истории

«Что-то шипит, трещит и щелкает». Астрономы давно спорят о природе странных коротких радиосигналов — сейчас их источник впервые нашли в Млечном пути

Источник: Meduza

Быстрые радиовсплески — одно из самых загадочных явлений в космосе. Эти крайне мощные сигналы приходят к нам из далеких галактик и за доли секунд излучают в радиодиапазоне столько же энергии, сколько Солнце — за год. Долгое время их природа оставалась неизвестной: выдвигались самые разные предположения, некоторые даже считали, что это «позывные» инопланетных цивилизаций. Однако новый быстрый радиовсплеск FRB 200428, зарегистрированный международной командой астрономов, похоже, наконец-то позволяет поставить точку в этом споре.

28 апреля 2020 года астрономы зарегистрировали быстрый радиовсплеск в Млечном пути. До сих пор эти короткие, но крайне мощные вспышки наблюдались лишь в других галактиках. Благодаря тому, что радиовсплеск совпал с рентгеновским всплеском магнитара, ученым удалось точно определить его источник. Им стала сильно «намагниченная» нейтронная звезда, или магнитар, SGR J1935+2154, находящаяся в 30 тысячах световых лет от Земли в созвездии Лисички. 

Версия, что подобные вспышки могут порождаться магнитарами, существовала уже давно, но теперь у ученых впервые появились прямые доказательства. Благодаря тому, что область неба, где находится SGR J1935+2154, наблюдали одновременно несколько инструментов, включая CHIME, STARE2 и 500-метровый радиотелескоп FAST, исследователи смогли более детально изучить событие. Чтобы понять, что открытие означает для астрономии, а также на какие новые вопросы придется теперь ответить ученым, мы поговорили с доктором физико-математических наук, ведущим научным сотрудником Государственного астрономического института имени Штенберга (ГАИШ МГУ) Сергеем Поповым.

— Расскажите, пожалуйста, как астрономы вообще узнали о существовании быстрых радиовсплесков и какие самые безумные теории они выдвигали, чтобы их объяснить?

— В начале XXI века появилась технология, которая позволяет при радиоастрономических наблюдениях выделять отдельные, не повторяющиеся и очень короткие всплески и идентифицировать их как астрономические объекты. Это сложная задача. Все, кто слушал радиоприемник на коротких волнах, знают, что там постоянно что-то шипит, трещит и щелкает — и вот примерно на таком же фоне ученым нужно было суметь выделить быстрый астрономический сигнал.

Первым большим открытием, сделанным в рамках такого подхода, стали так называемые вращающиеся транзиенты. Довольно быстро стало ясно, что это некий подкласс нейтронных звезд, немного похожий на всем известные радиопульсары, но все же от них отличающийся. Если пульсары — постоянный источник радиоизлучения, то в случае с транзиентами не каждый оборот нейтронной звезды позволяет нам увидеть вспышку.

Технология появилась, ее использовали — брали обзорные данные и в них искали короткие радиовсплески. И в 2007 году появилась статья, где был представлен еще один необычный сигнал, который отличался от всплесков вращающихся транзиентов. Это был одиночный и очень мощный миллисекундный всплеск, который пришел из неприметного места — ничего интересного в направлении на источник не наблюдалось. Его свойства указывали на то, что он мог исходить от объекта, находящегося в какой-то другой очень далекой галактике. Ничего похожего раньше не видели.

В 2007 году эти результаты казались надежными, поэтому их опубликовали в одном из самых известных научных журналов Science. С другой стороны, этот всплеск был один, поэтому особого ажиотажа открытие не вызвало. Но уже в 2007 году появилась идея, что такие сигналы могут быть связаны со вспышками магнитаров. Магнитары — это особый класс нейтронных звезд [обладающих очень сильным магнитным полем]. Можно сказать, что они были обнаружены у нас в стране сотрудниками Физико-технического института имени Иоффе (хотя, конечно, это все же результат коллективной работы нескольких групп в разных странах).  

После открытия люди пытались искать похожие всплески, но то, что они находили, имело земное происхождение, поэтому волнения поутихли. Однако в 2013 году в журнале Science появилась еще одна статья, Дэна Торнтона с соавторами, где они представили четыре новых внегалактических радиовсплеска (тогда же было предложено название Fast Radio Bursts). И тут пошла волна теорий.

На самом деле, даже в 2007 году было высказано больше одной теории, но полный набор сформировался в 2013 году. В более консервативных версиях предлагалось связывать быстрые радиовсплески с нейтронными звездами, потому что они способны давать мощные радиовспышки — вращающиеся транзиенты тому пример. Может быть, магнитары могут давать еще более мощные? Говорили также и об известных катастрофических событиях, например, о гамма-всплесках, вспышках сверхновых, слиянии нейтронных звезд.

В то же время люди бросились выдвигать и экзотические гипотезы, что очень понятно. В физике есть много идей, которые, скорее всего, в природе не реализуются, но, когда теоретик видит необычное явление, он пытается применить свою любимую модель для описания. Поэтому, помимо нейтронных звезд, рассматривались испаряющиеся черные дыры, белые дыры, космические струны и превращение нейтронной звезды в кварковую звезду.

— Можете подробнее рассказать о космических струнах? Что это за объекты?

— В молодой Вселенной могут формироваться такие объекты, которые называются космическими струнами. Струна — потому что это одномерный объект. Она может быть очень большой по протяженности и обладать огромной энергией. Ее появление в некотором смысле связано с топологией пространства. Перегиб космической струны, как полагают некоторые теоретики, может приводить к возникновению мощных источников, и это пытались применить к быстрым радиовсплескам. В целом, это популярная идея — в том смысле, что никак не исчезнет. Люди их ищут, найти не могут и вряд ли найдут.

— Хорошо, давайте тогда вернемся к остальным объяснениям.

— Да. В целом, было довольно много идей, и астрономы начали обсуждать, что именно надо увидеть, чтобы решить, какая из них правильная. Так, вскоре после 2013 года был обнаружен источник повторяющихся всплесков (сегодня их известно более двух десятков) — и это сразу убило все катастрофические сценарии. Просто потому что не может сверхновая вспыхнуть на бис 20 раз. Кроме того, важно, чтобы события происходили достаточно часто. Это отмело все редкие сценарии, такие как космические струны. Потом, наконец, научились находить галактики, в которых происходили всплески — пока что успеха удалось добиться лишь в пяти случаях — что тоже позволило отбросить несколько вариантов.

В итоге спустя пять лет на повестке дня осталось два основных сценария: магнитары (то есть излучается энергия магнитного поля нейтронной звезды) или подвид пульсаров (то есть излучается энергия вращения нейтронной звезды). Здесь у всех были свои предсказания.

В магнитарной модели, естественно, с самого начала было простое предсказание. В галактике есть около 30 известных магнитаров, которые периодически вспыхивают в рентгеновском и гамма-диапазоне. Если магнитары являются источниками быстрых радиовсплесков, то необходимо увидеть радиовсплеск от хорошо известного магнитара в нашей галактике. Надежды на это было мало, поэтому подобная «охота» казалась не лучшим способом проверки.

Но неожиданно в этом году такой случай представился. Одновременно в апреле две радиоастрономические установки «поймали» всплеск, и четыре космических прибора, включая российский Konus-WInd, зарегистрировали рентгеновские вспышки, совпадающие по времени и по форме (вспышка двойная) с быстрыми радиовсплесками.

— Можно сразу вопрос: это открытие — научное везение или у нас просто наконец-то появились для этого возможности, и это закономерное следствие развития технологий?

— На самом деле, абсолютного везения не бывает. Здесь как в известном анекдоте — надо хотя бы купить лотерейный билет. Например, недавно в Германии «выстрелил» клуб «Лейпциг», а когда слабый клуб достигает больших успехов — с одной стороны, это элемент везения, но я, например, не выиграл кубок, потому что не тренируюсь и в футбол не играю. Иными словами, чтобы так повезло, надо очень много работать.

Две радиоустановки, с помощью которых было сделано открытие, новые, и они действительно специально сделаны для поиска быстрых радиовсплесков. То, что они появились, очень важно, без них пришлось бы гораздо больше ждать. Повезло, что зарегистрировать всплеск получилось так быстро — но его бы все равно увидели, просто позже.

Зато открытие служит хорошей иллюстрацией того, что в науке бывает элемент невезения. Одна из вышедших в Nature статей была написана учеными, работавшими на самом большом радиотелескопе в мире FAST. Они наблюдали этот объект до вспышки и после нее, но не в момент. Точно так же и в рентгеновском диапазоне, во время всплеска один из известных аппаратов смотрел в другую сторону. Просто не повезло.

— Если говорить об открытии, то какие выводы оно позволяет нам сделать? Можно ли сказать, что вопрос с быстрыми радиовсплесками закрыт?

— Оптимисты говорили еще в апреле, что магнитарная модель полностью подтверждена. Однако нужно еще проделать некоторую работу. Поскольку вспышка произошла в нашей Галактике, то не удивительно, что она довольно слабая. Слабые вспышки происходят часто, но с больших расстояний мы их, естественно, не видим. Хочется или дождаться более мощных вспышек от галактических магнитаров, или, нарастив чувствительность, а может, просто при удачных обстоятельствах, увидеть вспышку в непосредственной близости — например, в галактике не в ста миллионах световых лет, а в десяти. Это было бы действительно здорово. Поэтому есть еще что открыть, чтобы окончательно убедиться. Пока что магнитарный сценарий выигрывает, но это еще не финальная победа.

И другой открытый вопрос — а как именно это происходит? Если вы пришли к врачу, вам хочется не только услышать диагноз, но и понять, как протекает болезнь, как она возникла, как лечить. Точно так же и здесь: мы поняли, что магнитары производят вспышки, но как? Это открывает большой простор для работы. Хорошим примером может служить история с радиопульсарами, которые открыли более пятидесяти лет назад. Довольно быстро поняли, что это нейтронные звезды, они близко, их тысячи, но мы до сих пор в мелких деталях не знаем, какие процессы там происходят и что за физика за этим стоит. Не исключено, что так может произойти и с магнитарами. На прошлой неделе вышла другая статья от астрономов с телескопа FAST, которая говорит о том, что вспышка происходит внутри магнитного поля магнитара, то есть внутри магнитосферы. Это очень важное наблюдение, которое помогает сделать следующий шаг и начать детализировать механизм.

— Можно ли сказать, что магнитары — это такие «фермы» по производству быстрых радиовсплесков? Каждый ли магнитар производит подобные сигналы? Ученые говорят о единичных и повторяющихся всплесках, и можно ли сказать, что их производят одни и те же объекты?

— Это хороший вопрос, и дать на него ответ сложно. У каждого ученого, занимающегося подобными исследованиями, есть свое мнение. Я склонен считать, что источники повторяющихся всплесков более молодые — и поэтому они более активны. Это один вариант. Но проблема в том, что быстрые радиовсплески могут делиться больше, чем на два подкласса. Есть еще пара источников, у которых периоды активности повторяются — например, три дня активен, две недели «молчит», потом снова три недели активен. Это говорит, что с ним что-то происходит, например, он находится в двойной системе, где объекты вращаются вокруг общего центра масс. Может быть, это влияет на повторяемость каким-то образом.

— Есть ли какие-то особенности у вспышки FRB 200428? Может быть, она чем-то не похожа на другие? И как так вышло, что быстрый радиовсплеск в Млечном пути увидели только сейчас?

— Как я уже сказал, магнитаров в нашей Галактике около тридцати — и, на самом деле, это немного. На высоких частотах, в которых проводятся радионаблюдения, невозможно следить за всем небом, и даже за большими его кусками. Поэтому просто маловероятно увидеть вспышки галактических магнитаров — так, сейчас астрономы активно следят за магнитаром, о котором говорится в статье, и он «молчит». В радиодиапазоне, в отличие от рентгена, подобные всплески происходят редко.

Если говорить о FRB 200428, то первые рисунки показывают, что в рентгене она действительно отличается от других, это как раз хорошо показывают данные коллег из ФТИ. Можно сказать, что с физической точки зрения что-то происходило там не так, и это интересно. Модели пытаются воспроизвести события, но пока что не совсем успешно.

— А почему ученые в принципе интересуются быстрыми радиовсплесками? Можно ли их как-то использовать для наших вполне приземленных и практических целей?

В целом, радиовсплески очень важны для фундаментальной науки. Они очень мощные, приходят с больших расстояний, просвечивают Вселенную. Это помогает очень много чего изучать. Аналогично, например, землетрясения позволяют исследовать внутреннее строение нашей планеты: они генерируют звуковые волны, распространяются в теле Земли, и сейсмографы, измеряя, когда до них дошел сигнал, могут сказать, что внутри. Быстрые радиовсплески помогают фундаментальной физике, ставятся пределы на массу фотона, на параметры теорий гравитации.

Что касается практических применений, пока что мы их не знаем, но такие источники заставляют задуматься. В качестве примера хочется привести пульсары. Они также важны для фундаментальной физики и служат удобным инструментом, но… новые системы ориентации межпланетных станций построены именно на пульсарах. Если бы люди не открыли пульсары и их рентгеновское излучение, не было бы у нас такой навигации. Быстрые радиовсплески отчасти похожи на них, поэтому, может быть, они тоже станут основой для системы навигации.