Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса - Москвич Катя

Сразу после Большого взрыва Вселенная была заполнена в основном водородом, гелием и небольшим количеством лития. Когда начали формироваться первые звезды, их взрывы – новые и сверхновые – “засеивали” межзвездную среду все более тяжелыми элементами, образовавшимися в результате ядерного синтеза в недрах звезд. Каждое новое поколение звезд содержало все больше и больше этих “металлов” – элементов тяжелее водорода, гелия и лития, и это увеличивало общую “металличность” Вселенной. Но астрономы считают, что карликовые неправильные галактики имеют низкую металличность, то есть они образовались из водорода и гелия, оставшихся с первых дней существования Вселенной. Таким образом, эти маленькие галактики порождают более массивные звезды, обладающие, как считается, более сильными магнитными полями. Эти звезды, умирая, превращаются в магнетары, которые, как полагают ученые, могли бы вызывать сверхмощные всплески, подобные наблюдаемым FRB11.

Но генерация таких мощных всплесков с такой большой частотой должна привести к тому, что у любого магнетара быстро закончилось бы топливо. Вот почему некоторые ученые думают, что обнаруженным репитером мог быть очень молодой магнетар, возраст которого, вероятно,

меньше ста лет. Такие новорожденные магнетары обладают очень интенсивными нестабильными магнитными полями, которые могут испытывать драматические эпизоды перестройки и перезамыкания силовых линий, а когда поле меняет одну квазистабильную конфигурацию на другую, высвобождается огромная энергия. В нашей Галактике мы бы увидели эти всплески в виде вспышек излучения в рентгеновском или гамма-диапазоне от мягкого гамма-репитера. “Здесь мы их не видим, но из реалистичной модели следует, что мы не видим излучения высокой энергии потому, что оно поглощается туманностью”, – говорит Чаттерджи. Туманность – это расширяющееся облако из разного вещества, газа и пыли, остающееся после взрыва сверхновой. Когда силовые линии магнитного поля постоянно перезамыкаются, в туманность закачивается энергия, которая потом высвобождается в виде спорадических мощнейших взрывов. По словам Чаттерджи, при встряске от этих взрывов могут возникать радиовсплески, которым подвластны космические расстояния. Есть некоторые свидетельства правильности этой гипотезы: повторяющиеся сигналы приходят с того же направления, где находится стабильный источник радиоизлучения, которое может быть фоновым сигналом от туманности.

И все же у модели магнетара есть проблемы: до сих пор не найдено никаких FRB от магнетаров, расположенных гораздо ближе к Земле, таких как, например, источник гамма-излучения SGR 1806-20, находящийся в нашей Галактике. От него в декабре 2004 года зарегистрировали гигантский гамма-всплеск, а вот сигналов FRB из его ближнего окружения не обнаружили. Конечно, возможно, что излучение FRB от магнетаров концентрируется в узких пучках – и мы сможем обнаружить их только тогда, когда они направлены прямо на Землю.

Другая теория основывается на том, что FRB могут быть вызваны активными ядрами галактик – суперъяркими областями в центрах некоторых больших галактик, которые, как считается, подпитываются скрывающимися там сверхмассивными черными дырами. Многие активные ядра галактик выбрасывают джеты, которые могли бы генерировать FRB. Но и у этой гипотезы есть проблема: активные ядра обычно не существуют в карликовых галактиках. Резюмируя, можно сказать, что, хотя обнаружение источника-репитера было достижением, оно также породило новые научные проблемы. В частности, нужно понять, могут ли существовать два разных вида FRB-сигналов – повторяющиеся и одиночные12.

В 2017 году, вскоре после того, как сообщество PALFA опубликовало свои удивительные результаты по определению родительской галактики источника-репитера, Лоэб высказал предположение о том, что FRB могли посылаться инопланетянами, чем вызвал ажиотаж в СМИ. Он обдумывал свою концепцию светового паруса, который помог бы доставить людей к Альфе Центавра, и решил посмотреть на проблему FRB с другой стороны. Что, подумал он, если FRB были просто побочным продуктом работы радиопередатчиков на солнечных батареях – мегамежзвездных световых парусов, которые позволяют гигантским космическим кораблям продвигаться сквозь космическое пространство? Эта идея, безусловно, помогла сделать термин FRB более привычным, хотя подавляющее большинство астрономов и астрофизиков и не согласились с теорией Лоэба13.

“Если мы смогли обнаружить световые паруса в карликовой галактике, расположенной на расстоянии гигапарсека от нас, мы должны были бы обнаружить намного больше парусов в гораздо более близких к нам галактиках, – говорит Чаттерджи. – Эта гипотеза почти столь же правдоподобна, как то, что эта вспышка вызвана взрывом Звезды Смерти[33] в очень далекой галактике”.

В конечном итоге неважно, инопланетяне посылали сигналы или что-то другое, большинство астрономов считало, что им повезло участвовать в проекте Breakthrough Listen, который помог модернизировать их радиотелескопы и получить с их помощью важные научные результаты. Обнаружение FRB быстро стало одной из приоритетных задач этого проекта, и всего через несколько месяцев после локализации данного репитера команда проекта Breakthrough Listen, использовавшая телескоп GBT, получила дополнительные аргументы в пользу гипотезы магнетара. Во-первых, астрономы, изучив полученные на телескопе Arecibo данные наблюдений некоторых повторяющихся вспышек, поняли: кто бы или что бы их ни производило, оно должно было существовать в экстремальной, сильно намагниченной среде. Магнитное поле около источника оказалось настолько сильным, что перекручивало его радиоволны, – это явление известно как фарадеевское вращение плоскости поляризации. Данные с телескопа GBT подтвердили результат. Сканируя небо в поисках инопланетян, ученые из проекта Breakthrough Listen решили направить радиотелескоп на источник повторяющихся импульсов – и тот зарегистрировал двадцать один дополнительный всплеск излучения на еще более высоких частотах, и у всех наблюдалось одно и то же сильное фарадеевское вращение14.

Проект Breakthrough Listen помог также и телескопу Parkes. Как я рассказывала раньше, я попала в диспетчерскую телескопа в феврале 2019 года. Чтобы добраться туда, я поднялась на пролет лестницы в круглую башню под антенной, где каждая кнопка и дверь заставляли ностальгировать по 1960-м годам. А в аппаратной уже стояли современные компьютеры, которые астрономы используют для дистанционного управления тарелкой при наблюдении пульсаров. Еще один пролет по лестнице – и я оказалась в хранилище данных. Комната была заполнена стойками накопителей с мигающими лампочками. Огромный блок жестких дисков высотой один метр и шириной 2,7 метра принадлежит Breakthrough Listen. Это сердце новейшей системы записи, превосходящей все прежние и позволяющей астрономам находить любой возможный радиосигнал в собранных за двенадцать часов данных. Бейлз, участвующий в двух проектах – и по исследованию FRB, и в Breakthrough Listen, – сделал наше с ним селфи, на котором мы улыбаемся на фоне накопителей Мильнера.

Что бы ни генерировало сигналы FRB – магнетары, инопланетяне или что-то еще, – если задаться целью локализовать их источники и собрать больше информации о них, а не только увидеть несколько FRB в разных участках неба, необходимо использовать новые технологии. Усовершенствование одиночных тарелок-ветеранов было полезным делом, но этого недостаточно. Поскольку считается, что вспышки FRB в какой-то точке Вселенной происходят ежесекундно, чтобы их зарегистрировать, нужно иметь возможность одновременно наблюдать все небо. Телескопы с одной тарелкой, такие как Parkes, GBT и Arecibo, имеют относительно небольшие поля зрения, то есть они могут рассматривать только ограниченную область неба, а это означает, что регистрация капризных всплесков FRB во многом зависит от удачи. Поэтому Мильнер обратился к телескопу MeerKAT — одному из двух предшественников Square Kilometer Array (SKA) – и включил его в проект Breakthrough Listen. Когда SKA будет построен, он будет включать примерно две тысячи высокочастотных и среднечастотных антенн и апертурных систем, а также примерно один миллион низкочастотных антенн15. Первая антенная тарелка SKA, изготовленная и прибывшая в MeerKAT из Китая, была собрана на площадке телескопа в апреле 2019 года. Я наблюдала, как инженеры возились в электронных внутренностях ее опоры, а рядом стояла сама тарелка.