Откуда приходят самые загадочные радиосигналы Вселенной?

Быстрые радиовсплески (fast radio bursts, FRB) — это вспышки космического происхождения, наблюдаемые в радиотелескопы. Такая вспышка сияет наравне с сильнейшими радиоисточниками неба, но длится всего несколько миллисекунд.

Мир познакомился с ними в 2007 году. Обрабатывая данные австралийского радиотелескопа Parkes за 2001 год, ученые обнаружили первую из подобных вспышек. Сегодня счет открытым FRB идет уже на сотни, и можно только гадать, сколько событий не попадает в поле зрения радиотелескопов.

Не верь антеннам своим

Многие астрономы отнеслись к открытию с недоверием. Очень короткие, очень яркие и непредсказуемые вспышки в случайных областях неба выглядели чрезвычайно похожими на помехи земного происхождения.

Поясним. Небесное тело может быть мощнейшим источником радиоволн, но им приходится преодолевать космические расстояния. Так что до Земли сигнал доходит невероятно ослабленным. Принятая в астрономии единица плотности потока (грубо говоря, яркости) — янский. Она названа в честь пионера радиоастрономии Карла Янского. Один янский равен 10⁻²⁶ ватта на квадратный метр в герце.

Космический радиоисточник в 10 янских считается очень сильным. Но несложно подсчитать, что в полосе частот, скажем, 100 килогерц излучение этого «яркого» источника имеет смехотворную мощность 10⁻¹⁹ (одну десятиквинтиллионную) ватта на квадратный метр антенны. Для сравнения: передатчик портативной рации имеет мощность в несколько ватт!

При крошечной мощности космических радиоволн, падающих на квадратный метр, нужна антенна побольше. Именно поэтому радиотелескопы имеют столь впечатляющие размеры. Но это не решает проблему земных помех, которые оказываются гораздо ярче космических радиоисточников. Чтобы защититься от них, наблюдатели работают с частотами, на которых нет вещания. Однако источником земного радиосигнала может быть, например, банальная молния. Или срабатывание какого-нибудь устройства, которое вовсе не задумывалось как радиостанция. Так что когда радиоастроном видит короткие, нерегулярные и яркие вспышки (а именно таковы FRB), в его мозгу загорается тревожная лампочка.

Будьте осторожны с электроприборами

Отчасти этот скепсис оправдался. Наряду с быстрыми радиовсплесками тот же радиотелескоп Parkes регистрировал и другие очень похожие на них вспышки — так называемые перитоны. Но в отличие от FRB, со временем обнаруженных и другими инструментами, перитоны видел только «Паркс», причем лишь с одного направления. Между перитонами и быстрыми радиовсплесками есть и более тонкие различия, в которые мы не будем углубляться.

Исследователи довольно быстро пришли к выводу, что перитоны рождаются на Земле. Их точное происхождение еще некоторое время оставалось загадочным. Разгадка оказалась поистине анекдотической. Вспышки порождала… микроволновая печь в комнате отдыха персонала Parkes.

Дверца микроволновки не пропускает излучение наружу. Вот только астрономы имели обыкновение открывать ее раньше, чем заканчивался разогрев еды. В таких случаях автоматика почти мгновенно отключает излучатель. Но на доли секунды устройство превращается в источник коротких радиоволн. Их-то и фиксировал честный радиотелескоп, никак не ожидавший от своего персонала такой «подлянки».

Отсмеявшись, наблюдатели убедились, что их микроволновка умеет вызывать только перитоны, но не FRB. Это был важный, но, разумеется, не единственный аргумент за то, что быстрые радиовсплески приходят все-таки с просторов Вселенной. Под давлением накопившихся фактов даже самые въедливые скептики сняли подозрение с загадочных вспышек. Оставалось «всего ничего»: выяснить их истинное происхождение.

Пойди туда, уже знаю куда

Как это обычно и случается в науке, путь к истине складывался из множества небольших шагов.

Еще первооткрыватели быстрых радиовсплесков измерили их дисперсию. Всем знакома дисперсия света: белый луч, пропущенный сквозь стеклянную призму, распадается на целую радугу. Дело в том, что электромагнитные (в том числе световые) волны разной длины распространяются сквозь вещество с разной скоростью. А красные, зеленые и прочие световые волны имеют разную длину.

Радиоволны — это тоже электромагнитные волны, и они тоже подвержены дисперсии. Правда, не в призме, а в межзвездном и межгалактическом газе. Он очень разрежен, так что для высокомерных земных инженеров это просто-напросто вакуум. Но как капля точит камень, так и световые годы «почти пустого» пространства заставляют радиоволну на своей шкуре ощутить это самое «почти».

Зная типичную концентрацию вещества во Вселенной и измерив дисперсию радиоволны, можно определить пройденное ею расстояние. Точность такого измерения аховая, но отличить парсеки от килопарсеков можно. И наблюдения многочисленных радиовсплесков показали: они приходят далеко из-за пределов Млечного Пути. В 2016 году ученые впервые определили родительскую галактику FRB. Родившиеся там радиоволны добирались до Земли около 5 миллиардов лет. Впоследствии «родные» для радиовсплесков звездные системы определялись еще несколько раз.

Нельзя сказать, чтобы это сильно прояснило природу вспышек. В любой уважающей себя галактике целый зоопарк самых разных объектов, от банальных звезд до сверхмассивной черной дыры. И что же из всего этого «плещется» в радиоэфире?

Взорви то, не знаю что!

И все же «геолокация» оказалась полезной. Зная расстояние до источника и мощность принятого сигнала, астрономы вычислили энергию вспышки. Она оценивается в 10³⁸–10⁴⁶ эрг. Разброс довольно велик: первую энергию Солнце вырабатывает за сутки, а вторую за сотни тысяч лет. Оба значения впечатляют, учитывая, что радиовсплеск длится лишь несколько миллисекунд. Однако во Вселенной бывают взрывы и покруче. Например, типичная сверхновая выделяет порядка 10⁵⁰–10⁵¹ эрг энергии.

Сам собой напрашивается вывод, что быстрый радиовсплеск связан с краткой и бурной космической катастрофой. Во Вселенной то и дело что-нибудь да бабахает. Вспыхивают сверхновые, звезды сталкиваются друг с другом или разрываются на части черными дырами. Но астрономам не хватало данных, чтобы сопоставить радиовсплески с конкретным типом космических катастроф.

Загадка будоражила воображение теоретиков. Высказывалась заманчивая гипотеза, что FRB порождаются взрывами первичных черных дыр. Да-да, не удивляйтесь: черные дыры теоретически могут взрываться. Говоря точнее, они «испаряются» за счет излучения Хокинга. Чем меньше масса черной дыры, тем мощнее это излучение. А чем мощнее излучение, тем больше массы черной дыры оно уносит с собой. Поэтому «испарение» ускоряет само себя, и его финальная стадия выглядит буквально как взрыв. Так, по крайней мере, говорит теория.

А на практике легчайшие из известных черных дыр имеют массу в несколько солнц. Они испаряются так медленно, что у нас нет никаких шансов дождаться финального фейерверка. Иное дело — первичные черные дыры, образовавшиеся сразу же после Большого взрыва. Они могут весить и как астероид, и даже как пылинка. Теоретически прямо сейчас во Вселенной взрывается целая куча первичных черных дыр. Вот только мы пока не видели ни одной черной дыры, которую можно уверенно опознать как первичную. И ни одного события, однозначно являющегося ее взрывом. Может быть, быстрые радиовсплески — это как раз «оно»?

Некоторые исследователи выдвигали и более смелые идеи по поводу загадочных вспышек. Например, что это взрываются не черные дыры, а гипотетические бозонные звезды, состоящие из темной материи.

Ну-ка повтори!

Однако Вселенная устроила ученым холодный душ. Оказалось, что быстрые радиовсплески могут повторяться.

Быстрые радиовсплески именуются по дате первого наблюдения. Например, событие FRB 121102 произошло, как нетрудно понять, 2 ноября 2012 года. Если позже в той же точке неба снова был зафиксирован радиовсплеск, считается, что это повтор FRB 121102, а не новое событие. Таким образом, радиовсплески делятся на повторяющиеся и неповторяющиеся.

Счет повторяющимся радиовсплескам идет на десятки, а самим повторам — на сотни. Повторяющиеся всплески редко бывают по-настоящему периодическими, хотя некие математические закономерности удается нащупать.

Событие, многократно происходящее в одной и той же точке неба, никак не может быть взрывом небесного тела. Очень трудно вообразить звезду или черную дыру, которая взрывается, а потом… снова взрывается. И так сотни раз.

Зато повторяющиеся радиовсплески прекрасно укладываются в другую теорию. Она гласит, что источник FRB — магнетары. Это нейтронные звезды с магнитными полями 10¹³–10¹⁴ гаусс. Такие значения, невероятные даже по меркам нейтронных звезд, делают магнетары самыми сильными магнитами в известной Вселенной.

Некоторые магнетары неоднократно демонстрировали радиовспышки, правда, не дотягивающие до настоящих быстрых радиовсплесков. К тому же некоторые радиовсплески явно прошли сквозь очень мощное магнитное поле. Астрономы сделали такой вывод, измерив тонкую характеристику радиоволн. Для искушенных читателей уточним: это была мера вращения плоскости поляризации в магнитном поле.

И однажды наблюдатели все-таки дождались от магнетаров настоящего FRB. Это был FRB 200428, единственный (пока) всплеск, произошедший в Млечном Пути. Дисперсия сигнала однозначно указывала, что событие произошло в Галактике, а не за ее пределами. И надо же было такому случиться, чтобы именно в этой точке неба находился магнетар SGR 1935+2154. Впоследствии оказалось, что FRB 200428 — повторяющийся радиовсплеск.

Совсем другой вопрос, как именно магнетар порождает радиовсплески. Теорий по этому поводу предостаточно, и «планетная» гипотеза, с которой мы начали разговор, — лишь очередная из них. Чтобы сделать выбор между разными версиями, пока не хватает данных.

А может, все-таки бахнем?

Так что же, магнетары поставили жирный крест на разговорах о взрывах всяких интересных штуковин?

Не совсем. Возможно, что повторяющиеся и неповторяющиеся всплески имеют разную природу. В конце концов подавляющее большинство FRB так никогда и не повторились.

Астрономам не привыкать к вспышкам, похожим как сестры, но имеющим разное происхождение. Взглянем, например, на сверхновые.

Сверхновая типа Ia — это термоядерный взрыв белого карлика. Вообще-то белые карлики — это остатки небольших звезд, исчерпавших топливо. Обычно они медленно и скучно остывают. Но иногда белый карлик наращивает массу. Либо постепенно, поглощая вещество соседней звезды, либо резко, столкнувшись и слившись с другим белым карликом. Если масса белого карлика становится слишком большой, происходит термоядерный взрыв, разносящий жадину в пыль.

Сверхновые всех остальных типов имеют совсем другое происхождение. Такая вспышка происходит, когда массивная звезда исчерпывает запасы термоядерного топлива. При этом ее ядро сжимается, превращаясь в нейтронную звезду или черную дыру. Внешние же слои падают на ядро и отскакивают от него. Огромная энергия этого удара превращает отскочившую оболочку в раскаленный расширяющийся фронт, похожий на взрывную волну.

Это только один пример из целого ряда совершенно разных явлений, очень похоже выглядящих в телескоп. Возможно, что и за быстрыми радиовсплесками стоят события разной природы, в том числе и взрывы чего-нибудь этакого.