Когда в 2007 году астрономы впервые отметили обнаружение вспышки быстрого радиоизлучения (FRB) (также известной как вспышка Lorimer), они были поражены и заинтригованы. Этот высокоэнергетический всплеск радиоимпульсов, который длился всего несколько миллисекунд, казалось, исходил из-за пределов нашей галактики. С тех пор астрономы нашли доказательства многих FRB в ранее записанных данных, и все еще размышляют о том, что их вызывает.
Благодаря последующим открытиям и исследованиям астрономы теперь знают, что FRB гораздо более распространены, чем считалось ранее. Фактически, согласно новому исследованию, проведенному группой исследователей из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (CfA), FRB могут возникать раз в секунду в наблюдаемой Вселенной. Если это правда, FRB могут быть мощным инструментом для изучения происхождения и эволюции космоса.
Исследование под названием «Быстрая радиопередача происходит каждую секунду во всей наблюдаемой Вселенной», недавно появилось в Астрофизические Журнальные Письма, Руководила исследованием Анастасия Фиалкова, научный сотрудник и научный сотрудник Института теории и вычислений CfA (ITC). К ней присоединились профессор Авраам Леб, директор ITC, и профессор науки Гарвардского университета Фрэнк Б. Байрд.
Как уже отмечалось, FRB остались загадкой с тех пор, как они были впервые обнаружены. Мало того, что их причины остаются неизвестными, но многое об их истинной природе до сих пор не понято. Как сказал доктор Фиалков Space Magazine по электронной почте:
«FRB (или быстрые радиовсплески) являются астрофизическими сигналами неопределенного характера. Наблюдаемые вспышки представляют собой короткие (или миллисекундные) яркие импульсы в радио части электромагнитного спектра (на частотах ГГц). Пока наблюдалось только 24 всплеска, и мы до сих пор не знаем наверняка, какие физические процессы их запускают. Наиболее правдоподобное объяснение состоит в том, что они запускаются вращающимися намагниченными нейтронными звездами. Однако эта теория должна быть подтверждена ».
Ради своего исследования Фиалков и Лоеб полагались на наблюдения, сделанные с помощью нескольких телескопов повторяющегося быстрого радиовсплеска, известного как FRB 121102. Этот FRB был впервые обнаружен в 2012 году исследователями, использующими радиотелескоп Arecibo в Пуэрто-Рико, и с тех пор был подтверждено, что он прибывает из галактики, расположенной на расстоянии 3 миллиардов световых лет в направлении созвездия Ауриги.
С тех пор как он был обнаружен, из его местоположения были обнаружены дополнительные всплески, что делает FRB 121102 единственным известным примером повторяющегося FRB. Эта повторяющаяся природа также позволила астрономам проводить более детальные исследования этого, чем любой другой FRB. Как сообщил в интервью журналу Space Magazine профессор Лёб, эти и другие причины сделали его идеальной целью для изучения:
«FRB 121102 - это единственный FRB, для которого была определена галактика-хозяин и расстояние. Это также единственный повторяющийся источник FRB, из которого мы обнаружили сотни FRB. Радиоспектр его FRB сосредоточен на характерной частоте и не охватывает очень широкую полосу. Это имеет важное значение для обнаружения таких FRB, потому что для их обнаружения радиообсерватория должна быть настроена на их частоту ».
Основываясь на том, что известно о FRB 121102, Фиалков и Лоеб провели серию расчетов, в которых предполагалось, что его поведение является репрезентативным для всех FRB. Затем они спроектировали, сколько FRB будет существовать по всему небу, и определили, что в наблюдаемой Вселенной FRB, вероятно, будет происходить раз в секунду. Фиалков объяснил:
«Предполагая, что FRB производятся галактиками определенного типа (например, аналогично FRB 121102), мы можем вычислить, сколько FRB должно быть произведено каждой галактикой для объяснения существующих наблюдений (то есть 2000 на небо в день). Имея это в виду, мы можем вывести скорость производства для всего населения галактик. Этот расчет показывает, что FRB происходит каждую секунду при учете всех слабых событий ».
Хотя точная природа и происхождение FRBs до сих пор неизвестны - предположения включают вращающиеся нейтронные звезды и даже инопланетный интеллект! - Фиалков и Лоеб указывают, что их можно использовать для изучения структуры и эволюции Вселенной. Если действительно они встречаются с такой регулярной частотой по всему космосу, то более отдаленные источники могут выступать в качестве зондов, на которые астрономы могли бы положиться, чтобы исследовать глубины пространства.
Например, на огромных космических расстояниях имеется значительное количество промежуточного материала, который мешает астрономам изучать космический микроволновый фон (CMB) - оставшееся излучение Большого взрыва. Исследования этого промежуточного материала могут привести к новым оценкам того, насколько плотное пространство - то есть, сколько его состоит из обычной материи, темной материи и темной энергии - и как быстро оно расширяется.
И, как отметил профессор Леб, FRB также могут быть использованы для изучения постоянных космологических вопросов, например, как закончился «темный век» Вселенной:
«FRB могут быть использованы для измерения столбца свободных электронов к их источнику. Это может быть использовано для измерения плотности обычной материи между галактиками в современной вселенной. Кроме того, FRB в ранние космические времена могут быть использованы, чтобы выяснить, когда ультрафиолетовый свет от первых звезд распался на первичные атомы водорода, оставшиеся от Большого взрыва, на составляющие их электроны и протоны ».
«Темный век», который произошел между 380 000 и 150 миллионами лет после Большого взрыва, характеризовался «туманом» атомов водорода, взаимодействующих с фотонами. В результате этого излучение этого периода не обнаружено нашими современными приборами. В настоящее время ученые все еще пытаются выяснить, как Вселенная совершила переход между этими «темными веками» и последующими эпохами, когда Вселенная была наполнена светом.
Этот период «реионизации», который произошел через 150–1 млрд. Лет после Большого взрыва, был периодом образования первых звезд и квазаров. Обычно считается, что ультрафиолетовый свет от первых звезд во Вселенной распространялся наружу, чтобы ионизировать газообразный водород (таким образом, рассеивая туман). Недавнее исследование также показало, что черные дыры, которые существовали в ранней Вселенной, создали необходимые «ветры», которые позволили этой ионизирующей радиации уйти.
С этой целью FRB можно использовать для исследования этого раннего периода Вселенной и определения того, что разрушило этот «туман» и позволило свету убежать. Изучение очень далеких ФРБ могло бы позволить ученым изучить, где, когда и как происходил этот процесс «реионизации». Забегая вперед, Фиалков и Лоеб объяснили, как будущие радиотелескопы смогут обнаружить много FRB.
«Будущие радиообсерватории, такие как Квадратный Километровый массив, будут достаточно чувствительными, чтобы обнаруживать FRB от галактик первого поколения на краю наблюдаемой вселенной», - сказал профессор Леб. «Наша работа дает первую оценку количества и свойств первых вспышек радиоволн, которые загорелись в детской вселенной».
А еще есть канадский эксперимент по картированию интенсивности водорода (CHIME) в Радиоастрофизической обсерватории Доминион в Британской Колумбии, который недавно начал работать. Эти и другие инструменты будут служить мощными инструментами для обнаружения FRB, которые, в свою очередь, могут быть использованы для просмотра ранее невиданных областей времени и пространства и раскрытия некоторых из самых глубоких космологических загадок.
«[Мы] обнаруживаем, что телескоп следующего поколения (с гораздо большей чувствительностью, чем существующие), как ожидается, увидит гораздо больше FRB, чем то, что наблюдается сегодня», - сказал доктор Фиалков. «Это позволило бы охарактеризовать население ФРБ и определить их происхождение. Понимание природы ФРБ станет серьезным прорывом. Как только свойства этих источников станут известны, FRB могут быть использованы в качестве космических маяков для исследования Вселенной. Одним из приложений является изучение истории реионизации (космический фазовый переход, когда межгалактический газ был ионизован звездами) ».
Это вдохновенная мысль, использующая природные космические явления в качестве инструментов исследования. В этом отношении использование FRB для исследования самых удаленных объектов в космосе (и как можно глубже во времени) похоже на использование квазаров в качестве навигационных маяков. В конце концов, продвижение наших знаний о Вселенной позволяет нам исследовать больше этого.
