Быстрый радиовсплеск удалось обнаружить на частоте всего около 150 МГц

Астрономы впервые обнаружили быстрый радиовсплеск на частоте ниже 300 мегагерц в нецелевом обзоре неба, то есть без наблюдения заранее известного источника. Сигнал FRB 20191203A зарегистрировал радиотелескоп Murchison Widefield Array в Австралии на частотах от 138,88 до 169,6 мегагерца. До сих пор единственные подтверждённые быстрые радиовсплески в этом диапазоне удавалось получить при специально направленных наблюдениях уже известного повторяющегося источника FRB 20180916B.

Быстрые радиовсплески, или FRB, представляют собой короткие радиоимпульсы внегалактического происхождения. Обычно они длятся миллисекунды и за это время могут выделять огромное количество энергии. Несколько тысяч таких событий обнаружены на частотах выше 400 мегагерц, однако ниже 300 мегагерц они оставались исключительно редкими. Причины возникновения FRB окончательно не установлены, хотя большинство современных моделей связывает их с сильно намагниченными нейтронными звёздами — магнетарами.

FRB 20191203A был зарегистрирован 3 декабря 2019 года во время обзора южного неба SMART, предназначенного для поиска пульсаров и быстрых радиоисточников. Murchison Widefield Array имеет поле зрения около 610 квадратных градусов на частоте 150 мегагерц, благодаря чему способен одновременно наблюдать большую область неба. Исследование охватило 71 сеанс продолжительностью по 80 минут, а эффективная экспозиция составила 18 244 квадратных градуса-часа.

Обнаружить всплеск в собранных данных удалось благодаря новой системе обработки BLINK, использующей графические процессоры и суперкомпьютер Setonix в Суперкомпьютерном центре Pawsey. Исследователи обработали почти четыре петабайта исходных данных. За шесть месяцев система сформировала и проанализировала более 80 миллиардов радиоизображений общим объёмом около 21 петабайта. Временное разрешение составляло 20 миллисекунд, а частотное — 40 килогерц.

FRB 20191203A оказался одним из наиболее ярких быстрых радиовсплесков среди зарегистрированных. Его флюенс, характеризующий суммарную энергию принятого радиоимпульса на единицу площади и полосы частот, составил 360 ± 30 янских-миллисекунд. Пиковая плотность потока достигла 3,9 ± 0,6 янского, а отношение сигнала к шуму — 10,7.

Одной из главных особенностей сигнала стала большая дисперсионная задержка. Радиоволны разных частот распространяются через ионизированное вещество с разной скоростью, поэтому низкочастотная часть импульса приходит позже высокочастотной. Между двумя краями наблюдаемого диапазона FRB 20191203A задержка достигла 28,1 секунды. Измеренная дисперсионная мера составила 393 парсека на кубический сантиметр.

Модели распределения свободных электронов показывают, что Млечный Путь может дать около 66 парсеков на кубический сантиметр, ещё около 50 приходится на его гало. Исследователи оценили внегалактическую составляющую примерно в 277 парсеков на кубический сантиметр. Если отнести её целиком к межгалактическому веществу, максимальное красное смещение источника составляет около 0,3, а расстояние по светимости — примерно 1,55 гигапарсека, или около пяти миллиардов световых лет. Галактику, в которой произошёл всплеск, определить не удалось из-за недостаточной угловой разрешающей способности использованной конфигурации Murchison Widefield Array.

При таком максимальном расстоянии изотропный эквивалент энергии FRB 20191203A в наблюдаемой полосе достигает примерно 8 × 10⁴¹ эрг, что помещает событие в верхнюю часть известного распределения FRB по энергии. Это значение зависит от оценки расстояния, поскольку точная галактика-хозяин пока неизвестна.

Исследователи также измерили рассеяние сигнала в ионизированной среде. Характерное время уширения импульса на частоте около 155 мегагерц составило 90 ± 20 миллисекунд, тогда как собственная длительность всплеска ограничена сверху примерно 20 миллисекундами. Низкочастотные сигналы особенно сильно подвержены такому эффекту, из-за чего короткий импульс растягивается во времени и становится сложнее для обнаружения.

Именно рассеяние и поглощение рассматривались среди возможных объяснений того, почему быстрые радиовсплески практически не обнаруживались ниже 300 мегагерц. За последние 15 лет несколько нецелевых поисков с помощью LOFAR и Murchison Widefield Array не дали подтверждённых событий в этом диапазоне. Единственным исключением оставался повторяющийся FRB 20180916B, который удалось зарегистрировать с помощью LOFAR примерно на 150 мегагерцах после того, как источник уже был обнаружен на более высоких частотах.

FRB 20191203A показывает, что быстрые радиовсплески могут проходить через окружающее и межгалактическое вещество и оставаться обнаружимыми даже ниже 200 мегагерц. Полученное время рассеяния соответствует диапазону, наблюдаемому у FRB на более высоких частотах, хотя новый источник относится к менее сильно рассеянной части известной популяции.

На основе одного обнаружения и общей экспозиции обзора исследователи оценили частоту подобных событий примерно в 54 всплеска по всему небу в сутки для сигналов с флюенсом выше 57 янских-миллисекунд. Из-за единственного зарегистрированного события неопределённость очень велика: 95-процентный доверительный интервал составляет от 1 до 302 всплесков в сутки. Полученная оценка при этом совместима с частотой FRB на более высоких радиочастотах при сопоставимом пороге чувствительности.

Авторы связывают прежний дефицит низкочастотных FRB прежде всего с недостаточной чувствительностью и продолжительностью наблюдений, а также со сложностью обработки данных. На низких частотах дисперсия и рассеяние сильнее растягивают сигнал во времени, а поиск требует одновременно высокого временного и частотного разрешения. Новая вычислительная система позволила обработать архивные данные с параметрами, которые ранее было трудно применять к столь большим объёмам информации.

После обнаружения FRB 20191203A исследователи проверили другие наблюдения этой области неба. В 4,5 часа архивных данных Murchison Widefield Array дополнительных всплесков не нашли. Радиотелескоп ASKAP также не зарегистрировал высокочастотный аналог события, а три часа последующих наблюдений на частотах от 0,7 до 4 гигагерц с помощью 64-метрового радиотелескопа Murriyang в Парксе не выявили повторений. Эти данные пока не позволяют определить, относится ли FRB 20191203A к повторяющимся источникам.

Низкочастотные наблюдения могут дать дополнительную информацию о среде вокруг источников быстрых радиовсплесков. Рассеяние, дисперсия и поглощение радиоволн усиливаются с уменьшением частоты, поэтому такие сигналы особенно чувствительны к плотности и свойствам окружающего ионизированного газа. Это позволяет исследовать возможные остатки сверхновых и туманности вокруг объектов, порождающих FRB.

Следующим шагом станут более чувствительные низкочастотные обзоры. Модернизированный Murchison Widefield Array и будущая низкочастотная часть радиоинтерферометра Square Kilometre Array должны обеспечить более точную локализацию событий. Это позволит связывать низкочастотные FRB с конкретными галактиками и точнее определять свойства вещества между источником и Землёй.

Исследование опубликовано в виде препринта на arXiv и пока не прошло рецензирование.