Виявлено найдовший радіоімпульс, що має ритм «серцебиття»

Астрономи з Массачусетського технологічного інституту та університетів по всій Канаді та Сполучених Штатах виявили дивний і постійний радіосигнал із далекої галактики, який, здається, спалахує з дивовижною регулярністю.

Сигнал класифікується як швидкий радіосплеск або FRB — інтенсивно сильний сплеск радіохвиль невідомого астрофізичного походження, який зазвичай триває не більше кількох мілісекунд. Однак цей новий сигнал зберігається до трьох секунд, приблизно в 1000 разів довше, ніж середній FRB. У цьому вікні команда виявила спалахи радіохвиль, які повторюються кожні 0,2 секунди в чіткій періодичній послідовності, схожій на серцебиття.

Дослідники позначили сигнал FRB 20191221A, і наразі це найтриваліший FRB із найчіткішим періодичним малюнком, виявленим на сьогодні.

Джерело сигналу лежить у далекій галактиці, на відстані кількох мільярдів світлових років від Землі. Яким саме могло бути це джерело, залишається загадкою, хоча астрономи підозрюють, що сигнал міг виходити від радіопульсара або магнетара, обидва з яких є типами нейтронних зірок — надзвичайно щільних, швидко обертових колапсованих ядер гігантських зірок.

«У Всесвіті небагато речей, які випромінюють строго періодичні сигнали», — каже Даніеле Мічіллі, постдоктор Інституту астрофізики та космічних досліджень Кавлі Массачусетського технологічного інституту. «Приклади, які ми знаємо в нашій власній галактиці, — це радіопульсари та магнетари, які обертаються та виробляють випромінювання, подібне до маяка. І ми вважаємо, що цей новий сигнал може бути магнетаром або пульсаром на стероїдах».

Команда сподівається виявити більше періодичних сигналів від цього джерела, які потім можна буде використовувати як астрофізичний годинник. Наприклад, частоту спалахів і те, як вони змінюються, коли джерело віддаляється від Землі, можна використовувати для вимірювання швидкості розширення Всесвіту.

Про відкриття повідомляється сьогодні в журналі Nature, авторами якого є члени співробітництва CHIME/FRB, зокрема співавтори Массачусетського технологічного інституту Келвін Леунг, Хуан Мена-Парра, Кейтлін Шин і Кійоші Масуї з Массачусетського технологічного інституту, а також Мічіллі, який керував відкриття спочатку як дослідник в Університеті Макгілла,.

«Бум, бум, бум»

З моменту виявлення першого FRB у 2007 році сотні подібних радіоспалахів були виявлені по всьому Всесвіту, нещодавно Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment, або CHIME, інтерферометричний радіотелескоп, що складається з чотирьох великих параболічних відбивачів, розташований у Домініоні. Радіоастрофізична обсерваторія в Британській Колумбії, Канада.

CHIME безперервно спостерігає за небом, коли Земля обертається, і призначений для вловлення радіохвиль, які випромінює водень на самих ранніх стадіях Всесвіту. Телескоп також чутливий до швидких радіосплесків, і відколи він почав спостерігати за небом у 2018 році, CHIME виявив сотні FRB, що виходять із різних куточків неба.

Переважна більшість FRB, спостережуваних на сьогодні, є одноразовими — надяскравими спалахами радіохвиль, які тривають кілька мілісекунд, перш ніж згаснути. Нещодавно дослідники виявили перший періодичний FRB, який випромінював регулярні радіохвилі. Цей сигнал складався з чотириденного вікна випадкових сплесків, які потім повторювалися кожні 16 днів. Цей 16-денний цикл вказував на періодичну модель активності, хоча сигнал фактичних радіосплесків був випадковим, а не періодичним.  21 грудня 2019 року CHIME вловив сигнал потенційного FRB, що негайно привернуло увагу Мічіллі, який сканував вхідні дані.

«Це було незвично, — згадує він. «Він був не тільки дуже довгим, тривав близько трьох секунд, але періодично спостерігалися надзвичайно точні піки, що випромінювали кожну частку секунди — бум, бум, бум — як биття серця. Це перший раз, коли сам сигнал є періодичним».

Блискучі спалахи

Аналізуючи структуру радіоспалахів FRB 20191221A, Мічіллі та його колеги виявили схожість з випромінюваннями радіопульсарів і магнетарів у нашій галактиці. Радіопульсари — це нейтронні зірки, які випромінюють промені радіохвиль, що ніби пульсують під час обертання зірки, тоді як подібне випромінювання створюється магнетарами через їхні екстремальні магнітні поля.

Головна відмінність між новим сигналом і радіовипромінюванням наших власних галактичних пульсарів і магнетарів полягає в тому, що FRB 20191221A видається більш ніж у мільйон разів яскравішим. Мічіллі каже, що світлові спалахи можуть виникати від далекого радіопульсара або магнетара, який зазвичай менш яскравий під час обертання та з якоїсь невідомої причини викидає серію блискучих спалахів у рідкісному трисекундному вікні, яке CHIME, на щастя, вдалося вловити.

«CHIME тепер виявив багато FRB з різними властивостями», — каже Мічіллі. «Ми бачили деякі, які живуть у хмарах, які є дуже турбулентними, а інші виглядають так, ніби вони знаходяться в чистому середовищі. З властивостей цього нового сигналу ми можемо сказати, що навколо цього джерела є хмара плазми, яка має бути надзвичайно турбулентною».

Астрономи сподіваються вловити додаткові спалахи від періодичного FRB 20191221A, які можуть допомогти уточнити їхнє розуміння його джерела та нейтронних зірок загалом.

«Це виявлення піднімає питання про те, що може спричинити цей екстремальний сигнал, якого ми ніколи раніше не бачили, і як ми можемо використовувати цей сигнал для вивчення Всесвіту», — каже Мічіллі. «Майбутні телескопи обіцяють виявляти тисячі FRB на місяць, і на той момент ми можемо знайти набагато більше таких періодичних сигналів». Джерело