12.01.2018. - Быстрые радиовсплески - новая загадка космоса

Быстрые радиовсплески - новая загадка космоса

Что такое быстрые радиовсплески и связаны ли они с посланиями от внеземных цивилизаций? Чем кварковая звезда отличается от нейтронной и почему изучать белые дыры все же лучше, чем заниматься классификацией драконов? Об этом мы поговорили с известным астрофизиком Сергеем Поповым.

Сергей Попов – астрофизик и популяризатор науки, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга. Опубликовал более 100 научных работ. Область интересов: нейтронные звезды, черные дыры и экзопланеты. Автор научно-популярных книг «Звезды: жизнь после смерти» (в соавторстве с Михаилом Прохоровым) и «Суперобъекты: звезды размером с город».

Сергей Борисович, что же такое короткие радиовсплески и какова их природа?

Собственно, это явление тем и интересно, что непонятно, что же это такое. В астрономии вообще периодически происходят яркие и загадочные открытия. Одним из таких можно считать открытие гамма-всплесков в конце 1960-х годов. Когда в течение почти тридцати лет люди обсуждали огромное количество гипотез и никак не могли прийти к общему мнению. Пока не появились новые данные наблюдений. Речь идет о таких открытиях, которые, если позволяет аппаратура, мы можем наблюдать каждый день и накопить довольно большую статистику, но продвинуться в понимании их природы не получается. Поэтому такие вещи очень интригуют и подстегивают развитие науки. А быстрые радиовсплески сегодня как раз пример такого рода событий.

Можно говорить, что теоретики сходятся к каким-то точкам зрения. Кажется, что быстрые радиовсплески связаны с нейтронными звездами, но с другой стороны, если завтра выяснится, что это не так, это не будет шоком, поскольку набор гипотез очень велик и включает самые разные типы объектов.

Как часто происходят такие радиовсплески?

Почти так же часто, как вы дышите. Если округлять, то примерно 10 тыс. раз в день (а слабых радиовсплесков, видимо, и того больше). Другое дело, что их трудно наблюдать, потому что в радиодиапазоне мы можем каждый раз наблюдать лишь небольшие участки неба. Пока у нас нет столь чувствительного радиотелескопа на частоте 1 ГГц, который одновременно смотрел бы на половину неба. Но когда такой телескоп появится, мы будем регистрировать сотни и тысячи коротких радиовсплесков каждый день.

Эти всплески похожи между собой или чем-то отличаются?

И снова мы не знаем. В принципе, само понятие «короткий радиовсплеск» подразумевает схожесть разных событий. С другой стороны, нам известно, насколько собаки разных пород не похожи друг на друга. Возьмите йоркширского терьера и огромного дога. И если мы начнем подробно изучать детали каждого всплеска, то увидим, что они тоже различаются между собой. Поэтому сейчас всем было бы проще, если бы оказалось, что сразу несколько гипотез правильны и наблюдаемое разнообразие радиовсплесков объясняется несколькими причинами. Но этот подход не очень нравится ученым.

С одной стороны, такой подход неэкономный: наука пытается описать все самым лаконичным способом. Но с другой стороны, данные наблюдений по хорошо изученным источникам иногда очень серьезно свидетельствуют в пользу какой-то одной гипотезы по одному всплеску, и в пользу другой гипотезы – по другому. И поэтому в статьях мы все чаще видим фразу, что, возможно, существуют как минимум две популяции быстрых радиовсплесков, имеющих разную природу. Причем эта природа может быть действительно совершенно разной. Например, такие всплески могут и давать одиночные нейтронные звезды, которые могут тихонечко вспыхивать много-много раз за свою жизнь, и слияния нейтронных звезд – катастрофический процесс с мощным энерговыделением, который в жизни нейтронной звезды может произойти лишь один раз.

Можно ли считать правдоподобной гипотезу, что быстрые радиовсплески – это «посланники» внеземных цивилизаций?

В самом начале изучения быстрых радиовсплесков, наверное, кто-то мог обсуждать подобную гипотезу. Но даже количество радиовсплесков работает против нее. Предположить, что Вселенная утыкана какими-то мощнейшими радиопередатчиками, которые непонятно зачем передают короткие непериодические сигналы, – это очень странно. Поэтому сейчас, конечно, про это мало кто думает. Несколько лет назад я мог предлагать каким-нибудь знакомым, снимающим научную фантастику, взять что-то подобное за основу сюжета. Сейчас – вряд ли. В принципе, раз уж заговорили о человечках, какие-то следы внеземного разума будут открыты в будущем именно так – случайно, в результате астрономических наблюдений.

Какие же существуют гипотезы, объясняющие природу быстрых радиовсплесков?

Поскольку нам нужны короткие сигналы, то лучше начать с источников, во-первых, маленьких, а, во-вторых, таких, про которые нам известно, что они излучают в радиодиапазоне. Первое, что приходит в голову в связи с этим, – нейтронные звезды. Они маленькие, поэтому могут давать очень короткий пульсирующий радиосигнал, что и наблюдается. Поэтому существует огромное количество вариантов гипотез, связанных с тем или иным типом нейтронных звезд. Все они покрывают огромный диапазон выделений энергии, огромный диапазон расстояний до источников.

Исторически первая гипотеза была высказана астрофизиком Константином Постновым и мной о том, что короткие радиовсплески являются вспышками магнитаров. Магнитары – это нейтронные звезды, имеющие очень сильные магнитные поля. Они дают мощные рентгеновские гамма-вспышки. И если часть этой энергии переработать в радио, то мы получим как раз то, что надо. Другой вариант очень ранней гипотезы связан со слиянием нейтронных звезд. Это один из самых мощных процессов, идущих сейчас во Вселенной. Мы ждем, что прямо в этом году откроют гравитационно-волновой сигнал от таких событий. От слияний двух нейтронных звезд предсказывали радиоизлучение, но не короткие вспышки. И когда были открыты быстрые радиовсплески, начали исследовать, как сделать короткую вспышку, и, конечно же, нашли.

Наконец, третья, основная гипотеза, связанная с нейтронными звездами, состоит в том, что могут существовать очень молодые пульсары с очень мощным энерговыделением, которые иногда, скажем, раз в день, могут давать очень мощную радиовспышку с потоком в максимуме в сто тысяч раз больше, чем те нейтронные звезды, которые мы знаем. Наверное, эти три гипотезы сегодня и являются самыми популярными.

С другой стороны, количество их перевалило за двадцать. Интересна, например, гипотеза о том, что нейтронная звезда может превратиться в кварковую. Это означает, что произойдет фазовый переход, и те кварки, которые заперты в протонах, нейтронах и других частицах, станут свободными. Возникнет вещество, состоящее не из отдельных частиц, таких как протоны и нейтроны, а из свободных кварков. Это, по сути, новое, очень интересное состояние вещества. И когда одна звезда превращается в другую, меняются ее свойства, это тоже может создать мощный радиовсплеск.

А какие будут свойства у такой звезды?

Внешне это будет очень похоже на нейтронную звезду, но при той же массе она будет немного меньше. В ее центре будет больше плотность, поменяется, конечно, и вся внутренняя структура, она станет более простой. Кварковая звезда будет вращаться подобно нейтронной, но с меньшей амплитудой.

С другой стороны, много вариантов гипотез существует с черными дырами. Черная дыра тоже компактный объект, поэтому она тоже может испускать короткие радиовспышки. Но тут важно, чтобы люди не путали: черные дыры больше нейтронных звезд, просто они тяжелее. Типичная черная дыра имеет массу 10 масс Солнца, поэтому размер ее горизонта 30 км. Среднестатистическая нейтронная звезда имеет массу 1,5 массы Солнца, и радиус ее – 10–15 км.

Но черные дыры не зря называют черными: трудно себе представить, как они могут вспыхнуть. Хотя и по этому поводу тоже есть свои гипотезы, но они основаны на большой по астрофизическим меркам экзотике. Нужно, чтобы черная дыра обладала электрическим зарядом. Скорее всего, это в природе не встречается. Но если вокруг черной дыры есть вещество, то тогда там действительно могут быть вспышки. Или такой всплеск может произойти, когда черная дыра испаряется. Когда еще в 1970-е годы люди пытались обнаружить испаряющиеся черные дыры, то ожидали увидеть их по коротким вспышкам, в том числе и в радиодиапазоне. И в 2012 году, когда были опубликованы данные по второму быстрому радиовсплеску, то авторы статьи, говоря о его природе, как раз и выдвигали гипотезу испарения черных дыр.

Существуют и совсем экзотические гипотезы происхождения быстрых радиовсплесков. Например, связанные с темным веществом. Одними из кандидатов на его роль являются аксионы – очень интересные частицы, которые сегодня активно ищут. Эти частицы могут взаимодействовать с магнитным полем и превращаться в фотоны. Соответственно, если облако таких частиц влетит в магнитосферу нейтронной звезды, то часть частиц превратится в фотоны и, возможно, даст радиовспышку. То есть, с одной стороны, без нейтронной звезды снова нам не обойтись, с другой – основой являются вот такие экзотические частицы. Есть гипотезы, которые связывают радиовсплески с космическими струнами, с падением астероидов на нейтронные звезды, со слиянием белых карликов.

Наука по-хорошему очень консервативна. Чтобы опубликовать какую-то гипотезу, ее нужно довольно хорошо проработать, а, проработав, иметь какие-то веские основания для высказывания гипотез. Объяснение же каких-то новых явлений экзотическими вещами дает возможность делать легитимным публикацию этих гипотез даже без очень детальной проработки. Например, благодаря поп-культуре все знают не только о теории струн, но и об ее основном конкуренте – теории петлевой квантовой гравитации. В этой теории черные дыры испаряются не совсем так, как в общей теории относительности.

Последние стадии этого процесса происходят иначе. Потому что в теории петлевой квантовой гравитации на последней стадии вы имеете не просто маленькую черную дыру, а черную дыру, из которой начинают вылезать квантовые гравитационные петли – она превращается в белую дыру. Поэтому появилась возможность сказать, что если обнаружить этот процесс (может быть, непосредственно изучая быстрые радиовсплески), то мы сможем определить правильность той или иной теории гравитации. Скорее всего, к реальным всплескам это не имеет никакого отношения, но, тем не менее, все это очень интересно и способствует развитию науки.

Раз уж вы упомянули белые дыры, расскажите о них.

Проще определять белые дыры через черные. Черная дыра – это такая область пространства, из которой наружу не ведут никакие траектории, из которой не может вырваться никакое вещество, даже свет. С белой дырой все с точностью до наоборот: все траектории ведут только из нее. Как они могут существовать в природе, не очень понятно, если не считать коротких событий вроде финальной стадии испарения черной дыры в модели петлевой квантовой гравитации. По большому счету, белые дыры существуют как некое решение в рамках общей теории относительности. Все попытки их поиска ни к чему не привели, а ведь если это крупный объект, он должен быть очень заметным, типа активного ядра галактики. Но, повторюсь, поиски их не увенчались успехом, и нет никаких реалистичных моделей, как их создавать в реальном мире. Поэтому белые дыры – это такие белые вороны, в некотором смысле «изгои». И если человек занимается черными дырами, то он занимается чем-то реальным и интересным, а если белыми, то это, конечно, лучше, чем заниматься классификацией драконов, но многими людьми воспринимается примерно так же.

Вернемся к коротким радиовсплескам. Есть ли еще какие-то гипотезы их возникновения?

Есть еще механизм превращения нейтронной звезды в черную дыру. Он тоже рассматривается как кандидат на роль источника быстрых радиовсплесков. Когда нейтронная звезда коллапсирует в черную дыру, вся ее магнитосфера и потоки частиц улетают в космос. В итоге мы получаем короткий радиосигнал.

Но проблемы многих гипотез даже не в том, что они очень экзотичны, а в том, что описываемые ими события происходят во Вселенной не так уж часто и встречаются вовсе не на каждом шагу. А всплесков очень много. Поэтому, как мы уже и говорили, популяция всплесков может быть составная. Скажем, 10% всплесков дают нам слияние нейтронных звезд, 10% – коллапс нейтронной звезды в черную дыру и еще по 40% – радиопульсары и магнитары. То есть, возможно, это какой-то очень сложный «салат» из разных ингредиентов в разных пропорциях.

Что же нужно, чтобы докопаться до истины?

Все ждут какого-то критически важного наблюдения и просто большой статистики по радиовсплескам. И здесь все надежды на новые радиотелескопы. Один из них уже создан – это телескоп UTMOST. Еще один на подходе – телескоп CHIME. А еще в этом году мы ждем большой китайский телескоп с диаметром зеркала 500 метров – Five Hundered Meters Telescope (FAST). Благодаря этим инструментам, мы надеемся, статистика быстрых радиовсплесков сильно возрастет, и, может быть, это позволит выбрать какую-то одну гипотезу. Правда, если вспомнить о том, как формировалась гипотеза гамма-всплесков, то там количество всплесков не помогло, понадобилось увидеть их в разных диапазонах. Короткие радиовсплески пока видны только в радиодиапазоне. Поэтому было бы здорово увидеть эти вспышки как-нибудь иначе.

Как вообще были открыты короткие радиовсплески?

В радиодиапазоне идентифицировать их очень трудно, потому что много шумов: на Земле работают какие-то технические установки, бьют молнии, в магнитосфере постоянно что-то происходит. Поэтому, чтобы научиться «видеть» короткие радиовсплески, просто понадобился технический прогресс. Нужного уровня он достиг в начале XXI века. Первое, что было сделано, был открыт новый тип всплесков от нейтронных звезд, так называемые вращающиеся радиотранзиенты – RRATs. После этого подобную технологию поиска радиовсплесков стали регулярно применять на телескопе Parkes. И однажды совершенно случайно и зафиксировали короткий радиовсплеск. Посмотрев, откуда он пришел, не обнаружили ничего интересного. Понаблюдали еще и не увидели никаких повторов. Стало ясно, что это совершенно новое явление.

Статья об этом появилась в 2007 году, сам же всплеск был зарегистрирован в 2001?м. Но тогда этим заинтересовались лишь единицы, в том числе и мы опубликовали свою модель. Но, спустя шесть лет, в 2013 году, появилась статья, где открыли сразу четыре всплеска. И с июля 2013 года начинается бурная история фиксирования коротких радиовсплесков. На сегодняшний день им посвящены много сотен статей, которые продолжают появляться каждую неделю, даже почти каждый день. Поэтому я бы сказал, что сегодня это один из самых высоких темпов публикаций для такой отдельной темы. Это и понятно: быстрые радиовсплески – новая загадка в космосе. Причем все это очень свежая история, происходящая у нас на глазах.

Что можно сказать о практической пользе изучения коротких радиовсплесков?

Как всегда предсказывать здесь что-то довольно трудно. Скажем, в 1963 году, когда были идентифицированы квазары (а открыты они были еще раньше), вряд ли кто-то сказал бы, что на них через несколько десятков лет будет основана вся система ориентации (не подозревая об этом, в жизни мы ориентируемся именно по ним). Поэтому для чего понадобятся быстрые радиовсплески, мы не знаем хотя бы потому, что неизвестна их природа.

Здесь можно провести аналогию с подземными ядерными взрывами, от которых была очень большая польза для науки. Ведь что такое подземный ядерный взрыв? Это очень короткое энерговыделение в хорошо известной точке, от которой по всей планете бежит сейсмическая волна. Благодаря этому вы можете изучать недра Земли.

Короткие радиовсплески, если они происходят на расстоянии миллиардов световых лет, просвечивают всю Вселенную. Поэтому это очень мощный инструмент для ее изучения, они понадобятся для проверки очень многих фундаментальных законов. А если их еще удастся увидеть в гамма-диапазоне, это будет просто шикарное событие. Например, многие модели предсказывают, что скорость света разной длины волны в вакууме разная. И, соответственно, если у нас будет такой короткий маркер в радио- и гамма-диапазоне, в двух крайних точках радиомагнитного спектра, то это будет лучшим способом для проверки этих моделей.

Источник