Физическое происхождение загадочных быстрых радиовсплесков скоро будет установлено?

Первый обнаруженный быстрый радиовсплеск произошел в 2007 году. С тех пор было зарегистрировано около сотни таких сверхкоротких космических "вспышек", причем некоторые из них были периодическими. Несмотря на эти многочисленные наблюдения, происхождение этих сигналов до сих пор остается неизвестным. Среди рассматриваемых источников - черные дыры, одиночные нейтронные звезды, пульсары или магнетары. Новое исследование, проведенное международной командой на пяти различных источниках этих странных сигналов, может окончательно решить эту загадку.

Быстрые радиовсплески (FRB) - это интенсивное и очень короткое радиоизлучение (порядка одной миллисекунды) от внегалактических источников. Они происходят тысячи раз в день. Хотя большинство из них уникальны, другие повторяются через регулярные промежутки времени, что позволяет изучить их более детально. Команда под руководством астрофизика Бинга Чжана внимательно наблюдала за пятью из этих повторяющихся FRB и обнаружила, что сигналы следуют определенной схеме поляризации, что может пролить свет на природу их источников.

Действительно, анализируя частоту поляризации этих различных FRB, ученые заметили некоторые сходства: каждый источник поляризован на высоких частотах, но деполяризуется ниже пороговой частоты, которая варьируется между источниками. "Эти свойства указывают на сложную среду вблизи повторяющихся FRB, такую как остаток сверхновой или туманность пульсарного ветра, что согласуется с их происхождением в молодых звездных популяциях", — резюмирует команда в своей работе, опубликованной в журнале Science.

В рамках исследования Чжан и его команда отследили сотни быстрых всплесков от пяти различных источников, чтобы проанализировать их поляризационные свойства. Их наблюдения проводились с помощью 500-метрового сферического радиотелескопа (FAST) в провинции Гуйчжоу на юго-западе Китая, который является вторым по величине радиотелескопом в мире после РАТАН-600 в России. Они также управляли телескопом Грин-Бэнк (GBT), крупнейшим в мире управляемым радиотелескопом, расположенным в Западной Вирджинии, США.

С момента открытия быстрых радиовсплесков в 2007 году астрономы всего мира используют самые мощные радиотелескопы, такие как FAST и GBT, для отслеживания всплесков и возможного сбора информации об их происхождении и способе производства. До своего разрушения в 2020 году радиотелескоп в обсерватории Аресибо также наблюдал несколько быстрых радиовсплесков.

Астрофизики не могут с уверенностью сказать, от какого типа объекта исходят эти радиосигналы, однако предпочтение отдается магнитарному следу, особенно после обнаружения канадским радиотелескопом CHIME быстрых радиовсплесков от SGR 1935+2154 с апреля 2020 года; Обнаруженная в 2014 году на расстоянии около 29 400 световых лет от Земли космическим телескопом Swift, SGR 1935+2154 была идентифицирована как магнетар - нейтронная звезда с чрезвычайно сильным магнитным полем, одним из самых сильных во Вселенной.

Несмотря на свою кратковременность, FRB выделяет примерно столько же энергии, сколько Солнце выделяет за год. Такое огромное количество энергии заставило астрофизиков заподозрить, что магнетары, скорее всего, являются источниками этих сигналов. Поляризация магнетаров обычно близка к 100%, поэтому излучаемый всплеск радиоволн также должен быть сильно поляризован. Однако последние наблюдения выявили несколько особенностей.

В 2019 году Чжан и его команда сделали впечатляющее открытие с помощью FAST: в течение 47 дней они обнаружили в общей сложности 1652 FRB от одного источника, получившего название FRB 20121102. Это самая большая серия загадочных явлений из когда-либо зарегистрированных. Во время своей самой активной фазы эта FRB излучала 122 всплеска в течение одного часа: самая высокая частота повторения из когда-либо наблюдавшихся для FRB!

"Большой набор всплесков позволил нашей команде уточнить характерную энергию и распределение энергии FRB, как никогда ранее, проливая новый свет на двигатель, который питает эти загадочные явления", — сказал Чжан в то время. В частности, это событие заставило команду исключить гипотезу релятивистского удара, которая также была предложена для объяснения образования FRB. Всплески были слишком частыми и слишком энергичными, чтобы поддержать эту идею.

Другие телескопы, использующие более высокие частоты, показали, что всплески от этого источника были сильно поляризованы, что подтвердило гипотезу о магнетаре. Но ни один из всплесков, обнаруженных FAST в своем частотном диапазоне, не был поляризован, что очень озадачило команду. Поэтому они решили исследовать другие повторяющиеся FRB с помощью телескопов в различных частотных диапазонах - в частности, на более высоких частотах, чем FAST.

Вот как они смогли раскрыть уникальную картину поляризации: они обнаружили, что поляризация увеличивается и уменьшается с наблюдаемой частотой всплесков. На низких частотах всплески могут быть даже полностью деполяризованы. Пороговое значение составляет 2 ГГц, что объясняет, почему FAST не обнаружил смещения. Каждый повторяющийся источник FRB окружен сильно намагниченной плотной плазмой; это приводит к различному повороту угла поляризации в зависимости от частоты, а радиоволны, принимаемые наземными радиотелескопами, приходят по разным путям из-за рассеяния волн плазмой, объясняют исследователи.

Однако если источник FRB окружен газом или ионизированной плазмой с магнитными полями, способными деполяризовать радиоволны, это означает, что среда относительно молодая. Это может быть остаток сверхновой звезды или совершенно новая нейтронная звезда. Другое возможное объяснение - магнетар, вращающийся вокруг другой звезды: пара может взаимодействовать и создавать турбулентную среду, в которой всплески магнетара рассеиваются и деполяризуются. Будущие обнаружения FRB могут подтвердить этот сценарий, окончательно раскрыв физическое происхождение FRB.