Астрономы раскрыли новые подробности об одном из самых необычных источников быстрых радиовсплесков - FRB 20220912A. Этот объект относится к классу повторяющихся FRB и выделяется на их фоне исключительно высокой активностью. Международная команда исследователей использовала канадский радиотелескоп CHIME и его специализированный пульсарный инструмент, чтобы провести серию детальных радиообзоров и отследить поведение источника в течение нескольких месяцев. Полученные результаты позволяют по‑новому взглянуть на механизмы, которые могут порождать такие всплески.
Быстрые радиовсплески (Fast Radio Bursts, FRB) - это сверхмощные, но крайне кратковременные импульсы радиоизлучения, длящиеся всего несколько миллисекунд. Они обладают характерным дисперсионным набегом, аналогичным тому, что наблюдается у радиопульсаров: сигнал на низких частотах приходит чуть позже высокочастотного. Однако, в отличие от пульсаров, FRB, как правило, не демонстрируют регулярной периодичности, а их истинная природа до сих пор остаётся предметом активных дискуссий. Среди предполагаемых объяснений - высокоэнергичные процессы в окрестностях молодых магнетаров, а также экзотические сценарии, вплоть до проявлений гипотетических космических струн.
FRB 20220912A был открыт в 2022 году инструментом FRB радиотелескопа CHIME. Уже первые наблюдения показали, что это не просто повторяющийся источник, а настоящий "сверхактивный" репитер, способный выдавать сотни всплесков за короткий промежуток времени. FRB 20220912A находится в активной галактике PSO J347.2702+48.7066 с красным смещением z ≈ 0,077, что соответствует расстоянию в сотни миллионов световых лет. Ранее регистрировалась скорость до 390 всплесков в час, а оценка полной излучаемой энергии некоторых из них поставила под сомнение наиболее консервативные модели, связывающие все FRB исключительно с магнетарами стандартных параметров.
Чтобы разобраться в природе этого необычного объекта, команда под руководством Томаса К. Эбботта из Университета Макгилла провела углублённые наблюдения с использованием инструмента CHIME/Pulsar. Изначально он был создан для высокоточного мониторинга пульсаров с большим временным разрешением, однако его возможности оказались идеально подходящими для детального изучения одиночных повторяющихся FRB с уже известной мерой дисперсии.
CHIME/Pulsar формирует десять независимых цифровых отслеживающих лучей, каждый из которых может непрерывно сопровождать источник в течение всего времени его прохождения по небу. Это позволяет устранить частотно-зависимые эффекты, характерные для статичных лучей инструмента CHIME/FRB, и особенно важно для объектов, которые пересекают области решётки с пониженной чувствительностью. Дополнительно система умеет записывать данные с очень высоким временным разрешением и производить когерентную дедисперсию, что даёт возможность искать одиночные импульсы шириной всего 40,96 микросекунды. Такой режим критически важен, когда речь идёт об узких, сверхкратких всплесках от активных повторяющихся источников.
В ходе последующей наблюдательной кампании астрономы зарегистрировали 828 отдельных всплесков от FRB 20220912A за суммарное время наблюдений 201,2 часа. Средняя скорость излучения составила около 4,12 всплеска в час при пороговой чувствительности порядка 0,92 Янского на миллисекунду. Однако активность источника оказалась крайне неравномерной: в отдельные периоды всплески следовали гораздо чаще. Наиболее активный эпизод пришёлся на 25 октября 2022 года, когда скорость дошла до 52 всплесков в час.
Анализ временного распределения показал, что FRB 20220912A ведёт себя не как стабильный "маяк", а как объект с ярко выраженными фазами всплесков и затиший. В первые десять недель мониторинга фиксировалась особенно высокая активность, сопровождавшаяся бимодальным распределением интервалов ожидания между всплесками: в некоторые дни регистрировались плотные "залпы" импульсов, сильно превосходящие средний уровень. По прошествии этого активного периода средняя еженедельная частота вспышек снизилась и стала либо ниже, либо сопоставима с общей средней.
Одним из наиболее интересных результатов стало обнаружение линейного роста меры дисперсии (DM) FRB 20220912A во времени - примерно на 1,4 парсека на кубический сантиметр в год. Одновременно мера вращения (RM), характеризующая влияние магнитных полей на поляризацию радиоволн, остаётся близкой к нулю. Такое сочетание свойств резко контрастирует с поведением нескольких ранее изученных активных повторяющихся FRB, для которых были найдены большие и изменяющиеся RM. Это косвенно указывает на то, что FRB 20220912A может находиться в уникальной локальной среде, отличающейся, например, более слабым или иным образом организованным магнитным полем.
Изменение меры дисперсии с течением времени особенно важно, потому что оно даёт представление об окружении источника на масштабах от астрономических до межзвёздных. Рост DM может свидетельствовать о динамичной среде - например, о наличии расширяющейся туманности, остатка недавней сверхновой или плотного звёздного ветра, который постепенно меняет плотность и структуру плазмы вокруг объекта. Отсутствие значимой меры вращения при этом намекает, что либо магнитные поля в этой среде относительно слабы, либо их направления хаотичны и взаимно компенсируются при интегрировании по лучу зрения.
Собранные данные позволили исследователям оценить полную энергию, излучаемую FRB 20220912A в форме радиовсплесков. По их расчётам, суммарный энерговыброс составляет не менее 10 тредециллионов эрг - это колоссальная величина даже по астрономическим меркам. Авторы работы отмечают, что столь высокий энергетический бюджет всё же можно согласовать с моделями магнетаров, но лишь при условии, что речь идёт о крайне экстремальных вариантах: с очень сильным дипольным магнитным полем, развитой структурой мультиполей высших порядков на поверхности или с мощными внутренними полями, хранящими огромный запас магнитной энергии.
Открытие и исследование FRB 20220912A усиливает позиции сценариев, в которых по крайней мере часть быстрых радиовсплесков связана с молодой популяцией нейтронных звёзд - магнетаров, недавно образовавшихся в результате вспышек сверхновых или слияний компактных объектов. Высокая активность, повторяемость и сравнительно "скромная" мера вращения могут указывать на то, что источник ещё не полностью "успокоился" после катастрофического события и продолжает активно взаимодействовать с окружающей средой, выбрасывая энергию в радиодиапазоне.
В то же время уникальные свойства FRB 20220912A подчёркивают, что универсальной "одной" модели для всех FRB, вероятно, не существует. Некоторые источники демонстрируют огромные RM и признаки нахождения в чрезвычайно намагниченной среде, другие - как этот - показывают преимущественно эволюцию меры дисперсии при почти нулевой мере вращения. Это может означать, что в наблюдаемую популяцию быстрых радиовсплесков входят разные классы объектов: от молодых магнетаров в плотных туманностях до более экзотических компактов в необычных галактических условиях.
Отдельного внимания заслуживает временная структура всплесков FRB 20220912A. Высокое временное разрешение CHIME/Pulsar позволяет рассматривать эти события практически "под микроскопом", изучая микросекундные детали профиля импульса. Такие данные помогают проверить, насколько согласуются наблюдения с теоретическими моделями мазерного излучения в магнитосфере нейтронной звезды или в ударных волнах, порождаемых её ветром. Чем тоньше удаётся рассмотреть структуру вспышки, тем жёстче можно ограничить физические параметры источника - плотность плазмы, конфигурацию поля, масштабы области генерации излучения.
Для астрономов FRB 20220912A становится своего рода естественной лабораторией. Благодаря высокой активности этот объект позволяет за сравнительно короткое время накопить большую статистику всплесков, проследить их эволюцию и проверить, повторяются ли одни и те же характеристики излучения или же каждый импульс уникален. Наличие бимодального распределения интервалов между всплесками может указывать на сложные процессы в магнитосфере или окрестной плазме, где периодически включаются и выключаются разные режимы генерации радиоволн.
В будущем подобные кампании наблюдений будут расширены за счёт других радиотелескопов и интерферометрических сетей. Сочетание широкоугольных обзоров, подобных CHIME, с высокоугловыми и спектрально чувствительными инструментами, способными точно локализовать источник в галактике-хозяйке и изучить его окружение, позволит значительно продвинуться в понимании природы FRB. FRB 20220912A уже показал, что за привычной формулой "быстрый радиовсплеск" скрывается богатое разнообразие физических условий и сценариев.
Именно поэтому такие объекты сейчас находятся в фокусе внимания астрофизики. Каждое новое наблюдение, каждый зарегистрированный импульс добавляют штрихи к общей картине. FRB 20220912A, с его растущей мерой дисперсии, нулевой мерой вращения и колоссальным энергетическим выходом, становится одним из ключевых источников, на основе которых будут проверяться и уточняться современные модели происхождения быстрых радиовсплесков.
