Каждый день и ночь сотни тысяч интенсивных, кратких вспышек радиации внезапно вспыхивают и затем гаснут по всему небу. Эти «быстрые радиовсплески» невидимы невооруженным глазом, но для радиотелескопа многие из них почти затмевают все остальное на небе на несколько тысячных долей секунды. С тех пор как первый такой взрыв был обнаружен в 2006 году, мы обнаружили, что почти все они происходят из далеких галактик. Большинство всплесков проходят незамеченными, возникая вне поля зрения радиотелескопов, и никогда больше не повторяются. В новом исследовании, опубликованном в журнале Science, мы обнаружили самый далекий быстрый радиовсплеск из когда-либо обнаруженных: импульс возрастом 8 миллиардов лет, который путешествовал более половины времени существования Вселенной. Астрономы очарованы быстрыми радиовсплесками по двум причинам.
Во-первых, их причина неизвестна. Эти всплески в триллионы раз более энергичны, чем те объекты, которые больше всего на них похожи: вращающиеся нейтронные звезды, называемые пульсарами, в нашей галактике. Вторая причина заключается в том, что всплески предоставляют новый инструмент для изучения других аспектов космоса. Быстрые радиовсплески позволяют изучать «космическую паутину» материи, плавающей в пространстве между галактиками. Эта материя представляет собой очень горячий, диффузный газ и почти невидима, но она слегка замедляет быстрые радиовсплески, когда они проходят через нее. (Это обычная материя, та же самая, из которой состоят звезды, планеты и люди, а не невидимая «темная материя», которая также скрывается во Вселенной.) Степень замедления всплесков коррелирует с расстоянием, которое они прошли. В 2020 году анализ быстрых радиовсплесков показал, что космическая паутина на самом деле содержит более половины обычной материи во Вселенной, которую астрономы ранее считали «отсутствующей».
Более отдаленные и чрезвычайно быстрые радиовсплески обещают раскрыть новые тайны Вселенной, поэтому астрономы находятся на охоте. Я возглавляю группу, которая занимается именно этим, используя австралийский радиотелескоп SKA Pathfinder (ASKAP). 6 июня 2022 года наша команда обнаружила и зафиксировала очень яркий всплеск с высокой степенью замедления (официально известный как «FRB 20220610A»). Наши первоначальные расчеты показали, что это может быть самая далекая из когда-либо обнаруженных планет. Однако существовала вероятность того, что всплеск был ближе, чем мы думали, или что он мог произойти из далекой галактики, слишком слабой, чтобы ее можно было увидеть в оптический телескоп. Для поиска родительской галактики мы обратились к одной из самых мощных оптических обсерваторий в мире: Очень Большому Телескопу (VLT) в Чили. Четыре телескопа обсерватории оснащены новейшими камерами и спектрографами, которые могут идентифицировать слабые родительские галактики и детально изучать их свойства.
В месте, указанном ASKAP как источник вспышки, первоначальные изображения показали слабые пятна света, похожие на далекую галактику. Анализ спектра света галактики показал, что он сильно «смещен в красную сторону», то есть длина волны излучения вспышки увеличилась вдвое по мере того, как оно растягивалось на своем пути через расширяющуюся Вселенную. Красное смещение имело значение чуть больше 1, что показывает, что всплеск произошел более 8 миллиардов лет назад, когда возраст Вселенной составлял менее половины ее нынешнего возраста. Это подтвердило, что FRB 20220610A побил рекорд самого дальнего быстрого радиовсплеска. Как и спортсмены-олимпийцы, астрономы (включая меня) любят бить рекорды. Однако помимо личного удовлетворения это обнаружение можно также использовать для изучения двух фундаментальных вопросов, касающихся быстрых радиовсплесков.
Во-первых, взрыв имеет наибольшую энергию из всех, местоположение которых было надежно определено. Это больше энергии, чем наше Солнце излучает за 30 лет, и приближается к тому, что, по нашему мнению, является фундаментальным физическим пределом. Верхний предел количества энергии, которую может нести один быстрый радиовсплеск, может быть определен квантово-механическими эффектами. В определенный момент волна радиофотонов может встретить сопротивление со стороны моря «виртуальных» электронов и позитронов, которое британский физик Поль Дирак предсказал в 1930 году. Наше открытие также демонстрирует потенциал быстрых радиовсплесков для изучения состава далекой Вселенной. Оглядываясь назад во времени, мы видим, что структура галактик сильно меняется. Вспышки в далеких галактиках могут позволить нам изучить детальную структуру их хозяев.
Теперь мы знаем, что в далекой Вселенной существуют энергетические всплески. По мере того, как новые и модернизированные телескопы присоединяются к охоте за быстрыми радиовсплесками, мы, вероятно, увидим, что гораздо больше их выследят до родительских галактик. В настоящее время мы создаем новую систему поиска быстрых радиовсплесков для ASKAP, которая сделает ее в пять раз более чувствительной, что позволит нам расширить границы наших исследований дальше во Вселенную. А в будущем сверхчувствительные радиотелескопы, такие как Square Kilometer Array (SKA), смогут обнаруживать всплески на еще больших расстояниях. Эти открытия будут использованы для составления карты структуры Вселенной и раскрытия истории современной астрономической загадки.
