Ученые обнаружили причину загадочных радиосигналов из космоса

Быстрые радиовсплески (FRB — Fast Radio Bursts) — это чрезвычайно яркие и короткие импульсы, фиксируемые в радиодиапазоне. Они длятся доли секунды, но за это время в космическое пространство выбрасывается столько энергии, сколько Солнце производит за несколько десятков тысяч лет.

Как отмечается в материале РИА Новости, FRB впервые обнаружили в 2007-м, и с тех пор многократно наблюдали в разных частях Вселенной. Но каждый раз они находились слишком далеко, чтобы достоверно определить, откуда идут импульсы. К тому же вспышки в большинстве своем были однократными.

Радиоизлучение во Вселенной возникает, когда газ, состоящий из беспорядочно движущихся электронов высокой энергии, взаимодействует с магнитными полями. Это вызывает выброс энергии на радиочастотах. Радиоволны создаются сверхмассивными черными дырами, остатками сверхновых и скоплениями горячего галактического газа. Однако у быстрых радиовсплесков другие характеристики.

В апреле 2020-го американские и канадские астрономы, работающие на радиотелескопе CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment) обсерватории (Dominion Radio Astrophysical Observatory) в Британской Колумбии впервые смогли связать очередной быстрый радиовсплеск с конкретным источником. Им оказался магнетар SGR 1935+2154, расположенный в центре Млечного Пути, примерно в 30 тысячах световых лет от Земли в созвездии Лисички.

Магнетары — это быстро вращающиеся нейтронные звезды с чрезвычайно мощным магнитным полем: оно в триллионы раз сильнее, чем у Земли. Периодически они порождают импульсы рентгеновского и гамма-излучения, которые длятся от долей секунды до нескольких минут. Считается, что это вызвано высвобождением энергии магнитных полей.

Звезда SGR 1935+2154 — ничем не выделявшийся ранее типичный представитель класса магнетаров, получивший название по координатам на звездном небе. Но 28 апреля 2020-го за доли секунды он испустил вспышку в три тысячи раз более яркую, чем любой другой когда-либо наблюдавшийся радиосигнал. Это был типичный радиовсплеск — ближайший к Земле из всех зафиксированных учеными. Событию присвоили название FRB 200428.

После этого открытия стало понятно, что источник по крайней мере части быстрых радиовсплесков — магнетары. Однако физический механизм возникновения FRB оставался загадкой. Чтобы ее разрешить, ученые продолжали наблюдать за SGR 1935+2154 с помощью рентгеновской многозеркальной миссии Европейского космического агентства XMM-Newton, которая находится на околоземной орбите, и прибора НАСА Neutron Star Internal Composition Explorer (NICER), закрепленного на борту МКС.

В октябре 2020-го астрономы заметили внезапное замедление вращения звезды, а спустя несколько дней магнетар снова превратился в источник повторяющихся быстрых радиовсплесков. Ученые предположили, что эти два события связаны.

Существующие теории движения звезд допускают резкие изменения в их динамике. Обычно это происходит потому, что внешние слои звезды постепенно замедляются, а внутренние сохраняют стабильное вращение, и на границе между ними накапливается напряжение, которое разряжается путем резкой передачи импульса от ядра к поверхности. Такое явление называют глитчем (от англ. glitch — "сбой").

Однако в данном случае ученые имели дело с антиглитчем — не с ускорением, а внезапным замедлением. Международный коллектив ученых под руководством Валида Маджида из Калифорнийского технологического института недавно предложил гипотезу, объясняющую, как это могло произойти.

Нейтронные звезды отличаются от обычных чрезвычайно малыми размерами и очень высокой плотностью вещества. По происхождению это ядра бывших массивных звезд главной последовательности. На завершающем этапе жизни после взрыва сверхновой они теряют внешние оболочки — и остается нейтронное ядро, которое со временем покрывается тонкой корой, сложенной тяжелыми ядрами и электронами.

При этом исходный угловой момент движения сохраняется. Поэтому нейтронные звезды обладают очень высокой угловой скоростью вращения — они делают полный оборот вокруг оси за несколько секунд. Причиной же их внезапного замедления, по мнению авторов исследования, могут быть события, связанные с расколом коры и прорывом на поверхность глубинного вещества, находящегося в состоянии плазмы.

Результаты моделирования подтвердили: из-за мощного потока частиц при таком "извержении" возникает звездный ветер, тормозящий вращение магнетара. А резкое изменение конфигурации магнитного поля приводит к энергетической разрядке в виде быстрого радиовсплеска.

"Ранее предполагали, что нейтронные звезды могут иметь на поверхности аналог вулканов, — отмечает один из авторов исследования, профессор физики и астрономии в Университете Райса доктор Мэтью Бэринг. — Наши результаты показывают, что это вполне реально. В данном случае разрыв, скорее всего, произошел на магнитном полюсе звезды или рядом с ним".

Специалисты отмечают, что антиглитч — сбой, приводящий к замедлению вращения звезд, — явление крайне редкое. Нынешний случай — третий за всю историю наблюдений. Хотя, возможно, это связано с недостатком данных.

Нейтронные звезды нельзя увидеть в телескоп: это очень маленькие объекты диаметром 10-20 километров. Идентифицируют их по взрывам сверхновых, на месте которых они возникают, или по характерному рентгеновскому излучению. Его параметры позволяют также определять угловые моменты движения магнетаров.

Кроме того, с этим классом звездных объектов связаны отдельные гамма-всплески — самые яркие и масштабные электромагнитные события во Вселенной, куда более распространенные, чем FRB. Астрономы фиксируют их чуть ли не ежедневно. Правда, основная часть порождается слиянием двух нейтронных звезд или нейтронной звезды и черной дыры.

В 2008-м космический телескоп НАСА "Спитцер" получил первое инфракрасное изображение магнетара. Это был SGR 1900+14 в созвездии Орла на расстоянии около 20 тысяч световых лет от нас. На снимке, конечно, нет самой крошечной звезды, зато отчетливо видно светящееся кольцо диаметром около семи световых лет, окружающее объект.

Ученые доказали, что свечение возникло после мощного выброса энергии, который астрономы зафиксировали в 1998-м. Предполагается, что в ядре магнетара произошел взрыв. Поток частиц был настолько сильным, что достиг верхних слоев атмосферы Земли и вызвал их ионизацию. При этом окружающее звезду пылевое облако уплотнилось и "засветилось" в инфракрасном диапазоне.

Астрономы надеются, что новые данные о магнетарах позволят построить уточненную физическую модель этих удивительных звезд с самыми интенсивными магнитными полями во Вселенной, в которых сжатая гравитацией материя состоит из нейтронов, упакованных так же плотно, как внутри атомного ядра.