Астрономи змогли пояснити загадкові радиопослания з космосу

Десь на початку цього року Брайан Метцгер зрозумів, що наданий сам собі — ніяких вхідних листів, ніяких уроків — і що може бути, тільки може бути, він намацав відповідь на одну з найбільш наполегливих загадок астрономії. Він озвірів і спробував зачепитися за цей відповідь, переживаючи, що невелика помилка може все зіпсувати, або хто-небудь інший складе всі частини воєдино першим. «Намагаєшся наздогнати, тому що інші люди, можливо, теж це бачать», говорить Метцгер, астрофізик Колумбійського університету.

Разом з безліччю інших учених по всьому світу Метгцер провів останні кілька років у мозковому штурмі, намагаючись зрозуміти швидкі радиовсплески (FRB). Це мілісекунд спалаху інтенсивних і непояснених радіосигналів, що поширюються по всьому небу, тимчасово затьмарюючи радіопульсари в нашій галактиці, незважаючи на те, що знаходяться у мільйони разів далі. До 2013 року багато астрофізики взагалі сумнівався в їхньому існуванні. За минулі роки вчені привели десятки можливих пояснень того, що могло бути причиною їх появи. Один каталог налічує 48 окремих теорій.

тобто, теорій було більше, ніж самих подій, які вони намагалися пояснити.

Швидкі радиовсплески: що це таке?

Теорія FRB потребує двох частинах. Є підозрюваний — астрофізичний монстр, який може вивільняти величезні суми енергії. Є зброя — щось, що перетворює цю енергію в яскравий, дивовижний та незвичайний радіосигнал.

Тепер ось Метцгер і його колеги вважають, що змогли відновити місце злочину. На початку цього місяця вони опублікували на сайті препринтів arXiv.org статтю, в якій накидали спосіб появи швидких радиовсплесков з вибухів в областях космосу, усіяних щільними хмарами частинок і магнітними полями.

модель віддає перевагу, але не вимагає, магнетара в якості джерела вибухів. Магнетара — це молода нейтронна зірка, яка іноді відригує заряджені частинки у вигляді величезної версії викид корональної маси, які відбуваються на . Кожен новий вибух врізається в навколишній безлад. Коли це відбувається, народжується ударна хвиля, яка, в свою чергу, генерує коротку схожу на лазер спалах радіохвиль у всесвіт.

«У загальних рисах це безумовно має сенс», говорить Джеймс Корден, астрофізик Корнельського університету, додаючи, однак, що подальші деталі потребують опрацювання. «Я б сказав, що це хороша конячка, на яку можна ставити».

Однак що дійсно подобається астрономам, так це те, що теорія Метцгера генерує цілком конкретні прогнози щодо того, як повинні виглядати майбутні FRB. Отже, ці прогнози можна буде перевірити, піддавши випробувань. Новий канадський радіотелескоп CHIME, як очікується, повинен буде знаходити від однієї до десяти FRB в день, коли запрацює на повну потужність в кінці цього року. Під час первинних випробувань минулого літа він виявив десяток спалахів. Результати його роботи . «Я думаю, що протягом наступного року або близько того ми зможемо дуже добре це перевірити», говорить Шрихарш Тендулкар, астрофізик Університету Макгілла, член команди FRB CHIME.

На швидкості ударної хвилі

Теорія, розроблена Метгцером та його колегами Беном Маргалитом і Лоренцо Сирони, заснована на найбільшому прорив у справі FRB. У 2016 році команда на чолі з Лаурою Спитлер з Інституту радіоастрономії Макса Планка в Бонні, Німеччина, опублікувала свої результати вивчення першої в історії повторившейся FRB. Раніше кожне з цих подій було поодиноким. З-за цього астрономи не могли відстежити, де в небі вони народжувалися, тому нічого не знали про спалахи, хоч і підозрював, що ті з'являються далеко за межами нашої галактики. Але одна спалах з'явилася після іншої.

Та незабаром радиоастрономы змогли виявити її походження в маленькій, деформованої карликовій галактиці. Намагаючись вичавити кожну підказку з цих радіосигналів, вони виявили, що все народжується в щільному регіоні плазми, захопленої сильними магнітними полями. Вони також виявили, що сплеск був оточений тьмяним, але стабільним радиосвечением. І в минулому листопаді астроном Джейсон Хессельс (разом з Спитлером та іншими) помітив дещо дивне: кожен сплеск тривалістю в частки секунди насправді містить кілька подвсплесков, які поступово зміщуються вниз від більш високих до більш низьких радіочастот.

Для команди Метгцера ця остання порада видалася напрочуд знайомої. У 1950-х роках фізики вивчали вибухові хвилі ядерних вибухів, щоб оцінити їх вихідну потужність. У цих моделях ударні фронти ядерних вибухів поглинають більше газу, оскільки розширюються назовні. Цей додатковий вага уповільнює удар, а оскільки він сповільнюється, що випускається з ударного фронту радіація зміщується вниз по частоті, завдяки ефекту Доплера.

Метгцер задумався, що цей ефект вибухової хвилі може натякнути на справжню природу FRB. І раптом, раптово, на початку січня телескоп CHIME підхопив ще одне повторювана подія. В цей раз повторювані радіосигнали показали той же спадний зсув частоти. «Ідея зародилася ще з першим повторенням», говорить Метцгер. «Але побачивши це вияв у FRB, я заробив у подвоєному темпі».

Тепер Метцгер, Маргалит і Сирони випустили свою повну модель, засновану головним чином на поясненні вводів і висновків з першого повторення. Уявіть собі магнетара, нейтронну зірку розміром з місто, викувану наднової за кількадесятиліть до цього, з киплячою і вздымающейся поверхнею. Як сонце в непогожий день, цей молодий магнетара випускає випадкові сплески, які вистрілюють електрони, позитрони і може бути навіть важкі іони на швидкості, близькій до швидкості світла.

Коли цей матеріал запускається, він стикається з більш старими частками, испущенными в попередні сплески. Там, де новий викид стикається зі старим, він накопичує ударний шок, всередині якого вирують магнітні поля. Коли шок виштовхується назовні, електрони обертаються всередині вздовж ліній магнітного поля, і цей рух породжує сплеск радіохвиль. Оскільки ударний шок сповільнюється, сигнал зміщується з більш високих частот на більш низькі. А астрономи на Землі отримують захоплюючі радиопослания.

І хоча все це звучить цікаво, ідея повинна буде пройти наступний етап випробувань в історії швидких радиовсплесков. Поки це самий прорахований і глибоко продуманий сценарій. «Вони зробили самі докладні розрахунки і змогли дати конкретні прогнози для спостережень», говорить Спитлер.

Модель Метгцера передбачає ряд специфічних особливостей, якими повинні володіти майбутні FRB. По-перше, всі майбутні FRB повинні слідувати за тим же зниженням частоти. Вони можуть показувати гамма-променеві або рентгенівські викиди, які астрономи начебто Спитлера вже почали шукати. Вони повинні знаходитися в галактиках, в яких утворюється безліч нових зірок і з'являються свіжі магнетары. І коли вони дійсно повторюються, вони повинні робити перерви після того, як астрономи спостерігають велику спалах. У цей момент система настільки забита матеріалом, що подальші спалахи не можуть вирватися.

Тепер модель Метгцера стикається з безліччю інших, все ще життєздатних теорій. Швидкі радиовсплески можуть бути наслідком злиття нейтронних зірок, які телескопи і детектори гравітаційних хвиль вперше зловили в 2017 році. Нейтронні зірки можуть народжувати FRB, стикаючись з іншими об'єктами, такими як чорні діри і білі карлики, коли самі колапсують в чорні діри або коли їх магнітні силові лінії вириваються сильними потоками плазми.

І незрозуміло, чи з'являються все FRB з одного виду події.

Дані продовжують накопичуватися, поле звужується. За останні п'ять місяців, поки CHIME перебував у стадії введення в експлуатацію, вчені виявили більше сплесків, які вони поки не представили публіці.

Після декількох років вивчення розрізнених даних і теоретичних мрій, рішення, нарешті, виявилося на відстані витягнутої руки

Підпишіться , щоб не пропускати новини з космічних полів.