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 |
При использовании материалов с сайта активная ссылка на него обязательна
|