Астрономы нашли «домашний адрес» загадочных радиосигналов

После десятилетия наблюдений и мозгового штурма астрономы наконец-то смогли приоткрыть занавесу тайны источника странных вспышек радиосигналов, идущих к нам из-за пределов нашей галактики. Этим источником является карликовая галактика, расположенная примерно в 3 миллиардах световых лет от Земли. Следует отметить, что это очень важное открытие для ученых, ведь они не один год ломали головы над тем, откуда берутся эти радиосигналы.

Исследователи по-прежнему не знают, что именно является их источником, но по крайней мере ученые смогли решить часть этой загадки: узнали «домашний адрес» радиоимпульсов.

В нашей предыдущей статье мы уже писали о том, что такие радиовсплески ученые стали отмечать еще с 2007 года, и к настоящему моменту наука стала свидетелем 17 подобных радиосигналов. Из-за своей очень низкой временной продолжительности эти сигналы получили название быстрых дискретных радиоимпульсов (или FRB). Длятся они всего несколько миллисекунд, но при этом обладают колоссальным объемом энергии. Из-за своей кратковременности за ними очень сложно наблюдать в реальном времени, не говоря уже о том, чтобы выяснить точное место их появления.

Однако астрономам все же повезло, и они стали свидетелем вспышек, которые впоследствии были названы FRB 121102. Это единственный на данный момент из известных тип повторяющихся вспышек – все они пришли к нам из одного и того же участка космоса.

«Это, в свою очередь, в некотором смысле упростило для ученых задачу поймать их снова», — говорит астроном Шами Чаттерджи из Корнелльского университета, обнаруживший их повторяющийся характер.

Открытие Чаттерджи заставило его продолжить наблюдение за FRB 121102. Для этого он использовал мощную сеть радиотелескопов. И наблюдения дали свои плоды. Многие часы непрерывных наблюдений позволили ему и его команде получить изображения нескольких вспышек в высоком разрешении и в конечном итоге определить место источника сигналов FRB 121102. О своей работе ученые поделились в трех опубликованных статьях журналов Nature и The Astrophysical Journal Letters.

Теперь, когда исследователи определили направление, откуда генерируются эти FRB, они могут начать более пристальное изучение галактики и в конце концов выяснить истинный источник этих радиоимпульсов. Однако одними FRB это исследование может не ограничиться. Учитывая то, насколько далеко находится от нас их источник, этим сигналам, вероятнее всего, приходится преодолевать невероятный объем «межзвездного мусора», в виде газа и плазмы. Как только ученые узнают, из какой именно части галактики приходят эти сигналы, они смогут узнать, сколько именно газа и плазмы этим сигналам приходится преодолевать.

«В качестве аналогии: до этого момента мы не могли даже сказать «страну», из которой они прибыли. Сейчас же мы знаем их домашний адрес», — говорит Хейно Фальке, радиоастроном из Университета Неймегена, написавший сопровождающую открытие статью.

Когда FRB-сигналы были впервые обнаружены, астрономы не были уверены, являются ли они вообще чем-то, что пришло к нам из далекого космоса. Первым же предположением было следующее: возможно, сигналы являются чем-то вроде помех. Однако после более пристального исследования ученые поняли уникальность FRB-сигналов. Обычно всплеск радиосигналов сопровождается сразу несколькими длинами волн одновременно, однако частоты FRB-сигналов сильно различались в этом плане — они как бы растягивались. Первая часть достигавших Земли FRB-сигналов имела всегда более высокие частоты, чем та, которая достигала нашей планеты чуть позже. Это, в свою очередь, могло бы указывать на то, что сигналам пришлось преодолевать огромные расстояния и просачиваться сквозь огромный объем межзвёздного газа и плазмы, которые в конечном итоге повлияли на их сигнатуры.

Рендер FRB-сигнала, достигающего Земли с разными частотами согласно разному времени прибытия

FRB-сигналы каждый раз оказывались настолько неточными, что в конце концов убедили ученых в том, что они берут свое начало за пределами Млечного Пути. Это, в свою очередь, привело к другому вопросу: получается, эти импульсы должны идти от сверхъяркого источника? «То есть действительно невероятно яркого и мощного источника», — говорит Чаттерджи. На сей раз эксперты предложили сразу множество вероятных теорий и предположений по этому поводу, начиная от катаклизмических столкновений нейтронных звезд и заканчивая черными дырами, разрывающими сами себя на части. Однако ни одна из этих теорий не смогла заставить поверить в нее всех.

Обнаруженные сигналы FRB 121102 изменили все. Астрономы поняли, что из-за своей повторяющейся природы эти сигналы не могут являться результатом какого-то катаклизма.

«Сложно представить какой-то повторяющийся катаклизм в одном и том же месте и подобного масштаба. Поэтому теориям и моделям межгалактического коллапса был положен конец», — продолжает Чаттерджи.

Возможно, действительно существуют явления, способные создавать повторяющиеся FRB-сигналы, и именно поэтому ученые до сих пор не могли прийти к единому объяснению. Однако единственным способом это узнать наверняка являлся поиск нужного места, откуда эти сигналы могли поступать.

Чтобы установить источник, Чаттерджи и его команда ученых использовали телескоп VLA (Very Large Array). Он представляет собой сеть 27 радиотелескопов в Нью-Мехико, работающих как единая многовибраторная сложная антенна. До этого момента FRB-сигналы обнаруживались только с помощью больших одинарных тарелковых радиотелескопов, способных следить сразу за большими участками неба. Эти телескопы действительно лучше подходят для обнаружения FRB-сигналов, однако их малая точность не позволяет сузить радиус поиска их источника. Радиотелескоп VLA, в свою очередь, работает как огромный виртуальный телескоп размером 1,5 километра, позволяющий ученым получать более четкие изображения, необходимые для определения «домашнего адреса» сигналов FRB 121102.

Тарелки телескопа Very Large Array, направленные в один и тот же участок космоса

Направив VLA в предполагаемую область, исследователи обнаружили две интригующие детали. Во-первых, в этой области действительно присутствует некий источник радиосигналов – возможно, нужный источник повторяющихся FRB-сигналов. А во-вторых, здесь была замечена расплывчатая световая сигнатура, которая, как оказалась, принадлежит крошечной галактике. С помощью спектрального анализа ученые смогли выяснить, насколько быстро эта галактика отдаляется от Земли. Выяснив скорость движения, исследователи определили, что галактика находится приблизительно в 3 миллиардах световых лет от нас.

А вот и расположение источника сигналов FRB 121101 – крошечная галактика в 3 миллиардах световых лет от Земли

«Это просто невероятно. Потому что эта информация сразу же дает вам представление о том, какой объем энергии необходим для того, чтобы отправить импульс, который преодолевает 3 миллиарда световых лет через Вселенную и в конечном итоге улавливается нашими телескопами», — объясняет Чаттерджи.

Команда Чаттерджи по-прежнему не уверена в том, что именно вызывает повторяющиеся радиовсплески, но и у нее есть несколько предположений на этот счет. Согласно одному из этих предположений, источником может быть активная черная дыра в центре галактики, «выплевывающая» струи частиц со скоростью света. Время от времени эти частицы могут испаряться окологалактическим пузырем плазмы, создавая ярчайшую вспышку.

«Нам на самом деле не очень нравится данная модель, но такое тоже возможно», — говорит Чаттерджи.

Еще одним вероятным объяснением всплесков может быть то, что FRB-сигналы идут от определенного типа очень плотной нейтронной звезды с невероятно мощным магнитным полем. Другими словами – магнетара. Астрономы уже обнаруживали в нашей галактике магнетары, способные производить яркие радиоимпульсы, однако ничего подобного FRB 121101 никогда ранее не наблюдалось. Поэтому, вероятнее всего, там есть что-то, что способно увеличивать, усиливать эти импульсы. Как та же лупа, способная фокусировать световой луч на муравьях.

«Возможно, это какие-то пузыри плазмы, выстроившиеся таким образом, что способны фокусировать радиоволны прямо в сторону Земли, делая их при этом невероятно яркими. Это действительно очень возможно. Мы здесь не создаем никаких новых физических явлений или законов», — продолжает объяснять Чаттерджи.

И все же сигналы FRB 121101 – это лишь один пример. А ученые – это люди, предпочитающие постоянство. Поэтому следующим приоритетом является обнаружение новых повторяющихся FRB-сигналов, говорит Чаттерджи. Астрономы хотят знать, все ли FRB-сигналы имеют повторяющийся характер. На этот вопрос полного ответа пока нет. Возможно, все FRB-сигналы действительно могут быть представлены в виде нескольких повторяющихся импульсов, и мы просто их пока не обнаружили. А возможно, существуют и другие виды FRB-сигналов.

«Нам, например, известно о существовании сразу нескольких классов гамма-излучения. Почему аналогичный вариант не может быть справедлив и в пользу FRB? Возможно, мы обнаружили лишь один из видов таких сигналов», — говорит Дункан Лоример, астрофизик из Университета Западной Вергинии, обнаруживший первый FRB-сигнал.

Обнаружение других повторяющихся FRB-сигналов упростит поиск других галактик, в которых они появляются. И как только мы наберем достаточную критическую массу таких сигналов, ученые смогут использовать их, например, для измерения объема материи, находящейся между галактиками. В прошлом году с помощью одного FRB-сигнала астрономы смогли зафиксировать межгалактическую пыль, но так как точный источник сигнала установлен не был, эти измерения нельзя назвать железными. Обсуждаемые сегодня FRB-сигналы тоже еще способны предоставить полезную и важную информацию о количестве и объеме газа и плазмы, через которые этим сигналам пришлось пройти.

«Здесь уже нет никаких сомнений и гаданий на кофейной гуще. Мы точно знаем, что эти сигналы пришли из карликовой галактики. Осталось выяснить их точный источник», — подытоживает Чаттерджи.