Швидкі радіосплески — це короткі та яскраві вибухи радіохвиль, які випромінюють надзвичайно компактні об’єкти, такі як нейтронні зірки та, можливо, чорні діри. Цей швидкоплинний феєрверк триває лише тисячну частку секунди та може нести величезну кількість енергії — достатньої, щоб на короткий час затьмарити цілі галактики. З моменту виявлення першого швидкого радіоспалаху (FRB) у 2007 році астрономи виявили тисячі FRB, розташування яких коливається від нашої власної галактики до 8 мільярдів світлових років від нас. Як саме запускаються ці космічні радіоспалахи, залишається невідомим.
Тепер астрономи з Массачусетського технологічного інституту встановили походження принаймні одного швидкого радіовибуху за допомогою нової методики, яка може зробити те саме для інших FRB. У своєму новому дослідженні, опублікованому в журналі Nature, команда зосередилася на FRB 20221022A — раніше відкритому швидкому радіоспалаху, який було виявлено в галактиці приблизно за 200 мільйонів світлових років від нас.
Команда націлилася на подальше визначення точного розташування радіосигналу, проаналізувавши його «мерехтіння», схоже на мерехтіння зірок на нічному небі. Вчені досліджували зміни в яскравості FRB і визначили, що спалах мав виникнути в безпосередній близькості від його джерела, а не набагато далі, як передбачали деякі моделі.
Команда оцінює, що FRB 20221022A вибухнув у регіоні, який знаходиться дуже близько до обертової нейтронної зірки, щонайбільше за 10 000 кілометрів. Це менше, ніж відстань між Нью-Йорком і Сінгапуром. На такій близькій відстані спалах, ймовірно, виник із магнітосфери нейтронної зірки — високомагнітної області, яка безпосередньо оточує ультракомпактну зірку. Висновки команди надають перші переконливі докази того, що швидкий радіосплеск може виникати з магнітосфери, високомагнітного середовища, яке безпосередньо оточує надзвичайно компактний об’єкт.
«У цих середовищах нейтронних зірок магнітні поля справді знаходяться на межі того, що може створити Всесвіт», — каже провідний автор Кензі Німмо, постдоктор Інституту астрофізики та космічних досліджень Кавлі Массачусетського технологічного інституту. «Було багато дискусій про те, чи може це яскраве радіовипромінювання взагалі вийти з цієї екстремальної плазми».
«Навколо цих високомагнітних нейтронних зірок, також відомих як магнетари, атоми не можуть існувати — вони просто розірвуться на частини магнітними полями», — каже Кійоші Масуї, доцент фізики Массачусетського технологічного інституту. «Найцікавіше те, що ми виявили, що енергія, що зберігається в цих магнітних полях поблизу джерела, скручується та переналаштовується таким чином, що може вивільнятися у вигляді радіохвиль, які ми можемо бачити на півдорозі через Всесвіт».
Співавтори дослідження з Массачусетського технологічного інституту включають Адама Ланмана, Шіон Ендрю, Даніеле Мічіллі та Кейтлін Шин, а також співробітників із багатьох установ.
Розмір вибуху
Виявлення швидких радіосплесків зросло за останні роки завдяки канадському експерименту з картографування інтенсивності водню (CHIME). Радіотелескоп складається з чотирьох великих стаціонарних приймачів, кожен у формі напівтруби, які налаштовані на виявлення радіовипромінювання в діапазоні, який є дуже чутливим до швидких радіосплесків.
З 2020 року CHIME виявив тисячі FRB з усього Всесвіту. Хоча вчені загалом сходяться на думці, що сплески виникають від надзвичайно компактних об’єктів, точна фізика, що керує FRB, невідома. Деякі моделі передбачають, що швидкі радіосплески мають надходити з турбулентної магнітосфери, яка безпосередньо оточує компактний об’єкт, тоді як інші прогнозують, що сплески мають виникати набагато далі, як частина ударної хвилі, яка поширюється від центрального об’єкта.
Щоб розрізнити два сценарії та визначити, де виникають швидкі радіосплески, команда розглянула сцинтиляцію — ефект, який виникає, коли світло від невеликого яскравого джерела, такого як зірка, фільтрується через певне середовище, наприклад газ галактики. Коли зоряне світло фільтрується крізь газ, воно вигинається так, що віддаленому спостерігачеві здається, ніби зірка мерехтить. Чим менший або чим далі об’єкт, тим більше він мерехтить. Світло від більших або ближчих об’єктів, таких як планети в нашій Сонячній системі, відчуває менше вигинів, і тому не виглядає мерехтливим.
Команда вважала, що якщо вони зможуть оцінити ступінь мерехтіння FRB, вони зможуть визначити відносний розмір регіону, звідки походить FRB. Чим менша область, тим ближче вибух буде до джерела, і тим більша ймовірність, що він виник із магнітно-турбулентного середовища. Чим більший регіон, тим дальнішим буде сплеск, підтверджуючи ідею, що FRB походять від далеких ударних хвиль.