» » Вспышка магнитара из Млечного Пути очень похожа на быстрый радиовсплеск

Вспышка магнитара из Млечного Пути очень похожа на быстрый радиовсплеск


Вспышка магнитара из Млечного Пути очень похожа на быстрый радиовсплеск

Вспышка магнитара из Млечного Пути очень похожа на быстрый радиовсплеск

Рис. 1. Энерговыделение транзиентов разных типов (вертикальная ось) в зависимости от характерной частоты наблюдения, умноженной на характерную длительность транзиента (горизонтальная ось, в единицах [ГГцxсекунды]). Вертикальная ось, по сути, соответствует энергии, выделенной источником на единицу частоты (Гц) за единицу времени (в секунду). Быстрые радиовсплески показаны черными точками сверху. Обнаруженный 27 апреля всплеск от магнитара SGR 1935+2154 показан светло-зеленой точкой рядом с этой группой. Большая синяя группа (pulsars) — радиопульсары, красная — это довольно маленькая группа вращающихся радиотранзиентов (RRAT), источниками которых, скорее всего, тоже являются радиопульсары. На высоких частотах в гамма-диапазоне (справа) показаны джеты активных ядер галактик и блазаров (AGN, QSO, blazar), гамма-вспышки (GRB), сверхновые (supernovae). Чуть ниже — излучение от аккреционных дисков двойных систем с черной дырой (так называемые рентгеновские двойные, XRB — x-ray binaries) и с белым карликом (катаклизмические переменные, CV — cataclysmic variables). Все источники разделены на две условные категории (что показано разными цветами фона): на голубом фоне находятся источники, излучение которых объяснимо суммой отдельно взятых частиц, излучающих независимо друг от друга (некогерентное излучение), тогда как на белом фоне показаны источники, излучение которых слишком интенсивно, и для их объяснения требуется, чтобы некоторые большие сгустки частиц излучали вместе (когерентное излучение). Рисунок из твиттера Evan Keane


Быстрые радиовсплески (fast radio bursts, FRB) были открыты в 2007 году и с тех пор мучают астрофизиков, поскольку удовлетворительного объяснению этого феномена до сих пор не предложено. На днях сразу нескольким телескопам повезло наблюдать очередной FRB, причем впервые удалось не только зафиксировать его излучение на частотах от радио- до рентгена и гамма-диапазона, но и однозначно идентифицировать источник. Им оказался магнитар SGR 1935+2154, находящийся на расстоянии 10 000 парсек от Солнечной системы — в пределах нашей Галактики. Остальные быстрые радиовсплески приходили из далеких галактик с расстояний в сотни миллионов парсек или дальше.

Большинство процессов в космосе по меркам человеческой жизни происходит очень долго. Орбитальные периоды планет исчисляются годами (среди открытых экзопланет многие расположены близко к своим звездам и имеют короткие периоды, но Нептун, например, один оборот вокруг солнца делает примерно за 169 лет). Радующие глаз планетарные туманности «живут» тысячи лет. Жизненный цикл звезд длится от нескольких миллионов лет для очень массивных звезд до сотен миллиардов или даже триллионов лет для красных карликов (солнце, сформировавшееся примерно 4,5 млрд лет назад, сейчас находится примерно в середине своей жизни). Орбитальные периоды не слишком близких к центру галактик звезд тоже имеют порядок миллионов лет (солнце, к примеру, делает один оборот вокруг центра Млечного Пути за 200–250 млн лет). Формирование и эволюция звездных скоплений и галактик длятся сотни миллионов и миллиарды лет. Поэтому во многих случаях астрономы видят лишь статические изображения практически замороженных во времени процессов.

К их счастью, есть и много довольно скоротечных процессов. Более того, в последние десятилетия пополняется список явлений, которые происходят почти мгновенно — буквально «в прямом эфире», если, конечно, их успеют засечь. Такие процессы называют транзиентами (transient astronomical event). Транзиентами, например, являются слияния нейтронных звезд или черных дыр, взрывы сверхновых, гамма-вспышки, события приливных разрушений звезд и т. д. Некоторые группы транизентов показаны на рис. 1. Некоторые из этих процессов могут разворачиваться на протяжении дней, некоторые — на протяжении долей секунды. Но главное — их практически невозможно предугадать.

В изучении тразиентов помогают обзорные телескопы, некоторые из которых объединены в сети. Задача этих инструментов, работающих в разных диапазонах (от радио- до гамма-), а также гравитационно-волновых телескопов и детекторов космических лучей, — непрерывно мониторить большие участки неба, чтобы не пропустить что-нибудь интересное. Заметив подозрительно «яркую» область неба, эти аппараты автоматически передают «тревогу» (alert) другим телескопам с большим разрешением и чувствительностью, но с меньшим углом обзора (из-за чего они не могут постоянно наблюдать большие участки неба), а также телескопам в других диапазонах.

Один из таких обзорных телескопов — космическая обсерватория Swift. На ее борту расположен телескоп BAT (Burst Alert Telescope), в поле зрения которого попадает примерно 1/9 площади всего небосвода. Он и сработал 27 апреля в 18:26 по всемирному времени, обнаружив излучение в жестком рентгене (15–350 кэВ), пришедшее из точки северной полусферы с координатами 19h 35m 0,00s (прямое восхождение), +21°54? 00,0 (склонение). После оповещения к наблюдениям подключилось сразу несколько телескопов, работающих в разных диапазонах — от радио- до рентгеновского. Зарегистрированные сигналы представляли собой короткие (длиной в несколько миллисекунд) всплески, происходившие на протяжении нескольких секунд. Эти всплески наблюдались в радио-диапазоне на частотах 400–800 МГц (астротелеграмма 13681) и 1,4 ГГц (13684), а также в «мягком» (астротелеграммы 13679 и 13678) и «жестком» (13686, 13685) рентгеновских диапазонах. астрономы пользуются астротелеграммами для коротких докладов и технических сообщений о последних интересных наблюдениях, они публикуются на сайтах astronomerstelegram.org и gcn.gsfc.nasa.gov.

Но что интересного в этом маленьком транзиенте и почему это событие так заинтересовало астрофизиков во всем мире? Такого рода сигнал, а точнее всплеск, в радиодиапазоне наблюдается не впервые. В 2007 году, анализируя архивные данные наблюдений радиотелескопа обсерватории Паркса в Австралии за 2001 год, один из аспирантов астронома Данкана Лоримера (Duncan Lorimer) — Давид Наркевич (David Narkevic) — обнаружил очень мощный радиовсплеск продолжительностью 5 мс, пришедший с расстояния 1000 Мпк (для сравнения, расстояние до ближайшей крупной галактики — галактики Андромеды — меньше одного Мпк). Этот радиовсплеск до сих пор носит название «всплеск Лоримера». В последующие годы в результате анализа старых наблюдений и новых нацеленных поисков было обнаружено свыше ста аналогичных событий, которые впоследствии стали называть быстрыми радиовсплесками (fast radio burst — FRB, см. также список зарегистрированных FRB).

Обычно FRB — это серия всплесков, длящихся от нескольких миллисекунд до нескольких десятков миллисекунд и повторяющихся спорадически в течение нескольких секунд. Все до сих пор наблюдавшиеся всплески приходили к нам из далеких галактик (удаленных от нас на расстояние нескольких сотен Мпк и дальше). Для многих даже удалось локализовать галактики, из которых приходит сигнал. Объединяет их то, что всем им соответствовало катастрофическое энерговыделение: оценки дают 1040–1045 эрг/с. Для сравнения, сверхновые разных типов имеют энерговыделение 1042–1043 эрг/с.

Природа возникновения этих вспышек пока так и остается загадкой. Неизвестно даже относятся ли все наблюдаемые радиовсплески к одному и тому же типу процессов. Из имеющихся наблюдений можно лишь сузить круг «подозреваемых». Во-первых, наличие нескольких независимых микровспышек внутри одного длинного радиовсплеска говорит о том, что это излучение не может быть произведено узконаправленными пучками частиц (как в случае гамма-всплесков или радиоизлучения пульсаров). Излучение от всплесков «обязано» быть направлено во все стороны, что накладывает ограничения как на энергетику процесса, так и на размеры источника. Так, из-за слишком короткой продолжительности (всего несколько миллисекунд) размер источника не может превышать расстояние, которое за это время пролетает свет (а это всего лишь сотни километров). В противном случае разные части источника всплеска не будут причинно связаны друг с другом и не смогут бы «договориться» о том, чтобы излучить в одно и то же время. А из энергетических соображений можно заключить, что в процессе должны участвовать ультрарелятивистские частицы, ускоренные почти до скорости света.

Придумано множество теорий, объясняющих экстремальную физику, лежащую в основе быстрых радиовсплесков. По одной из них источником радиовсплесков является сильно намагниченная ударная волна, возникающая, например, в результате слияния нейтронных звезд (B. D. Metzger et al., 2019. Fast radio bursts as synchrotron maser emission from decelerating relativistic blast waves). В таких ударных волнах может возникать так называемая синхротронная мазерная неустойчивость плазмы (M. Hoshino, J. Arons, 1998. Preferential positron heating and acceleration by synchrotron maser instabilities in relativistic positron–electron–proton plasmas), когда ларморовское вращение многих частиц спонтанно синхронизируется, и они излучают все вместе как один большой пучок. В результате может возникать мощное электромагнитное излучение в радиодиапазоне.

Для более глубокого ознакомления с быстрыми радиовсплесками, их наблюдениями и теориями их возникновения можно посмотреть видео с недавней конференции The Astrophysics of Fast Radio Bursts.

По другим теориям источником являются магнитары, а точнее магнитосфера вокруг магнитаров. Магнитары — это класс нейтронных звезд, которые вращаются вокруг своей оси с периодом в несколько секунд и вблизи поверхности имеют самые сильные магнитные поля во Вселенной (1014–1015 Гс). Магнитосфера вокруг магнитаров наполнена плазмой электронов и позитронов, движущихся с ультрарелятивистскими скоростями. По некоторым версиям из-за неустойчивой коры, поверхность магнитара может «запускать» магнитные (альвеновские) волны в магнитосферу (рис. 2), которые будут распространяться вдоль силовых линий, как волны по струне (P. Kumar, Z. Bosnjak, 2020. FRB coherent emission from decay of Alfven waves). Из-за наличия плазмы такая волна постепенно «перекачивает» свою энергию в частицы, одновременно формируя сгустки плазмы размером несколько сантиметров, которые и будут спорадически порождать радиовсплески.


Вспышка магнитара из Млечного Пути очень похожа на быстрый радиовсплеск

Рис. 2. Схематическое изображение магнитара и магнитных полей в его магнитосфере. С поверхности магнитара вдоль силовых линий могут распространяться волны, которые будут диссипировать и перекачивать свою энергию в пучки излучающих частиц. Рисунок из статьи P. Kumar, Z. Bosnjak, 2020. FRB coherent emission from decay of Alfven waves


Еще одна теория предполагает, что всплески рождаются во внешней магнитосфере магнитаров (A. Philippov et al., 2019. Pulsar Radio Emission Mechanism: Radio Nanoshots as a Low-frequency Afterglow of Relativistic Magnetic Reconnection, Y. Lyubarsky, 2019. Radio emission of the Crab and Crab-like pulsars), где магнитные поля противоположных направленностей пересоединяются (как это показано на рис. 3). В результате пересоединения возникают магнитные «островки» («плазмоиды»), движущиеся со скоростями, близкими к световой, и несущие с собой сгустки горячей плазмы. Эти «островки» могут сталкиваться и сливаться, в результате чего возникает электромагнитное излучение, которое мы потом и видим, как быстрые радиовсплески.


Вспышка магнитара из Млечного Пути очень похожа на быстрый радиовсплеск

Вспышка магнитара из Млечного Пути очень похожа на быстрый радиовсплеск

Рис. 3. Магнитосфера магнитара, вращающегося в плоскости рисунка. Изображение получено по результатам двумерной плазменной симуляции. Цветами показана плотность электрон-позитронной плазмы, а темные линии указывают направление магнитного поля. Слева показана область пересоединения магнитных силовых линий с последующим образованием магнитных «островков» («плазмоидов») и плотностью радиоизлучения в результате их слияния (слева внизу). Рисунок из статьи A. Philippov et al., 2019. Pulsar Radio Emission Mechanism: Radio Nanoshots as a Low-frequency Afterglow of Relativistic Magnetic Reconnection


Вернемся, однако, к свежему наблюдению, о котором говорилось выше. Сигнал, пойманный сразу несколькими радио- и рентгеновскими телескопами, возможно, является одним из этих самых быстрых радиовсплесков. Конкретно это событие отличается от остальных тем, что, во-первых, впервые удалось «поймать» рентгеновское излучение, а во-вторых, впервые однозначно удалось локализовать источник всплеска! Им является магнитар SGR 1935+2154, расположенный в созвездии Лисички. Примечательно (и это, собственно, и позволило «увидеть» рентгеновское излучение от всплеска и локализовать источник), что магнитар находится на расстоянии меньше 10 килопарсек от Солнечной системы. Если подтвердится, что вспышка 27 апреля была именно быстрым радиовсплеском, то он станет первым FRB, чей источник однозначно находится в нашей Галактике. Несмотря на то, что по меркам FRB у него энерговыделение достаточно маленькое (<1040 эрг/с), его наблюдение в различных диапазонах и однозначная ассоциация с источником могут, наконец, помочь пролить свет на тайну быстрых радиовсплесков. Но пока никаких статей с деталями наблюдений не появилось — были лишь короткие сообщения о самом факте детектирования и наблюдении в различных диапазонах. Но, несомненно, астрофизики активно изучают полученные данные и публикации в скором времени последуют. Надо лишь набраться терпения и немного подождать.

Айк Акопян


11 май 2020 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Новые данные обсерватории Planck закрывают чересчур оптимистичную интерпретацию результатов BICEP2

Полгода назад эксперимент BICEP2 сообщил о наблюдении характерных особенностей в поляризации космического реликтового излучения, которые могли быть вызваны сильными гравитационными волнами,

Новые результаты не подтверждают загадочную рентгеновскую линию излучения

Полгода назад две группы исследователей сообщили об обнаружении неизвестной линии излучения в рентгеновских спектрах галактик. Заявление звучало сенсационно, поскольку это излучение могло идти от

Создан самый яркий лабораторный источник нейтронов

Группа экспериментаторов из Техасского университета в Остине на основе лазера сверхвысокой пиковой мощности создала источник нейтронов с рекордной плотностью потока. Это удалось благодаря новому

Циклотронное излучение открывает новые возможности для измерения массы нейтрино

Первые результаты эксперимента Project 8 доказали состоятельность новой методики измерения энергии электронов — по частоте их циклотронного излучения. Этот метод работает с нерелятивистскими

В сталкивающихся галактиках найдены тесные пары сверхмассивных черных дыр

Используя данные космической обсерватории SWIFT и восьмиметрового инфракрасного телескопа Кека, ученые смогли приподнять эту завесу и найти несколько пар сближающихся сверхмассивных черных дыр в
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Существует 50% вероятность того, что мы живем в симуляцииВремя эластично: почему на вершине горы время идет быстрее, чем на пляже?Кого и зачем приносили в жертву Древние Египтяне?На МКС найдено место утечки воздуха. Что дальше?Почему птицы летают клином11 живописных мест на планете, раскрашенных самой осеньюКрупнейшая озоновая дыра зафиксирована над АнтарктидойКаким будет мир с населением 10 миллиардов человек?