Миллисекундные сигналы с края Вселенной
В июле 2001 года радиотелескоп Паркс в Новом Южном Уэльсе, Австралия, осмотрел участок неба близ Малого Магелланова Облака, записал несколько минут вполне обыденных с виду данных и отправил их в архив. Прошло шесть лет, прежде чем кто-то понял, что лежит в этом файле. В 2007 году Дункан Лоример, астроном из Университета Западной Виргинии, передал набор архивных записей Паркса студенту по имени Дэвид Наркевич и попросил прочесать их в поисках импульсов. Глубоко в числах прятался одиночный пик: всплеск радиоэнергии длительностью меньше пяти миллисекунд, настолько яркий, что на это мгновение затмил почти всё остальное на небе, а затем ничего. Это случилось однажды, 24 июля 2001 года, и больше не повторилось.
Этот пик теперь называют всплеском Лоримера, и он был первым опознанным быстрым радиовсплеском, или FRB. Необычной его делала не только яркость, но и примета, скрытая в его форме. Радиоволны разных частот проходят сквозь Вселенную не с одинаковой скоростью. Когда резкий импульс идёт через разреженную плазму, заполняющую межзвёздное и межгалактическое пространство, его высокие частоты приходят чуть раньше низких, и импульс размазывается в быстрый нисходящий росчерк. Величину этого размазывания называют мерой дисперсии, и работает она как одометр: чем больше пространства прошёл сигнал, тем больше свободных электронов он пересёк и тем дальше разведены его частоты. Мера дисперсии всплеска Лоримера была примерно в десять раз больше того, что могла бы объяснить вся наша галактика вдоль этой линии взгляда. В прямом прочтении число говорило, что всплеск пришёл далеко из-за пределов Млечного Пути, от источника, удалённого, быть может, на миллиарды световых лет, и высвободил за несколько тысячных секунды столько энергии, сколько Солнце изливает за дни.
Несколько лет почти никто в это не верил. Одиночная неповторяющаяся вспышка в старых данных это в точности тот сигнал, который обычно оказывается программным сбоем, пролетающим спутником или неисправностью приёмника. Сомнение окрепло, когда Паркс начал выдавать другие короткие всплески, поверхностно похожие, но ведущие себя неправильно. Астрономы прозвали их перитонами, в честь мифического крылатого существа. Перитоны появлялись сразу в нескольких лучах телескопа, чего не может сделать по-настоящему далёкий точечный источник, и скапливались вокруг середины дня и выходных. Они были явно местными и явно рукотворными, и их существование отравило колодец: если телескоп способен изготавливать убедительные поддельные всплески, нет очевидной причины доверять и всплеску Лоримера.
Перитонов настигли в 2015 году. Группа под руководством Эмили Петрофф установила на площадке Паркса новую следящую аппаратуру и стала ждать возвращения помех. Когда появились свежие перитоны, они пришли вместе с сопутствующим сигналом на 2,4 гигагерца, частоте, знакомой всякому, кто стоял на кухне. Источником оказались собственные микроволновые печи обсерватории. Сотрудники, не дождавшиеся обеда, открывали дверцу до того, как истечёт таймер, а печь, прерванная посреди цикла, при отключении испускает короткий щебет излучения от своего магнетрона. Пойманный одним из самых чувствительных радиотелескопов на Земле, этот щебет выдавал себя за сигнал из глубокого космоса. История звучит как анекдот, но она была решающей. Как только перитоны опознали и отделили, астрономы смогли показать, что оставшиеся всплески ведут себя вовсе не как кухонная техника. Всплеск Лоримера прошёл проверку, и область оказалась реальной.
Всплески стали центральной проблемой астрофизики, когда выяснилось, что некоторые из них повторяются. В 2012 году телескоп Аресибо в Пуэрто-Рико записал всплеск, занесённый в каталог как FRB 121102. В 2015 году наблюдатели поймали его вспыхивающим снова точно из той же точки неба, и снова, и снова, иногда несколько раз в течение часа. Один этот факт сильно сузил поле. Единичная вспышка могла быть катастрофой, разорванной звездой или столкновением двух плотных тел, событием, которое случается однажды и кончается. Источник, который вспыхивает снова и снова, не может быть однократной гибелью. Чем бы ни был FRB 121102, он переживает собственные взрывы и повторяет их.
Поскольку он повторялся, телескопы удалось нацелить на него достаточно долго, чтобы установить его положение, и в 2017 году след привёл к адресу. FRB 121102 находится в небольшой, тусклой, неправильной карликовой галактике примерно в трёх миллиардах световых лет, а внутри неё в ярком узле активного звездообразования. Прямо поверх источника всплесков астрономы нашли устойчивое свечение радиоизлучения, слабый но непрерывный гул из того же клочка неба. Впервые быстрый радиовсплеск был помещён в известную галактику, и окрестности оказались красноречивы. Карликовые галактики, полные молодых звёзд, это именно те места, что производят самые экстремальные магнитные объекты Вселенной.
Эти объекты называют магнитарами. Магнитар это нейтронная звезда, сколлапсировавшее ядро, оставшееся после гибели массивной звезды, вмещающее больше массы Солнца в шар размером с город. От обычной нейтронной звезды его отличает магнитное поле, которое может быть в триллионы раз сильнее земного, достаточно свирепое, чтобы в принципе стереть кредитную карту с половины пути до Луны. Молодые магнитары неустойчивы. Они вспыхивают, содрогаются и потрескивают, высвобождая магнитную энергию, и они хорошо известны как источники рентгеновского и гамма-излучения.
28 апреля 2020 года одного из них поймали с поличным внутри нашей галактики. SGR 1935+2154 это занесённый в каталог магнитар Млечного Пути примерно в тридцати тысячах световых лет. В тот день он выбросил всплеск радиоволн такой мощности, что два совершенно разных инструмента записали его одновременно: телескоп CHIME в Британской Колумбии, Канада, и скромная решётка небольших антенн в Калифорнии под названием STARE2. С поправкой на расстояние всплеск имел профиль настоящего быстрого радиовсплеска, первого, обнаруженного внутри Млечного Пути, и достаточно близкого для подробного изучения. К тому же он пришёл вместе со вспышкой рентгеновских лучей от того же магнитара, зафиксированной орбитальными обсерваториями. Впервые известный объект наблюдали производящим сигнал, подобный FRB, с датированным двойником, доказывающим, о каком объекте речь.
Ещё две находки изменили картину. Один повторяющийся источник, FRB 180916, ведёт календарь. Его всплески скапливаются в окне, возвращающемся примерно каждые шестнадцать дней: активен несколько дней, тих остальное время, затем активен снова. Вторая находка это сам объём. CHIME каждую ночь обозревает огромную полосу неба, и он превратил струйку известных всплесков в потоп, занеся в каталог сначала сотни, а затем тысячи. В пересчёте на всё небо числа означают, что нечто выстреливает быстрыми радиовсплесками тысячи раз в сутки. Небо вспыхивает непрерывно, а приборы, способные это заметить, мы построили лишь теперь.
Всплески к тому же стали полезны прежде, чем были объяснены. Мера дисперсии, которая когда-то казалась помехой, на деле есть нарастающий счёт всей обычной материи, сквозь которую прошёл сигнал, а космологи годами не могли отыскать достаточно этой материи в близкой Вселенной. Теория предсказывала количество атомов, которого телескопы не видели, скрытого в виде разреженного холодного газа, растянутого между галактиками. Соединив измеренное расстояние до локализованных всплесков с размазыванием их сигналов, астрономы взвесили этот невидимый газ и свели баланс недостающей обычной материи космоса.
Выводы и открытые вопросы
Самый прочный доступный вывод состоит в том, что магнитары способны производить быстрые радиовсплески. Этот довод опирается на локализацию FRB 121102 в узле звездообразования карликовой галактики, в месте того рода, где рождаются молодые магнитары, и прежде всего на регистрацию в апреле 2020 года от SGR 1935+2154, где занесённый в каталог магнитар выдал радиовсплеск, подобный FRB, вместе с одновременной рентгеновской вспышкой. Большинство работающих астрономов теперь считают ту или иную версию магнитарной модели, выдвинутую после локализации 2017 года и подкреплённую в 2020 году, объяснением по умолчанию.
Слабость этой модели в масштабе. Галактический всплеск от SGR 1935+2154, при всей его драматичности, был всё же в тысячи раз слабее всплесков, гремящих в галактиках на миллиардах световых лет. Если обычные магнитары дают слабые, неясно, что даёт титанические. Не решено и то, где именно в системе рождаются радиоволны. Один лагерь утверждает, что излучение возникает близко, внутри магнитосферы магнитара; другой держится мнения, что оно возникает далеко снаружи, там, где истечение вещества врезается в окружающую среду. Обе модели можно подогнать под данные, и ни одна не подтверждена.
Второй открытый вопрос в том, одно ли это явление вообще. Часть источников повторяется. Большинство пока вспыхнуло один раз и умолкло. Одна теория держится того, что это одни и те же объекты, видимые под разными углами или застигнутые на разных стадиях жизни; другая того, что это две отдельные популяции с двумя отдельными причинами. Повторяющиеся источники действительно склонны давать более широкие и иначе очерченные импульсы, чем одиночные всплески, что говорит в пользу настоящего различия, хотя эффекты отбора могут отвечать за часть этого. Вполне возможно, что FRB окажется словом вроде слова взрыв, ярлыком для яркого и бурного события с несколькими не связанными причинами.
У шестнадцатидневного цикла FRB 180916 нет принятого объяснения. Одни утверждают, что источник обращается вокруг звезды-компаньона, чей ветер время от времени расчищает сигналу путь наружу. Другие предлагают, что магнитар медленно прецессирует, качаясь как умирающий волчок и проводя свой луч мимо Земли по расписанию. У магнитара, вращающегося каждые несколько секунд, нет очевидной причины вести шестнадцатидневный календарь, и оба предложения требуют геометрии, которая не наблюдалась напрямую.
Вопрос, который всегда задают читатели, заслуживает прямого ответа. Могут ли быстрые радиовсплески быть искусственными? Небольшое число исследователей публиковало версии этой мысли, прежде всего в статье 2017 года астрофизиков Манасви Лингама и Ави Лоэба, где предполагалось, что всплески это утечка от огромных лучей, которыми разгоняют корабли со световыми парусами между звёздами. Это не запретная гипотеза, и она даёт проверяемые предсказания. Её слабость решающая на практике: всплески приходят со всего неба и из множества разных галактик, они с каждым годом данных всё лучше согласуются с природными нейтронными звёздами под предельным напряжением, а призыв к разуму не объясняет ничего, чего уже не объясняют магнитары, зато умножает необходимые допущения.
По-настоящему необъяснённым остаётся сам механизм. Ни у кого нет полного описания того, как какой-либо объект превращает запасённую магнитную энергию в когерентный радиоимпульс такой мощности за тысячную долю секунды. Открытые вопросы таковы: сколько существует видов быстрых радиовсплесков, что отличает периодические источники от остальных и содержится ли физика самых ярких всплесков уже в учебниках или ещё не записана. Первый всплеск ждал шесть лет в архиве, прежде чем кто-то на него взглянул. Стоит спросить, сколько ещё лежит непрочитанным, в данных и в небе.