Один из самых известных источников быстрых радиовсплесков может вскоре изменить своё поведение

Астрофизик Брайан Метцгер предложил новое объяснение многолетних изменений, наблюдаемых у одного из самых известных источников быстрых радиовсплесков — FRB 121102. Согласно модели, изменения дисперсионной меры источника могут быть вызваны рентгеновским излучением центрального объекта, которое меняет степень ионизации окружающего вещества. Главное преимущество гипотезы в том, что её можно проверить: если недавно возобновившаяся активность FRB 121102 сохранится, наблюдаемое сейчас снижение дисперсионной меры должно замедлиться и в ближайшие годы может смениться новым ростом.

Быстрые радиовсплески, или FRB, представляют собой чрезвычайно короткие импульсы радиоизлучения космического происхождения. FRB 121102 занимает среди них особое место: он стал первым источником, у которого удалось достоверно зарегистрировать повторяющиеся всплески. Это показало, что по крайней мере некоторые FRB не связаны с однократным разрушением породившего их объекта.

Одной из характеристик радиовсплесков является дисперсионная мера, или DM. Она отражает суммарное количество свободных электронов между источником и наблюдателем. Радиоволны разных частот проходят через ионизированное вещество с немного различной задержкой, поэтому по величине DM астрономы могут судить о количестве плазмы на пути сигнала.

У FRB 121102 эта величина оказалась непостоянной. Дисперсионная мера увеличивалась вплоть до 2019 года, после чего в последующие годы начала снижаться. Такие долговременные изменения дают возможность исследовать среду непосредственно вокруг источника радиовсплесков.

Ранее рост DM связывали, в частности, с ионизацией вещества ударными волнами. Метцгер обращает внимание на проблему такого объяснения: нагретое ударной волной вещество выбросов сверхновой способно эффективно охлаждаться за счёт излучения ионов тяжёлых элементов, а затем снова рекомбинировать.

В новой модели основную роль играет изменяющееся рентгеновское излучение центрального источника. Предполагается, что он находится внутри расширяющегося вещества, оставшегося после взрыва сверхновой. Энергичные частицы создают вокруг центрального объекта расширяющуюся туманность, которая сгребает окружающее вещество в сравнительно плотную оболочку.

Именно эта плотная и изначально слабо ионизированная оболочка, согласно расчётам, должна особенно быстро реагировать на изменения рентгеновского излучения. Когда мощность центрального источника возрастает, больше атомов теряет электроны и количество свободных электронов увеличивается. Когда рентгеновское излучение ослабевает, происходит обратный процесс — рекомбинация.

В результате дисперсионная мера FRB должна меняться вслед за активностью центрального источника, хотя и не мгновенно. Реакция сглаживается характерным временем ионизации и рекомбинации окружающего газа. Одновременно существует более медленная тенденция к уменьшению DM, поскольку выброшенное при взрыве вещество продолжает расширяться и становиться менее плотным.

Особенно интересно, что уже известная история FRB 121102 согласуется с этим сценарием. Максимум его дисперсионной меры пришёлся примерно на период особенно высокой активности в 2018–2019 годах. В 2019 году радиотелескоп FAST зарегистрировал исключительно интенсивную серию всплесков этого источника. После этого DM начала снижаться.

Теперь модель позволяет сделать прогноз. Недавно сообщалось о возобновлении активности FRB 121102. Если высокая активность сохранится, дополнительное рентгеновское излучение должно снова увеличить степень ионизации окружающей оболочки. Тогда наблюдаемое снижение дисперсионной меры сначала должно замедлиться, а впоследствии может полностью прекратиться и смениться новым ростом в течение ближайших лет.

Такой результат будет важен не только для изучения FRB 121102. Магнетары — нейтронные звёзды с чрезвычайно сильным магнитным полем — считаются одними из главных кандидатов на роль источников повторяющихся быстрых радиовсплесков. У некоторых повторяющихся FRB также обнаружены изменяющиеся меры вращения поляризации и компактные постоянные источники синхротронного радиоизлучения, что указывает на сложную и динамичную среду вокруг центрального объекта.

Если предсказанная связь между активностью всплесков и дисперсионной мерой подтвердится, изменения DM можно будет использовать как инструмент для исследования вещества непосредственно вокруг источников FRB. Если же FRB 121102 останется активным, а его дисперсионная мера продолжит уменьшаться прежними темпами, это станет аргументом против предложенного сценария.

Работа представлена в виде препринта на arXiv и пока не опубликована в рецензируемом научном журнале.