Что случилось в космосе. Найдена причина загадочных радиосигналов

МОСКВА, 21 фев — РИА Новости, Владислав Стрекопытов. Астрономы зафиксировали внезапное замедление вращения одной из нейтронных звезд нашей Галактики — магнетара SGR 1935+2154. Вероятная причина — прорыв на поверхность глубинного плазменного вещества, как при извержении вулкана. Ученые предполагают, что загадочные радиоимпульсы, испускаемые звездой, связаны именно с этим.

Тайна радиовсплесков

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.

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.

© Фото : Andre Renard / CHIME Collaboration

Радиотелескоп CHIME, с помощью которого был зафиксирован быстрый радиовсплеск FRB 200428

Причина — антиускорение

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.

© Depositphotos.com / Juric.P

Магнетар

Прорыв звездной "лавы"

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".

CC BY-SA 4.0 / BedrockPerson /

"Звезды-невидимки"

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.

© NASA/JPL-Caltech/S. Wachter (Spitzer Science Center)

Магнетар SGR 1900+14

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.