Почему сверхмощные радиовсплески являются самой загадочной загадкой в астрономии
Уэйн Англия
Телескоп Parkes в Австралии обнаружил первый быстрый взрыв в 2001 году.
Ни один астроном никогда не видел ничего подобного. Ни один теоретик не предсказал этого. И все же это был 5-миллисекундный радиосигнал, который прибыл 24 августа 2001 года из неизвестного источника, находящегося на расстоянии, по-видимому, миллиардов световых лет.
«Это было настолько ярко, что мы не могли просто отмахнуться от него», - говорит Дункан Лоример, который совместно обнаружил сигнал 1 в 2007 году, работая над архивными данными с радиотелескопа Parkes в Новом Южном Уэльсе, Австралия. «Но мы не знали, что с этим делать».
Такие мимолетные радиовсплески обычно исходили от пульсаров - яростно вращающихся нейтронных звезд, чье излучение распространяется землей с регулярностью луча маяка. Но Лоример, астрофизик из Университета Западной Вирджинии в Моргантауне, видел, что этот объект извергается только один раз и обладает большей мощностью, чем любой известный пульсар.
Он начал осознавать значение открытия 1 только после тщательного изучения данных со своим бывшим советником Мэтью Бэйлсом, астрофизиком в Технологическом университете Суинберна в Мельбурне, Австралия. Если источник действительно находился так далеко, как казалось, то в течение нескольких миллисекунд он вспыхнул с силой 500 миллионов Солнц. «Мы убедились, что это что-то весьма примечательное», - говорит он.
Но когда очередей больше не было, первоначальное волнение перешло в сомнение. Радиоастрономы научились скептически относиться к загадочным пикам в своих детекторах: события могут быть слишком легко вызваны сигналами мобильных телефонов, случайными радиолокационными зондами, странными погодными явлениями и инструментальными сбоями. Более широкое признание того, что сейчас называется взрывом Лоримера, произошло только в последние несколько лет, после того, как наблюдатели, работающие в Паркесе и других телескопах, обнаружили похожие сигналы. Сегодня событие 2001 года признано первым в новом и необычайно необычном классе источников, известных как быстрые радиовсплески (FRB) - одна из самых загадочных загадок в астрономии.
Независимо от того, что это за объекты, последние наблюдения показывают, что они обычны, и один вспыхивает в небе каждые 10 секунд. 2 , Тем не менее, они все еще не поддаются объяснению. Теоретики предложили такие источники, как испаряющиеся черные дыры, сталкивающиеся нейтронные звезды и огромные магнитные извержения. Но даже самая лучшая модель не в состоянии учесть все наблюдения, говорит Эдо Бергер, астроном из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс, который описывает ситуацию как «много путаницы».
Однако ясность может прийти скоро. Телескопы по всему миру адаптируются к поиску таинственных взрывов. Один из них, Канадский эксперимент по картированию интенсивности водорода (CHIME) возле Пентиктона в Британской Колумбии, должен увидеть до десятка FRB в день, когда он появится в сети к концу 2017 года.
«Эта область взорвется», - говорит Бейлс.
Любопытнее и любопытнее
Астрономы могли бы больше доверять взрыву Лоримера на начальном этапе, если бы это не было открытием в 2010 году Сары Бёрк-Сполаор, которая тогда заканчивала докторскую диссертацию по астрофизике в Суинберне. Берк-Сполаор, ныне астроном Национальной радиоастрономической обсерватории США в Сокорро, штат Нью-Мексико, перелистывала старые данные Паркс в поисках новых всплесков, когда обнаружила 16 сигналов, которые поколебали уверенность каждого в оригинале. 3 ,
В большинстве случаев эти сигналы выглядели удивительно похожими на событие Лоримера. Они также показали «дисперсию», что означает, что высокочастотные волны появились в детекторах за несколько сотен миллисекунд до низкочастотных. Этот эффект рассеивания был самым важным доказательством того, что Лоример и Бейлс убедили, что первоначальный взрыв произошел далеко за пределами нашей Галактики. Известно, что межзвездные электроны в облаках ионизованного газа больше взаимодействуют с низкочастотными волнами, чем с высокочастотными, что очень незначительно задерживает приход низкочастотных волн на Землю и растягивает сигнал (см. «Задержка рейса» ). Задержка взрыва Лоримера была настолько большой, что волна должна была пройти через большое количество вещества - гораздо больше, чем в нашей Галактике.
Ник Спенсер / Природа ; Источник: Рис. 1 В работе Keane EF et al . Nature 530 , 453–456 (2016).
К сожалению для душевного спокойствия Лоримера и Бэйлса, сигналы Бёрка-Сполаора также показали принципиальное отличие от оригинала: они, казалось, исходили отовсюду, а не только от того места, куда указывал телескоп. Названные перитонами, после мифического крылатого существа, отбрасывающего человеческую тень, эти взрывы могли быть вызваны молнией или каким-то человеческим источником. Но они не были инопланетянами.
Лоример решил отложить свое исследование FRB на некоторое время. «У меня еще не было срока пребывания в должности, - говорит он, - поэтому мне пришлось вернуться и заняться другими основными проектами, просто чтобы продолжить исследования». Бейлс и его команда продолжили работу и обновили временное и частотное разрешение детектора Паркса. , В 2013 году они представили четырех новых кандидатов в ФРБ, которые напоминали взрыв Лоримера. 4 , Но некоторые посторонние скептически относились к тому, что сигналы действительно поступают из космоса - не в последнюю очередь потому, что все FRB до сих пор были замечены одной командой, использующей один телескоп. «Я отчаянно нуждался в том, чтобы кто-то нашел их где-то еще», - говорит Бейлс.
В 2014 году его желание было наконец исполнено. Команда во главе с астрономом Лаурой Спитлер из Института радиоастрономии им. Макса Планка в Бонне, Германия, опубликовала свои наблюдения взрыва в обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико 5 , «Я был смехотворно обрадован», - говорит Бейлс.
Открытие Аресибо убедило большинство людей в том, что FRB - это реальная сделка, говорит Эмили Петрофф, которая в настоящее время является астрофизиком в Нидерландском институте радиоастрономии в Двингелоо. Тем не менее, пока сигналы Бёрка-Сполаора оставались необъяснимыми, они бросали тень сомнения. «На любых переговорах я бы дал, - говорит Петрофф, - кто-то скажет:« А как же перитон? ». Поэтому в 2015 году, еще будучи аспирантом в Суинберне, она однажды организовала охоту, чтобы разыскать источник перитонитов и для всех.
Во-первых, Петрофф и ее команда использовали модернизированный детектор Паркса, чтобы точно определить, когда происходят взрывы: во время обеда. «Я сразу подумал:« Это не погода », - говорит Петрофф. Затем появился другой перитон на подозрительно знакомой радиочастоте, что привело команду к проведению экспериментов на кухне персонала. Они обнаружили, что перитоны были результатом Ученые открывают микроволновую печь в середине потока , Но событие Lorimer было ясным: записи показали, что во время взрыва телескоп был направлен в направлении, которое блокировало бы любой микроволновый сигнал с кухни. 6 ,
«Тогда я забеспокоился, может быть, у них в Аресибо есть микроволновая печь другой марки», - говорит Бэйлс, чья команда в «Паркс» к тому времени произвела 14 отдельных очередей. Он полностью не расслабился до тех пор, пока в 2015 году не был обнаружен взрыв на третьем объекте - телескопе Green Bank в Западной Вирджинии. У этого всплеска было другое качество, которое поддерживало внеземное происхождение: его волны вращались по спирали - что является следствием проходя через магнитное поле - и были разбросаны, как будто они вышли из плотной среды. «Это никак не микроволновка, - сказал себе Бэйлс.
Всплески вдохновения
Но это все еще оставляет вопрос о том, что на самом деле является ФРБ. Чрезвычайная краткость сигнала, всего 5 миллисекунд, подразумевала, что источник должен быть компактным объектом не более нескольких сотен километров в поперечнике - чёрная дыра звездной массы, возможно, или нейтронная звезда, компактное ядро, оставленное сверхновой. И тот факт, что наземные телескопы могут обнаруживать FRB, означает, что этот компактный источник каким-то образом выделяет огромное количество энергии. Но это все еще оставляет длинный список кандидатов, от слияния черных дыр до вспышек на магнитах: редкие нейтронные звезды с полями в сотни миллионов миллиардов раз сильнее Солнца.
Важная подсказка появилась в начале этого года, когда команда Спитлера сообщила, что по крайней мере один источник FRB повторяется: данные из Аресибо выявили шквал очередей за два месяца некоторые разнесены всего на несколько минут 7 , Такое поведение было подтверждено телескопом Green Bank, который обнаруживает сигналы в другом частотном диапазоне. 8 , До этого каждый из наблюдаемых FRB был разовым событием, намекавшим на катастрофические взрывы или столкновения, при которых источники были уничтожены. Но повторение FRB подразумевает существование источника, который переживет импульсное событие, говорит Петрофф. И по этой причине она говорит: «Я предполагаю, что это будет что-то делать с нейтронной звездой» - одним из немногих известных объектов, которые могут излучать импульс без самоуничтожения.
Спитлер соглашается. В качестве примера она указывает на Крабовидную туманность: результат взрыва сверхновой, который наблюдался с Земли в 1054 году и оставил позади быстро вращающийся пульсар, окруженный светящимся газом. Спитлер говорит, что Крабовый пульсар иногда выпускает очень яркие и узкие радиовспышки. И если бы эта туманность находилась в далекой галактике и сильно увеличилась в энергии, ее выбросы были бы похожи на FRB.
Спитлер говорит, что если один источник повторяется, простейшая интерпретация состоит в том, что они все делают, но что другие телескопы не были достаточно чувствительны - или достаточно удачливы - чтобы увидеть дополнительные сигналы. Другие считают, что, возможно, только некоторые повторяют. «Я не удивлюсь, если мы получим две или три группы населения», - говорит Петрофф.
Долгий путь домой
Другой важный вопрос - как далеко находятся ФРБ. Видимые до сих пор 20 всплесков, похоже, разбросаны по небу случайным образом, а не сосредоточены в плоскости Галактики, что говорит о том, что их источники находятся за пределами Млечного Пути.
И все же для Ави Леба, физика из Гарвардского университета, такие большие расстояния подразумевают невероятно большой выход энергии. «Если вы хотите, чтобы взрыв повторился, вы не сможете уничтожить источник - поэтому он не может выпустить слишком много энергии», - говорит он. «Это накладывает ограничение на то, как далеко вы можете его проложить». Возможно, говорит он, источники FRB - это нейтронные звезды в нашей собственной Галактике, и дисперсия в основном является результатом все еще неизвестных электронных облаков, которые окружают их.
Но другие предполагают, что такое плотное облако в Галактике должно быть видно на других длинах волн. В Калифорнийском технологическом институте (Калифорнийский технологический институт) в Пасадене астрофизик Шри Кулкарни собрал данные из нескольких телескопов для галактического источника и ничего не нашел 9 , Кулкарни, который руководит оптическими обсерваториями Caltech, поначалу выступал за галактические FRB и даже сделал ставку на 1000 долларов США с астрономом Полом Гроотом из Radboud University Nijmegen в Нидерландах. Теперь он находит доказательства того, что внегалактические ФРБ подавляющим, и согласился урегулировать ставку - неохотно. «Думаю, я заплачу ему в 1 доллар», - говорит он.
Тем не менее, Кулкарни не исключил, что источники ФРБ лежат в галактиках, которые, возможно, находятся на расстоянии миллиарда световых лет, а не многих миллиардов. Такое расстояние все равно потребовало бы, по крайней мере, некоторой части дисперсии сигнала, исходящей от электронных облаков в галактике-хозяине, говорит он. Но более близкие ФРБ не должны были быть такими энергичными. «Они превращаются из удивительно экзотических в просто экзотических», - говорит он.
Ответ может много значить для наблюдателей. Если сигналы FRB проходили через локальные плазменные облака, они могли бы сообщать о погоде от соседних галактик. Но если они действительно космологические - идущие на полпути через видимую Вселенную - они могут раскрыть давнюю космическую тайну.
В течение десятилетий астрономы знали из наблюдений ранней Вселенной, что космос должен содержать больше повседневной материи - вида, состоящего из электронов, протонов и нейтронов - чем существует в видимых звездах и галактиках. Они подозревают, что он лежит в холодной межгалактической среде, где он практически невидим. Но теперь, впервые, дисперсия сигналов FRB может позволить им измерять плотность среды в любом заданном направлении. «Тогда у нас есть хирургическое устройство для межгалактической томографии», - говорит Кулкарни.
Быстрое обнаружение огня
Во-первых, однако, астрономы должны найти намного больше FRB и определить их местоположение. «До тех пор мы спотыкаемся в темноте», - говорит Бергер.
Один из способов сделать это - извлечь FRB из данных радиотелескопа в режиме реального времени, чтобы ученые в других обсерваториях могли наблюдать всплески на нескольких длинах волн. С прошлого года команда Parkes делает это, увеличивая вычислительную мощь обсерватории, и ученые Аресибо надеются последовать этому примеру в этом году. В феврале стратегия, казалось, окупилась, когда последовала независимая команда в течение двух часов после обнаружения ФРБ в Паркс , Команда предварительно определила взрыв в определенной галактике, расположенной на расстоянии почти 6 миллиардов световых лет. Дальнейшие наблюдения ставят под сомнение эту интерпретацию. Но даже в этом случае, говорит Лоример, метод надежен и может окупиться в будущем.
Другие наблюдатели возлагают надежды на новые телескопы. В 2014 году астрофизик Виктория Каспи из Университета Макгилла в Монреале, Канада, представила предложение об адаптации CHIME, которое изначально предназначен для картографирования расширения Вселенной в ее ранние годы , «Очень быстро стало ясно, что это будет фантастический инструмент FRB», - говорит Каспи. Хотя тарелочные телескопы, такие как Аресибо, могут быть очень чувствительными, они одновременно видят только один крошечный участок неба. CHIME, напротив, состоит из четырех 100-метровых трубочек, усеянных антеннами, которые могут отслеживать гораздо большие участки неба в длинных линиях. После прохождения тестирования и отладки CHIME должен увидеть свои первые FRB где-то в следующем году, говорит Каспи, и в конечном итоге находит более десятка в день.
В то же время в Хоскинстауне, Австралия, Бэйлс и его коллеги реконструируют синтезированный телескоп Molonglo Observatory 1960-х годов, превратив его в обсерваторию FRB с одной полукруглой трубкой в 16 раз длиннее CHIME, хотя и на четверть шириной. По словам Бэйлса, команда уже нашла три пока неопубликованных FRB, на которых объект работает только на 20% от его окончательной чувствительности.
Другая стратегия поиска источников FRB состоит в том, чтобы работать с существующими объектами, такими как Очень Большой Массив: «интерферометр», который использует разницу во времени между сигналами от 27 радиотелескопов, расположенных на 36 километрах пастбищ около Сокорро, Нью-Мексико, для создания одиночное изображение высокого разрешения. По словам Лоримера, когда-нибудь в следующем году или около того, массив может обнаружить FRB и определить местонахождение своей домашней галактики. «В конечном счете, это может уладить множество споров и ставок», - говорит он.
Кулкарни, тем временем, ведет два проекта. Первый использует десять 5-метровых тарелок в массиве, который может видеть и определять местонахождение только сверхярких FRB, но это компенсирует его низкую чувствительность, глядя на огромную полосу неба. Второй доводит принцип до крайности, используя 2 антенны, расположенные в обсерваториях на расстоянии 450 километров друг от друга, которые будут видеть только самые яркие FRB, но которые способны исследовать половину неба одновременно. Это позволило бы ему поймать редкие FRB, которые предположительно существуют в нашей собственной Галактике, но чьи телескопы предельной яркости не предназначены для наблюдения. «Большинство объектов просто обесценили бы это как вмешательство», - говорит Кулкарни.
По словам Лоэба, если FRB действительно появятся на космологических расстояниях, то их идентификация станет крупным прорывом, потенциально способным раскрыть новый класс источников, которые могут быть использованы для исследования недостающей материи Вселенной. Но тогда, по его словам, FRB также могут быть чем-то, о чем еще никто не думал: «Природа гораздо более изобретательна, чем мы».
«На любых переговорах я бы дал, - говорит Петрофф, - кто-то скажет:« А как же перитон?