це пов’язано з малими розмірами джерела) сплесків породила низку гіпотез і припущень. Спочатку це явище пов’язували з катастрофічними — а отже, поодинокими — подіями (падіння речовини на нейтронну зірку, злиття таких зірок і т.п.). Висловлювалися різноманітні припущення: від колапсу пульсара під впливом темної матерії з подальшим викидом частини магнітосфери до взаємодії космічних струн із плазмою, що пронизує ранній Всесвіт. Але відкриття спочатку одного (FRB 121102), а далі — кількох повторюваних сплесків змусило відмовитися від таких гіпотез, оскільки вони не можуть пояснити обидва типи подій.

Дисперсійне запізнення сигналів із далекого космосу (візуалізація)

Серед версій походження FRB до Вікіпедії потрапив і варіант «маленьких зелених чоловічків». Як пам’ятають ті, хто знайомий з історією відкриття пульсарів, тоді він також обговорювався. Але чомусь менше зацікавленості викликає та обставина, що тоді це питання не лише було поставлене, але й на нього отримали відповідь. Вже у першій роботі Ентоні Г’юїша (Antony Hewish) зі співавторами про відкриття пульсуючого радіоджерела було показано, що додаткового періодичного доплерівського зсуву, характерного для руху планети з «зеленими чоловічками» навколо своєї зірки (адже не на самій же зірці вони живуть!) виявлено не було. Єдиним винятком могла би стати орієнтація площини орбіти «їхньої» планети перпендикулярно до напрямку на Землю. Але такий самий результат був отриманий ще для трьох відкритих пульсарів, що робило подібну орієнтацію орбіт усіх планет і, відповідно, належність випромінювання відкритих імпульсів цивілізації «зелених чоловічків» украй малоймовірною. Тому підозри з них були зняті. У випадку з FRB вони, здається, також ні до чого, оскільки навряд чи витрата колосальної енергії на поодинокий і порівняно малоінформативний імпульс є розумною для будь-якої цивілізації.

Найбільш обґрунтованим є припущення про породження подібних імпульсів магнетарами. Ці об’єкти відомі як молоді залишки вибухів наднових, магнітні поля яких на два-три порядки сильніші за поля звичайних пульсарів. Вони можуть випромінювати як у високоенергетичній області спектра (гамма-діапазоні або рентгені), так і в сантиметровому діапазоні довжин радіохвиль. Не до кінця зрозумілим є механізм генерації одиночних імпульсів магнетарів: розглядається, наприклад, «розтріскування» кори пульсара чи якісь інші способи вивільнення колосальної енергії магнітного поля. Але спостереження на канадському радіотелескопі CHIME 28 квітня 2020 року призвели до реєстрації FRB 200428 — радіосплесків галактичного магнетара SGR 1935+2154, що на кілька порядків перевищують інтенсивність сплесків інших подібних джерел. Радіовипромінювання приймалося за допомогою дальньої бокової пелюстки (що стало зрозумілим після обробки даних) і тому було суттєво послабленим, але й за таких умов його інтенсивність виявилася цілком достатньою для чіткого виділення особливостей сплеску — наприклад, того, що він був подвійним. Такий рівень інтенсивності вже може пояснити сигнали від магнетарів у інших галактиках, особливо за умови вдалої орієнтації джерела у просторі та згадуваного додаткового релятивістського звуження діаграми спрямованості випромінювання.

Джерелом гравітаційної події GW170817 стало зіткнення двох нейтронних зірок — надмасивних об’єктів, кожен із яких являє собою фінальну стадію еволюції світила з масою від 8 до 25 сонячних. Спочатку вони були компонентами подвійної системи, а потім пережили вибухи наднових і перетворилися на «подвійний пульсар». Орбітальна енергія екзотичної пари поступово витрачалася на випромінювання гравітаційних хвиль, нейтронні зірки наближалися одна до одної, поки не зіткнулися. Їхнє злиття супроводжувалося виділенням величезної кількості енергії в усіх діапазонах спектра. Ілюстрація: CXC/M. Weiss; Знімки у рентгенівському діапазоні: NASA/CXC/Trinity University/D. Pooley et al

У зв’язку з величезними енергіями FRB варто згадати й одне з найбільших досягнень науки останнього десятиліття — детектування гравітаційних хвиль. Найближчими до нашої теми є «слабкі» події — злиття нейтронних зірок (на кшталт події GW170817, що спостерігалася 17 серпня 2017 року), коли були виявлені як гравітаційні хвилі, так і випромінювання на різних частотах — від сантиметрового до гамма-діапазону. Це було народженням так званої multi-messenger astronomy — «багатоканальної» астрономії, що співставляє сигнали не лише всього спектра електромагнітних хвиль, але й різних інформаційних/силових полів. Зі зростанням як чутливості гравітаційних детекторів, так і уніфікації обробки супутникових даних рентгенівського та гамма-діапазону, а також оптичних і радіотелескопів, сигнали FRB та події на кшталт GW170817 стануть нашими пробними «імпульсними генераторами» для вивчення позагалактичного простору.

І наостанок — для любителів астрономії.

Краса нічного неба приваблює мільйони людей, які мріють торкнутися Всесвіту, спостерігати та досліджувати його за допомогою аматорських телескопів. Деякі з цих пристроїв працюють віддалено. А майбутньою Меккою всехвильової, багатоканальної та радіоастрономії (сподіваємося, в недалекому майбутньому) буде зворотна сторона Місяця. Там немає ані перешкод від радіостанцій, ані засвічення від атмосфери. Місячна тектонічна активність також не повинна породжувати серйозні завади для гравітаційних детекторів. Було б добре, якби телескопи всіх діапазонів на природному супутнику Землі стали доступними для астрономів-аматорів (про професіоналів не йдеться — вони отримають доступ значно раніше), бо існує дедалі серйозніша проблема обробки постійно зростаючого потоку даних. Тоді маса попередньо оброблених спостережень і проєкти на кшталт SETI@Home могли би стати початком нової ери осягнення таємниць Всесвіту.

Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!

Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine