Крупнейший в мире радиотелескоп зафиксировал космические сигналы неизвестного происхождения

Китайские астрономы, работающие на крупнейшем в мире сферическом радиотелескопе, зафиксировали повторяющиеся быстрые радиовсплески. Радиовсплески (FRB, от англ. Fast Radio Bursts) - загадочные сигналы, идущие от источника, находящегося, вероятно, на расстоянии 3 млрд световых лет от Земли. "Сигналы принятые на крупнейшем в мире сферическом радиотелескопе с пятисотметровой апертурой (в оптике - действующее отверстие оптического прибора, определяющего его возможность собирать свет - ред), они тщательно проверены и обработаны", - цитирует агентство заявление специалистов Китайских астрономических обсерваторий при Академии наук КНР. Сферический радиотелескоп с пятисотметровой апертурой, известный как телескоп FAST, расположен в горах южнокитайской провинции Гуйчжоу. Быстрые радиовсплески (FRB) представляют собой радиоимпульсы длительностью несколько миллисекунд. До сих пор у ученых нет обоснованного объяснения их природы.

Телескоп Hubble обнаружил загадочный инфракрасный источник в относительной близости от нейтронной звезды

Космическое пространство полно необычных сигналов и источников излучения, природа которых все еще не ясна астрофизикам. Пример – так называемые быстрые радиовсплески (Fast Radio Bursts — FRB), мощные миллисекундные вспышки радиоизлучения, происходящие по несколько тысяч раз в день, но до сих пор остающиеся загадкой. Теперь же астрономы обнаружили новый непонятный источник, на этот раз в инфракрасном (тепловом) диапазоне электромагнитного излучения. Обнаружен он учеными при помощи космического телескопа Hubble в окрестностях нейтронной звезды, расположенной в относительной близости от Солнца — около 800 световых лет. Странное излучение было обнаружено группой исследователей под руководством Университета штата Пенсильвания (США) в сотрудничестве с турецкими учеными. Изучение источника излучения поможет лучше понять эволюцию нейтронных звезд — чрезвычайно плотных объектов, которые остаются на месте взрывов сверхновых. «Эта особенная нейтронная звезда принадлежит группе из семи расположенных неподалеку рентгеновских пульсаров — так называемой Великолепной семерке (астрономы полагают, что это молодые одиночные нейтронные звезды с сильным магнитным полем), которые горячее, чем должны были бы быть, учитывая их возраст и энергетику, получаемую за счет торможения», — пояснила Беттина Поссельт, профессор астрономии из Университета Пенсильвании, автор статьи в The Astrophysical Journal. — Мы обнаружили широкую область инфракрасного излучения вокруг этой нейтронной звезды RX J0806.4-4123, протяженность которой составляет порядка 200 астрономических единиц (2,5 расстояния от Солнца до Плутона) от пульсара».

Астрономы впервые обнаружили нейтронную звезду, ассоциированную со столь протяженным источником излучения, причем только в инфракрасном диапазоне.

Основываясь на прошлых наблюдениях, астрономы уверены, что видят гораздо более интенсивное инфракрасное излучение, чем может исходить от этой нейтронной звезды. «Все излучение, что мы видим, скорее всего приходит не от самой нейтронной звезды. Там должно быть что-то кроме», — считает Поссельт.

Для объяснения этого феномена ученые предложили две версии. Первая связана с наличием вокруг нейтронной звезды протяженного диска, преимущественно из пыли. «Одна из гипотез связана с наличием так называемого диска обратной аккреции, который остался вокруг нейтронной звезды после взрыва сверхновой, — пояснила Беттина Поссельт. — Такой диск должен состоять из материи массивной звезды-прародителя. Его дальнейшее взаимодействие с нейтронной звездой должно нагревать пульсар и останавливать его вращение. Если наличие такого диска подтвердится, это может изменить наше общее понимание эволюции нейтронных звезд».

Предполагается, что после взрыва сверхновой часть вещества не улетает «в бесконечность», а выпадает обратно на образовавшуюся нейтронную звезду или остается вращаться вокруг нее в виде диска.

Второе объяснение может быть связано с так называемым «плерионом». Плерион (англ. pulsar wind nebula) — термин, означающий подпитывание туманности, образующейся после взрыва сверхновой, ветром пульсара.

«Плерион может возникать, когда частицы ускоряются электрическим полем, производимым быстрым вращением нейтронной звезды вместе с сильным магнитным полем. По мере движения нейтронной звезды в межзвездной среде на сверхзвуковых скоростях в месте столкновения межзвездной среды и ветра пульсара возникает ударная волна. Ускоренные частицы излучают синхротронное излучение, вызывая протяженное инфракрасное излучение, которое мы наблюдаем. Обычно плерионы видны в рентгеновском диапазоне, и видеть их только в инфракрасном весьма необычно и волнительно», — отметила Поссельт.

Обычно природа нейтронных звезд изучается астрономами на основе наблюдений в радио- и рентгеновском диапазонах. Новое же открытие продемонстрировало, что важная информация об этих объектах может быть получена и в инфракрасном диапазоне длин волн. Будущие исследования подобных объектов ученые связывают с планируемым на 2021 год выведением на орбиту космического телескопа имени Джеймса Вебба, что позволит лучше понять природу и эволюцию нейтронных звезд.

Новый нидерландский радиотелескоп получает мощнейшие «мозги»

Каждый день во Вселенной происходят тысячи гигантских взрывов, при этом испускаемое в результате этих взрывов радиоизлучение приходит к нам в форме так называемых «быстрых радиовспышек». Чтобы лучше понять эти вспышки, Нидерланский институт радиоастрономии (Netherlands Institute for Radio Astronomy, ASTRON) недавно установил две новых камеры высокоскоростной съёмки на радиотелескоп, расположенный в г. Вестерборк, Нидерланды. Эти камеры на днях получили новые «мозги» - самый мощный суперкомпьютер в Нидерландах. Быстрые радиовспышки (Fast Radio Bursts, FRBs) представляют собой экстремально яркие вспышки радиоизлучения, источники которого находятся от нас на расстоянии в миллиарды световых лет. Эти вспышки были открыты свыше десятилетия назад, однако их происхождение и природа до сих продолжают оставаться для нас загадкой. Поскольку эти вспышки длятся лишь доли секунды, их очень трудно наблюдать. Поэтому до настоящего времени было открыто лишь 25 FRB.

Однако эта ситуация должна измениться с введением в эксплуатацию новых широкоугольных камер под названием Apertif, установленных на радиотелескопе, расположенном в Вестерборке. С камерами Apertif вестерборкский радиотелескоп получает самое широкое поле обзора среди всех радиотелескопов мира и высочайшую чувствительность. Для обнаружения FRB-событий камеры Apertif должны непрерывно производить съемку неба в радиодиапазоне со скоростью 20000 кадров в секунду. Формирование и обработка этих снимков требуют новых, очень мощных «мозгов».

С этой целью институт ASTRON создал собственный суперкомпьютер на базе игровых графических процессоров, хорошо подходящих для целей работы со снимками. Этот компьютер состоит из 200 графических процессоров, которые обрабатывают 4 терабита данных в секунду -это больше, чем весь трафик Интернета в пределах Нидерландов. Этот суперкомпьютер, имеющий максимальную вычислительную мощность 2 петафлопа (флоп – число операций с плавающей точкой в секунду), стал самым мощным суперкомпьютером в Нидерландах.

Внеземные сигналы: Россия присоединяется к изучению главной загадки космоса

Сергей Трушкин, астроном из Специальной астрофизической обсерватории РАН, рассказал о том, почему ученые заинтересовались загадочными быстрыми радиовспышками, так называемыми радиосигналами инопланетян, и объяснил, как российский телескоп РАТАН-600 получил уникальный шанс раскрыть их сущность. "Учитывая наши скромные возможности, ожидаем, что удастся зафиксировать в лучшем случае от трех до пяти подобных вспышек за год наблюдений. С другой стороны, даже если мы сможем найти хотя бы одно событие на частотах, где ведутся поиски, это радикально поменяет понимание природы данных сигналов", — заявил Трушкин, выступая на ежегодной конференции "Астрофизика высоких энергий" в стенах ИКИ РАН в Москве.

Зов космоса

Впервые о существовании таинственных вспышек радиоизлучения (fast radio-burst, FRB), случайно открытых во время наблюдений за радиопульсарами при помощи телескопа Паркс (Австралия), астрономы заговорили в 2007 году.

"Почему мы не находили эти явления 50 лет назад, когда появились первые радиотелескопы? Проблема заключалась в том, что у наших предшественников не было столь качественной радиоаппаратуры, которая существует сегодня. Они были открыты при помощи Паркс только после обновления его детекторов, позволивших первооткрывателям понять, что эти сигналы являются не помехами, родившимися на Земле, а вспышками из далеких галактик", — отмечает ученый.

В последующие годы удалось найти следы еще девяти подобных всплесков. Сравнение показало, что они могут иметь искусственное происхождение и даже потенциально быть сигналами внеземных цивилизаций из-за необъяснимой периодичности в структуре.

Весной прошлого года выяснилось, что источником одной из таких FRB-вспышек была эллиптическая галактика, расположенная в шести миллиардах световых лет от Млечного Пути, и это заставило ученых заключить, что подобные всплески рождаются в ходе слияния нейтронных звезд или других компактных объектов, превращающихся в черную дыру.

Данная теория потерпела сокрушительное поражение в марте 2016 года. Используя тот же Паркс, канадские исследователи обнаружили, что одна из самых первых найденных вспышек — всплеск FRB 121102 — повторно возникла в той же точке в созвездии Возничего, где была найдена шесть лет назад.

Как рассказывает Трушкин, это сразу отсекло большую часть теорий, в которых прародителем FRB-вспышек выступали различные космические катаклизмы — формирование или слияние черных дыр, пульсаров и других компактных объектов, которые могут происходить лишь один раз.

Необычные свойства этих радиовсплесков, не позволяющие связать их ни со взрывами сверхновых, ни со слияниями черных дыр или пульсаров, заставили ученых задуматься о более экзотических вариантах рождения подобных "сигналов инопланетян". К примеру, некоторые астрофизики полагают, что их могут порождать распады аксионов, сверхлегких частиц темной материи, экзотические космические "струны", а также взрывы микроскопических черных дыр.

Летом прошлого года к этим наблюдениям присоединилась Россия, которая обладает одним из самых известных и старых отечественных телескопов РАТАН-600. Он находится в Специальной астрофизической обсерватории РАН в станице Зеленчукской. Уникальные свойства телескопа, как надеются Трушкин и его единомышленники, помогут прояснить природу этих сигналов и окончательно доказать, к примеру, что их не могут производить "обычные" пульсары.

"Сейчас число теорий, объясняющих подобные всплески, заметно превышает число этих явлений, известных науке. Мы — наблюдатели и экспериментаторы — больше заинтересованы в открытии событий и получении новых данных, которые наши коллеги-теоретики могут использовать для того, чтобы создавать свои теории", — продолжает Трушкин.
Две ключевые особенности "радиосигналов пришельцев", как отмечает ученый, — их высокая яркость и чрезвычайно низкая продолжительность — позволяют обойти главный недостаток РАТАН-600 — неспособность сколь-нибудь продолжительно следить за одной точкой на небе.

Во время наблюдений за FRB российский телескоп будет сканировать все ночное небо, следя за каждым его сегментом на протяжении очень небольшого времени. Это позволит, несмотря на скромный угол зрения РАТАН, покрыть достаточно большую область неба, которая будет всего в четыре раза меньше, чем аналогичный показатель для телескопа Паркс.

"Мы долго думали, какую частоту выбрать для этих наблюдений, и остановились на значении в 4,7 гигагерца. Все остальные всплески были обнаружены на частотах в 1,4 гигагерца и менее, но для таких наблюдений нужны достаточно дорогие установки, на которые у нас просто нет денег. Высокие частоты, в свою очередь, позволяют сократить число каналов, необходимых для ведения наблюдений, и позволяют нам выйти в ту область, на которых FRB никто раньше не наблюдал", — продолжает Трушкин.
Последний вагон космического поезда

По его словам, эти наблюдения фактически являются "хобби" для сотрудников обсерватории — их будут вести на западном секторе кольца РАТАН-600, ранее законсервированного, а также при помощи четырех резервных детекторов, наборов фильтров и прочей радиоаппаратуры, которая была закуплена в докризисные годы и не использовалась.

"Мы вели предварительные переговоры с фондом Юрия Мильнера, поддерживающим подобные инициативы, однако ничем существенным они не закончились. С другой стороны, нам нужны небольшие деньги, примерно 30 тысяч долларов, чтобы удвоить число детекторов и значительно повысить вероятность обнаружения новых вспышек", — отметил ученый.
Как отмечает астроном, российские ученые сфокусируют свои усилия на наблюдениях за той частью неба, где находится FRB 121102. Повторяющийся характер вспышек, как надеются Трушкин и его единомышленники, повысит шансы РАТАН-600 на обнаружение хотя бы одного подобного явления и позволит изучить его на длинах волн, недоступных для других радиотелескопов.

Работу обновленного РАТАН-600 ученые уже проверили на двух объектах — на одном из самых ярких пульсаров, расположенных в нашей Галактике, а также попытавшись обнаружить FRB 121102. По словам Трушкина, в августе этого года его команда "поймала" сигнал, исходящий из той же точки, что и этот повторный всплеск.

Пока нет уверенности в том, что удалось зафиксировать FRB-вспышку, так как в тот момент времени телескоп еще не был полностью настроен. Поэтому астрономам не удалось определить расстояние до "сигнала инопланетян" и вычислить его точные координаты.

С другой стороны, две другие радиообсерватории — телескопы GBT в США и WSRT в Голландии — зафиксировали повторный всплеск FRB 121102 примерно в то же самое время, что подтверждает гипотезу российских ученых.

"Эти наблюдения коллег и наши предварительные данные говорят о том, что FRB 121102 является не просто переменным и повторяющимся источником. Он может испускать подобные импульсы своеобразными очередями. Иными словами, он способен породить несколько вспышек за один месяц, а затем "замолчать" на неделю, месяц или условную тысячу дней", — рассказывает Трушкин.
По его словам, сегодня главной проблемой для РАТАН-600 является время. Пока подобные наблюдения может вести только российский телескоп, однако эти же частоты станут доступными для мегателескопа SKA, постройка которого начнется в ЮАР в следующем году.

"SKA и канадский проект CHIME, как ожидают их участники, будут находить десятки подобных вспышек каждый день. Пока они еще не введены в строй, у нас есть возможность внести уникальный вклад в изучение FRB-вспышек благодаря высоким частотам, на которых мы работаем, и хоть как-то конкурировать на международном уровне", — заключает астроном. 

Астрофизикам из Стэнфордского университета удалось обнаружить участок пространства, который излучает и FRB, и световые волны

В журнале Nature вышла статья, в которой американские и европейские астрофизики объявляют о том, что впервые за 7 лет изучения им удалось установить источник радиоволн. Впервые FRB зафиксировали в 2007 году. Как объясняется в статье, если бы человек видел радиоизлучение, небо бы казалось нам ужасно беспокойным из-за постоянных вспышек радиоизлучения. Многие из них появляются в результате атмосферных процессов, частью мы обязаны Солнцу и более удаленным астрономическим объектам. Но радиоволны, зафиксированные в 2007, показались бы весьма необычны даже для глаз, способных видеть в радиодиапазоне. Эти волны очень быстро меняли частоту с очень высокой на очень низкую. Это можно объяснить только рассеянием волны, происходящим по мере очень долгого путешествия через космическое пространство.

FRB приходили из очень далеких источников — возможно, находящихся в миллионах световых лет от Млечного Пути. Но в таком случае источники этих сигналов должны быть очень мощными, чтобы хотя бы какая-то часть его излучения добралась до Земли через это огромное расстояние. Семь лет ученые искали объяснение FRB через пульсары и умирающие в сверхмассивных черных дырах галактики, но ни одну гипотезу не удалось подтвердить — главным образом потому, что сигналы удавалось фиксировать довольно редко. Человек, к сожалению, не видит радиоволны, а чувствительные телескопы хоть и способны зафиксировать сигнал, но единомоментно могут наблюдать только очень небольшой участок неба. Пока источники FRB оставался невыясненным, нельзя было ничего сказать о том, что служит его причиной.

И только в начале этого года астрофизикам из Стэнфордского университета удалось обнаружить участок пространства, который излучает и FRB, и световые волны. Для этого ученые использовали интерферометры — сети радиотелескопов, которые, работая вместе, охватывают куда больший участок неба, чем отдельностоящие приборы. С помощью аппаратов Европейской РСДБ-сети и Very Long Baseline Array (VLBA, антенной решётки со сверхдлинными базами) — радиоинтерферометра, принадлежащего Национальной Радиоастрономической Обсерватории США, математик из Стэнфорда Сурав Чаттерджи (Sourav Chatterjee) и его коллеги сделали несколько фотографий единственного известного источника повторяющихся FRB.

Однако до окончательных выводов о происхождении FRB еще далеко. Наблюдения Чаттерджи и его коллег доказывают внегалактическое происхождение FRB, а также указывают на то, что, вопреки ожиданиям некоторых ученых, радиоволны не исходят из ядра молодой галактики, в которой активно рождаются новые звезды. Напротив, источник больше напоминает центр относительно неяркой галактики.