Быстрые радиовсплески20.02.2016 09:07

Астрофизик Сергей Попов о вращающихся радиотранзиентах, системе телескопов SKA и микроволновках в обсерватории

Самое интересное в науке — это, наверное, загадки. Загадки бывают разные. Бывают те, которые люди не могут решить десятилетиями, веками. Люди долго доказывали теорему Ферма, люди мучаются с разными математическими гипотезами, с созданием каких-то глобальных теорий. А бывают загадки, когда что-то происходит и мы не знаем, что это. В астрономии это довольно часто встречается, и мы поговорим о самом свежем и, наверное, поэтому сейчас самом интересном примере — о быстрых радиовсплесках. Обычно загадочное — это что-то довольно редкое. Здесь ситуация более хитрая, потому что короткие радиовсплески очень трудно обнаруживать. Сейчас наблюдения показывают, что быстрые радиовсплески происходят на небе несколько тысяч раз в день. И мы совершенно не знаем, что это такое. А сама загадка появилась недавно. В магнитосфере Земли постоянно что-то шумит, трещит и щелкает, поэтому, когда услышан отдельный щелчок в радиодиапазоне и пойман отдельный всплеск, очень трудно сказать, что это астрономический источник, который прилетел оттуда. Только в XXI веке люди научились как следует это делать. Обнаружили очень интересный тип активности нейтронных звезд, появился специальный термин для этого типа объектов — вращающиеся радиотранзиенты. А в 2007 году был открыт первый быстрый радиовсплеск.

Тогда их так не называли. Дункан Лоример и его команда проводили обзор в радиодиапазоне и увидели очень яркий всплеск, в тысячи раз превосходящий самые слабые источники, которые мы сейчас можем наблюдать, и всплеск пришел как бы из ниоткуда. Определить очень точно местоположение всплеска трудно, но тем не менее это небольшая область на небе, размером чуть меньше лунного диска, и ничего примечательного там не видно. Всплеск в каком-нибудь другом диапазоне, например гамма-всплеск, не наблюдался. Пришел только очень короткий, несколько миллисекунд, очень мощный радиовсплеск. Вообще говоря, это нетипично. В радиодиапазоне мы не ждем мощных коротких всплесков, это скорее прерогатива жесткого диапазона. Люди начали думать, что это. Итак, ничего не видно, но кажется, что всплеск приходит с большого расстояния. Почему? Мы привыкли, что скорость света — 300 тысяч километров в секунду, можно это число поточнее выписать. Но это скорость света в вакууме, не в вакууме скорость света меньше, и все это знают, поскольку преломление основано именно на этом: у вас есть граница двух сред — в одной среде скорость света одна, в другой скорость света другая, и возникает эффект преломления света. Свет, двигаясь в межзвездном или межгалактическом пространстве, двигается не в пустоте — там вещества мало, мы дышать не можем, но тем не менее. На больших расстояниях набирается эффект, и электромагнитные волны разной частоты двигаются с разной скоростью. Поэтому, когда люди наблюдают на радиотелескопе, они видят, что излучения на разных длинах волн приходят с задержкой. И это, в принципе, позволяет определять расстояния до источников, если мы знаем, как устроена среда.

В данном случае оказывалось, что источник находится на межгалактических расстояниях, условно говоря, в миллиардах световых лет от нас. Это совсем необычно, это было настолько необычно, что появилась буквально пара статей в 2007 году с попытками это объяснить, и люди просто об этом забыли, перестали думать. Но через 6 лет произошел следующий большой прорыв: сразу четыре коротких радиовсплеска было обнаружено в архивных данных. И тогда люди поняли, что все-таки это какой-то класс объектов. Бросились их объяснять, предложили довольно много гипотез. На тот момент, когда было пять всплесков, число гипотез быстро перевалило за десяток. Дальше всплески продолжали открывать — в основном по архивным данным, продолжали выдвигать гипотезы. Через несколько лет мы пришли к ситуации, когда число всплесков равняется количеству гипотез, что уже немного приятнее.

Несколько лет наблюдений понадобилось для того, чтобы впервые увидеть всплеск в реальном времени. В радиодиапазоне это трудно, потому что сложно проводить чувствительный обзор неба. Обычно в радиодиапазоне изучают маленький кусочек неба, опять-таки размером с лунный диск — чуть больше, чуть меньше, что зависит уже от конкретного телескопа. Стало ясно, что это все-таки какой-то класс объектов. Довольно быстро удалось показать: маловероятно, что это источники в нашей Галактике, — скорее всего, это внегалактические объекты. И люди стали обсуждать, что же это может быть. Проще всего, конечно, сделать мощный всплеск с помощью какого-нибудь катастрофического явления. Здесь у нас всплески миллисекундные. Миллисекунды — на что это похоже? Берем скорость света и получаем, что размер объекта максимум 300 километров, область излучения имеет размер максимум 300 километров, иначе вы не сделаете такую короткую вспышку. Что у нас есть такое маленькое? Вообще говоря, только нейтронные звезды, даже белые карлики сами по себе больше. Вы можете придумывать гипотезы с белыми карликами, но тогда это должно происходить на их магнитных полюсах, и такие модели есть. Но все-таки нейтронные звезды или черные дыры и какая-нибудь катастрофа.

С черными дырами сложно. Пожалуй, есть только один, зато крайне интересный механизм, который может дать короткий всплеск, — это испарение черной дыры. Когда в 2012 году был обнаружен один из всплесков, он, в отличие от предыдущих, находился в плоскости галактики, и казалось, что этот галактический объект, может быть, близкий, люди обсуждали гипотезу того, что впервые увидели испарение черной дыры. По всей видимости, это не так. А с нейтронными звездами все очень хорошо: мы знаем, что они могут быть радиопульсарами. Радиопульсары дают такие короткие всплески, но гораздо более слабые. По крайней мере, таких мощных никто не наблюдал от известных радиопульсаров, но видно, что потенциал есть. Значит, давайте играть с нейтронными звездами. Как можно быстро выделить всю их энергию? Надо с ними что-то сделать. Нейтронная звезда может сколлапсировать в черную дыру, может превратиться в кварковую звезду и тоже резко поджаться. Две нейтронные звезды могут столкнуться, слиться, и все происходит тоже очень быстро, и можно выделять много энергии. Все эти сценарии были предложены — это катастрофические сценарии. С другой стороны, есть некатастрофические сценарии с нейтронными звездами, например вспышки магнитаров.

Магнитар — нейтронная звезда с большим магнитным полем, и мы знаем, мы видели такие вспышки, когда магнитар на долю секунды может стать ярче целой галактики. Если хотя бы одну миллионную часть этой энергии вы запихнете в радиодиапазон — получится то, что надо. Получится вспышка вроде быстрого радиовсплеска. Можно предполагать, что у радиопульсаров есть редкие вспышки, гораздо более мощные, чем те, которые мы видели, и, соответственно, потенциально радиопульсары тоже являются кандидатами. И наконец, есть всякая экзотика: люди начали придумывать сценарии с космическими струнами и с какой-то другой интересной физикой. Это формирует некую третью группу. Как правило, они ближе скорее к катастрофическим — в том смысле, что это должны быть очень редкие явления.

Наблюдения продолжались, и был обнаружен двойной быстрый радиовсплеск — несколько миллисекунд всплеск, несколько миллисекунд второй всплеск. Это довольно интересно. Почему? Потому что это ставит большие проблемы перед катастрофическими сценариями. Допустим, у нас нейтронная звезда схлопнулась в черную дыру, мы породили всплеск, а теперь второй подряд. У нас столкнулись две нейтронные звезды, мы породили короткий всплеск, а теперь второй, пожалуйста. Сделать это очень трудно. Это дало очень большую поддержку некатастрофическим сценариям, но тем не менее ясности до сих пор нет. До сих пор катастрофические модели остаются на повестке дня. И сейчас мы имеем довольно странную ситуацию: у нас есть менее двух десятков всплесков, у нас есть два десятка гипотез для их объяснения, люди пытаются в архивах искать новые примеры всплесков, и новые всплески прибавляются пока очень медленно. Люди пытаются наблюдать области, где произошли всплески, в самых разных диапазонах, и пока не видно, чтобы радиовсплески совпадали со вспышками в каких-то других диапазонах, что опять-таки сужает класс моделей, которые могут это объяснять. И в любой модели нужно объяснять такой поразительный факт, что происходит несколько тысяч событий в день, может быть 10 тысяч событий в день, которые мы могли бы видеть с помощью современных радиотелескопов, если бы они могли одновременно осматривать все небо.

Таким образом, быстрые радиовсплески сейчас являются действительно одной из таких жгучих астрофизических загадок. И прелесть, наверное, состоит в том, что каждый день мы можем ожидать, что кто-то найдет какой-нибудь всплеск, какое-то событие, которое все объяснит. Например, увидит радиовсплеск, и одновременно придет гамма-всплеск, мы сможем очень точно определить координаты, навестись туда очень мощными телескопами и увидеть, например, галактику, где это произошло. Или люди увидят несколько всплесков подряд. Если это несколько всплесков, скажем, в течение одной минуты, это отбросит 90% моделей. Если это десять всплесков за год из одного и того же места с похожими параметрами, это отбросит 90% моделей, но не те же 90%. Такие данные помогут выделить правильную модель и, по всей видимости, продвинуться не только в астрофизическом смысле, но, может быть, и в физическом, поскольку не было моделей, которые четко предсказывали бы, что подобные всплески могут происходить. Значит, там происходят какие-то интересные физические процессы, необязательно новые, как в экзотических моделях, где задействованы какие-нибудь космические струны, но, по всей видимости, очень интересные, о которых люди или не думали совсем, или не думали достаточно для того, чтобы сделать предсказания, что в таких-то процессах могут происходить очень мощные радиовсплески, которые будут видны с другого края Вселенной.

Чем могут быть полезны быстрые радиовсплески? Если это действительно вспышки на очень больших расстояниях, то это почти идеальный зонд для изучения Вселенной. Например, у физиков есть очень интересная идея, что даже в вакууме электромагнитные волны разной частоты распространяются с разной скоростью, потому что они начинают взаимодействовать с вакуумом, с пеной, которая на каком-то уровне заполняет наше пространство. До недавнего времени это пробовали проверять с помощью гамма-всплесков. У них большие энергии, и это хорошо для этой модели, но гамма-всплески редко бывают очень короткими. Идея состояла в том, что вы смотрите на далекий гамма-всплеск и говорите, что его расплывание определяется не внутренней физикой источника, а взаимодействием с вакуумом, пространством. Тогда вы можете поставить какие-то пределы на модель, то есть эффект не больше, чем ширина всплеска. Это хорошо, но радиовсплески гораздо более узкие, и, может быть, их приходит много с больших расстояний, если верны некоторые модели, с очень большим выделением энергии. Если это будет подтверждено, то короткие быстрые радиовсплески помогут нам в изучении фундаментальных свойств нашего мира. С другой стороны, если мы отвлечемся от фундаментальной физики, иметь такой замечательный пробник, зонд для межгалактической среды, очень короткий радиовсплеск, который проходит миллиарды световых лет и который мы можем очень точно измерять, было бы очень здорово. Поэтому многие люди просто заинтересованы в решении загадки быстрых радиовсплесков.

Быстрые радиовсплески изучают на разных радиотелескопах, ищут в разных архивах, но к настоящему моменту подавляющее большинство всплесков обнаружено на одном телескопе, находящемся в Австралии, Парксе. Это телескоп, который предназначен в основном для изучения радиопульсаров, они открыли их великое множество. Они делают обзор неба в поисках новых радиопульсаров, поэтому им легко обнаруживать короткие всплески, они специально нацелены на эту программу. В будущем, когда заработает система телескопов SKA, даже если ничего не произойдет за эти 10 лет, которые отделяют нас от запуска системы SKA, телескопы точно решат эту задачу. Они будут видеть много всплесков, будут очень быстро наблюдать довольно большие площади на небе, но пока люди работают с тем, что есть. И в Парксе существовала очень интересная проблема, связанная с этим, один из самых забавных научных результатов последних лет. Люди видели очень похожие всплески, но подозревали, что это всплески где-то на Земле: или действительно прямо на Земле, или прямо рядом с телескопом, или в каком-то отдалении от него, или в магнитосфере Земли, но какой-то некосмический феномен, локальный. И астрономам удалось решить эту проблему.

Оказалось, что всплески порождаются микроволновками в обсерватории. Астрономы — люди занятые, думают о звездах и перекусывают очень быстро, поэтому никто никогда не ждет, когда микроволновка закончит работу: осталось 2 секунды, вы нажали кнопку, дверца открылась, вы взяли свой бутерброд. Так вот, когда открывается дверца работающей микроволновки, выходит очень короткий радиосигнал. Мозги он вам не сварит, но чувствительная аппаратура может его почувствовать. И очень детальное исследование с новыми мониторами для слежения за шумами позволило решить эту проблему. Читать статью одно удовольствие, потому что, повторюсь, это очень серьезное исследование, технически непростое, но описание внутри выглядит очень забавно. Иногда возникает ощущение, что это студенты написали для какого-то капустника такую специальную статью. Я не удивлюсь, если люди получат Нобелевскую премию за это открытие. Но для нас эта история важна еще и тем, что это подтвердило реальность настоящих быстрых радиовсплесков, которые не связаны с микроволновками или с какими-то гигантскими микроволновками, работающими в космосе, где-то очень-очень далеко. Примерно как в «Людях в черном» можно себе представить, что какие-то гигантские инопланетяне, тоже не дождавшись, нажимают кнопку, открывается дверца микроволновки размером со Звезду Смерти и кто-то достает бутерброд.