Быстрые радиовсплески: ключ к разгадке тайны

В 2007 году было обнаружено одно из самых загадочных явлений в современной астрофизике: быстрые радиовсплески (Fast Radio Bursts, FRB). Первый из них найден в архивных данных радиотелескопа «Паркс» (Австралия) — миллисекундный всплеск радиоизлучения высокой интенсивности, который имел очень сильную зависимость задержки сигнала от частоты. Эта зависимость называется мерой дисперсии, она возникает при распространении радиосигнала в космической межзвездной и межгалактической плазме и пропорциональна плотности электронного компонента, проинтегрированной вдоль луча зрения.

Автор открытия Дункан Лоример (Duncan Lorimer) предположил, что, скорее всего, источником был внегалактический объект, на расстоянии порядка сотен мегапарсеков. Через несколько лет радиоастрономы открыли аналогичные всплески с похожими свойствами, и стало ясно, что это целый класс новых астрономических явлений. Сейчас их известно около 20, и статистический анализ показывает, что число быстрых радиовсплесков в день по всему небу должно быть порядка нескольких тысяч!

Но оставался вопрос — откуда они приходят? Где источники — рядом в Галактике, в соседних галактиках или вообще на космологических расстояниях в миллиарды световых лет? Точность локализации быстрых радиовсплесков на небе до сих пор была невелика — несколько квадратных градусов. Искать источник на такой площади, к тому же не зная, что он должен из себя представлять, — задача безнадежная.

В чем их уникальность? Короткая длительность и высокая интенсивность свидетельствуют о колоссальной яркостной температуре излучения в источнике. Такого рода радиоизлучение было известно только от сверхкоротких «суперимпульсов» молодых пульсаров (например, Краба), природа которых тоже неясна. В настоящее время о природе коротких радиовсплесков (FRB) написаны сотни статей и выдвинуты несколько десятков гипотез, от вполне естественных (например, связывающих их с взрывными процессами вблизи нейтронных звезд, arXiv:1307.4924, arXiv:1401.6674) до вполне экзотических (например, взрывной распад «аксионных мини-кластеров», arXiv:1411.3900) или даже (пока) фантастических (например, радиолучи, используемые внеземными цивилизациями для разгона «космических парусов» для передвижения в межпланетном и межзвездном пространстве, arXiv:1701.01109).

Ситуация с быстрыми радиовсплесками очень напоминает историю с гамма-всплесками давностью почти полвека. Тогда тоже не могли найти источники из-за плохой локализации, тоже не знали масштаба расстояний до них. В начале 1990-х годов господствовала точка зрения, что источники находятся в Галактике. Но их статистика, набранная гамма-обсерваторией «Комптон», говорила за то, что гамма-всплески приходят с космологических расстояний, сравнимых с расстоянием до горизонта Вселенной.

По этому поводу в Библиотеке Конгресса США в 1995 году состоялись захватывающие публичные дебаты между Доном Лэмбом (Donald Q. Lamb), придерживавшимся галактической гипотезы, и Богданом Пачинским (Bohdan Paczynski), отстаивавшим космологическое происхождение гамма-всплесков. Тогда явной победы не одержал никто, но в 1996 году загадка разрешилась. Нашли оптическое послесвечение всплеска, которое совпало с далекой галактикой с большим красным смещением. Потом еще и еще — всё на космологических расстояниях. Ключом к разгадке стало определение координат источника с астрометрической точностью.

Астрометрия — наиболее точная область астрономии; определение координат небесных объектов и их видимых движений — одна из основных ее задач. Наиболее точно координаты определяются с помощью интерферометрии, особенно в радиодиапазоне, где база может быть сопоставима с размерами Земли, а в космических экспериментах («Радиоастрон») — даже в десятки раз больше.

Долгое время оставалось проблемой поймать радиовсплеск с помощью интерферометра из-за узкого поля зрения. И вот 4 января 2017 года в журнале Nature большая группа радиоастрономов (S. Chatterjee et al., arXiv:1701.01098) сообщила о наконец-то «астрометрической» локализации одного из источников коротких импульсов FRB 121102 с помощью радиоинтерферометрических наблюдений на антеннах VLA и 305-метровом радиотелескопе в Аресибо (США).

Астрономы воспользовались тем, что этот конкретный источник является повторным — за 83 часа наблюдений на VLA в полосе частот 2,5-3,5 ГГц в течение полугода от него было зарегистрировано 9 коротких ярких всплесков с одинаковой мерой дисперсии. Точность локализации составила порядка 0,1 угловой секунды (это точность лучших оптических наблюдений).

Оказалось, что рядом с источником повторных FRB (на расстоянии 0,1 секунды дуги) есть слабый почти постоянный радиоисточник с непрерывным нетепловым спектром. По архивным данным наблюдений 2014 года, на оптическом 10-метровом телескопе «Кек» и телескопе «Джемини» выявили на месте источника слабый постоянный объект примерно 25 звездной величины.

Дополнительные радиоинтерферометрические наблюдения со сверхдлинной базой (VLBI) на сети Европейских радиотелескопов с миллисекундной точностью подтвердили результаты VLA (arXiv:1701.01099) и показали, что постоянный источник и источник FRB разделены менее чем на 0,12 миллисекунды дуги. Это подтверждает их возможную физическую связь.

Спектроскопия оптического источника на телескопе «Северный Джемини» (Гавайи) показала (arXiv:1701.01100), что оптическое излучение является слабой карликовой галактикой с красным смещением z=0,1927 (расстояние около 1 Гпк), с массой 40-70 млн масс Солнца, с высоким удельным темпом звездообразования и низкой метал-личностью, похожей на молодые карликовые галактики со вспышкой звездообразования.

Каковы же выводы из этих открытий? Во-первых, подтверждена внегалактическая природа (по крайней мере этого!) источника FRB. Во-вторых, найден постоянный второй радиоисточник с нетепловым спектром, который пока не удалось отождествить с известными источниками (например, молодой нейтронной звездой -магнетаром или с ядром активной галактики). В-третьих, источник точно находится в карликовой галактике с малой металличностью и высоким темпом звездообразования.

Очевидно, эти факты уверенно отвергают ряд физических моделей, но всё еще не позволяют однозначно ответить на вопрос о природе FRB и их необычного радиоизлучения. Надо полагать, в недалеком будущем новые наблюдения позволят астрономам разгадать тайну источников коротких радиовсплесков — ждем новых результатов!

Константин Постнов,
докт. физ.-мат. наук, профессор кафедры астрофизики и звездной
астрономии астрономического отделения физического факультета МГУ