Сотрудники Пущинской радиоастрономической обсерватории Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева РАН зафиксировали яркий импульс на частоте 111 МГц, который является одним из самых мощных быстрых радиовсплесков, обнаруженных на сегодняшний день. Это первая яркая радиовспышка, открытая на столь низкой частоте. О том, как удалось обнаружить радиовспышку FRB, пришедшую к нам из другой галактики, в чём её особенность и почему такие сигналы интересуют научное сообщество, рассказывает заместитель руководителя ПРАО АКЦ ФИАН Сергей Тюльбашев.

На верхней части рисунка отображается динамический спектр обнаруженного импульса. Вдоль вертикальной оси показаны частотные каналы (в МГц). На нижней части рисунка показан сигнал, полученный для: (1) простое суммирование всех данных; (2) суммирование данных, с учетом расстояния до FRB; (3-4) простое суммирование данных в лучах выше и ниже обнаруженного импульса. Видно, что в этих лучах сигнала нет, то есть найденный объект локализован на небе; (5) базовая линия. В нижней части рисунка вдоль вертикальной оси показана плотность потока. Горизонтальная ось одинакова для обеих панелей и показывает время. Восстановленный импульс (красная линия) имеет резкий край (левая часть) и экспоненциальный хвост (правая часть). Именно такое поведение нужно ожидать от импульсов, которые идут через межзвёздную и межгалактическую среду

— Сергей Анатольевич, расскажите о телескопе, с помощью которого удалось зафиксировать сигнал.

— Радиотелескоп БСА ФИАН (Большая Синфазная Антенна ФИАН LPA LPI — Large Phased Array of Lebedev Physical Institute) был запущен в строй в середине 70-х годов. Он состоит из 16 384 волновых диполей. В настоящее время центральная частота — 110.25 МГц. Эффективная же площадь радиотелескопа составляет 45 000 кв.м и является самой большой в мире в своем диапазоне.

— Насколько мне известно, открытие радиовсплеска FRB вы сделали в рамках проекта Pushchino Multibeams Pulsar Search. Каковы задачи PUMPS, на что направлен данный проект?

— Проект PUMPS — Пущинский многолучевой поиск пульсаров был начат в 2015 году. На тот момент накопилось несколько лет ежедневных круглосуточных наблюдений на БСА ФИАН в 96 лучах. Цель проекта заключается в поиске пульсаров и транзиентов разных типов: обычных (секундных) пульсаров, вращающихся радиотранзиентов (RRAT — rotating radio transients), быстрых радиовспышек/быстрых радиовсплесков (FRB — fast radio burst) и других транзиентов. На сегодняшний день нами обнаружено более 80 новых пульсаров и 97 RRAT. По количеству обнаруженных RRAT обсерватория вышла на первое место в мире. Группа, занимающаяся поиском пульсаров и транзиентов небольшая. Сейчас в её состав под моим руководством входят: В.А. Самодуров, Т.В. Смирнова, М.А. Китаева и Е.А. Брылякова. 

— Как удалось обнаружить радиовспышку?

— Первая вспышка была открыта австралийцами в 2007 году случайно при поиске RRAT в архивных данных 64-метрового телескопа в Парксе. RRAT имеют те же особенности, что и FRB, но имеют галактическую природу. На картинках, представляющих динамические спектры, то есть зависимость количества приходящей энергии от времени в каждом частотном канале, они не различимы. FRB на радиотелескопе БСА был открыт в мониторинговых данных, где проводился поиск помех и сильных источников диспергированного сигнала. Диспергированный сигнал — это сигнал от какого-нибудь далекого радиоисточника, который приходит на радиотелескоп сначала на высокой частоте, а потом на низкой. Это происходит из-за того, что сигнал распространяется в межгалактической и галактической среде, а скорость света в среде разная для разных длин волн. Чем выше частота (чем короче длина волны), тем задержка сигнала в среде меньше. Поэтому для поиска таких объектов (FRB или RRAT) сигнал записывается во многих частотных каналах.

— В чём особенность радиовсплеска FRB 20190203?

— Открытый FRB — это первая яркая радиовспышка, открытая на столь низкой частоте. Несколько попыток поиска FRB, сделанных на самых чувствительных в метровом диапазоне длин волн радиотелескопах (LOFAR и MWA), были безуспешными. В нашем трёхлетнем поиске RRAT на БСА также не было ни одного достоверного обнаружения FRB. 

— Скажите, а в чём сложность обнаружения таких радиосигналов?

— Для FRB пока нет общепринятого механизма излучения, и астрономическая общественность предполагала, что механизм излучения таков, что на низкой частоте нет шансов зарегистрировать сигналы, обнаруживаемые на высоких частотах. До этого момента был надёжно найден только повторяющийся FRB на частоте 135 МГц на радиотелескопе LOFAR. 

Сигнал, проходя через галактическую и межгалактическую среду, рассеивается, т.е. его длительность может стать в сотни, тысячи и более раз шире, чем она была при рождении. Уширение сигнала приводит к потере соотношения сигнала к шуму (СШ). Чем меньше СШ, тем тяжелее искать сигнал. Чем больше длина волны (чем ниже частота наблюдений), тем рассеяние больше (рассеяние пропорционально четвертой степени частоты). Таким образом сигнал, который у нас имеет длительность 211 мс при рождении мог иметь длительность миллисекунду и меньше, и его было бы легче обнаружить. Поэтому чем ниже частота наблюдений, тем тяжелее искать вспышки, источник которых находится на больших расстояниях от нас.

— Вам как учёному, чем интересен обнаруженный сигнал?

— Пока быстрые радиовспышки — это лишь новое астрофизическое явление. Для них нет общепринятого механизма излучения, что часто бывает для новых явлений. Основной интерес астрофизиков нацелен как раз на определение природы этих вспышек. Период накопления данных продолжается.

В качестве заключения

Мы привыкли, что процессы, происходящие на небесных телах и в космическом пространстве очень медленные и зачастую время жизни человечества лишь миг по сравнению с временем изменений на небе. Однако со временем астрофизики находят всё больше нестационарных явлений. FRB — яркий тому пример. По оценкам учёных темп вспышек, которые могут регистрироваться на больших зеркалах составляет от 1000 до 10 000 в день или вспышка каждые 8—80 секунд. Яркость вспышек такова, что, если они излучают сигнал равномерно во все стороны (изотропно), каждая вспышка может освещать до четверти объёма Вселенной. Их типичная длительность миллисекунда и относительно небольшое количество найденных вспышек связано лишь с тем, что телескопы имеют крошечное поле зрения.

Радиовспышка — это сигнал короткой (от десятков микросекунд до нескольких сотен миллисекунд) длительности. Если говорить об FRB — это всплеск, пришедший к нам из какой-то внешней галактики.

Беседовал Артём Доев.
Источник: ФИАН.