Радиовспышка из эпохи юной Вселенной удивила астрономов

Сигнал длился тысячные доли секунды, а добирался до Земли больше 10 миллиардов лет. Астрономы поймали самую далёкую быструю радиовспышку из всех известных, и без космического телескопа «Джеймс Уэбб» её источник так и остался бы пустым пятном на небе. Найденная галактика оказалась не такой, как ожидали.

Фото: NASA/Goddard/Chris Gunn, общественное достояние (NASA). Главное зеркало телескопа «Джеймс Уэбб» в чистом зале NASA Goddard перед запуском. Иллюстративный снимок: самой вспышки и её галактики на нём нет, https://images.nasa.gov/details/GSFC_20171208_Archive_e000079

Вспышка, которая длится меньше мига

Быстрые радиовспышки, по-английски fast radio bursts, или сокращённо FRB, это короткие импульсы радиоволн из глубокого космоса. Обычно они продолжаются от доли миллисекунды до нескольких секунд. По оценкам астрономов, средняя вспышка за одну миллисекунду выделяет столько же энергии, сколько Солнце за три дня. Откуда берётся такая мощь, до сих пор неясно, и каждая новая находка добавляет к этой загадке детали.

Первую вспышку заметили не сразу. В 2007 году Дункан Лоример и его студент Дэвид Наркевич нашли её в архивных данных обсерватории Паркса в Австралии. Сам импульс прилетел ещё 24 июля 2001 года, но почти шесть лет пролежал в записях никем не опознанным. Теперь такие события называют «вспышкой Лоримера».

Сегодня известны сотни вспышек, а по данным источника этой новости, уже тысячи. Радиотелескоп CHIME в Канаде, работающий с сентября 2018 года, регистрирует их как побочную задачу, а по оценкам астрономов, по всему небу за сутки может происходить до 10 тысяч таких событий. Проблема в том, что поймать вспышку мало: нужно ещё понять, в какой именно галактике она родилась. А для этого необходима очень точная привязка к координатам на небе.

Рекорд дальности и новое имя в каталоге

Новая вспышка получила обозначение FRB 20240304B. Её обнаружила решётка MeerKAT в Южной Африке: 64 антенны диаметром по 13,5 метра стоят в национальном парке Меркат в полупустыне Кару, внутри зоны радиотишины, где законом ограничены помехи. Решётка открыта в 2018 году, и именно она дала не только сам факт регистрации, но и очень точное положение источника на небе.

О том, что вспышка пришла издалека, исследователи узнали по дисперсии сигнала. Радиоволны разной длины проходят через ионизированный газ с разной скоростью: длинные задерживаются сильнее, и импульс «размазывается» по частотам. Чем больше вещества на пути, тем сильнее эффект. У FRB 20240304B он оказался огромным, а значит, источник очень далёк.

Статья вышла в журнале Science 8 октября. По словам авторов, дальность новой вспышки более чем вдвое превосходит прежний рекорд. Предыдущим рекордсменом считалась FRB 20220610A: о ней сообщили в октябре 2023 года, а её сигнал шёл к Земле около 8 миллиардов лет. Новый же сигнал стартовал, когда Вселенной было около 3 миллиардов лет, то есть примерно пятая часть её нынешнего возраста.

Пустое небо и телескоп Уэбб

Когда координаты вспышки были известны, наземные телескопы направили на это место свои мощнейшие камеры. Результат разочаровал: «по сути ничего, выглядело как пустое небо», рассказали исследователи. Самое вероятное объяснение было простым: галактика слишком тусклая для таких наблюдений. Тогда на помощь призвали «Джеймс Уэбб».

Этот телескоп работает в инфракрасном диапазоне. Его главное зеркало диаметром 6,5 метра собрано из 18 шестигранных сегментов с золотым покрытием, а сам аппарат с начала 2022 года находится в точке Лагранжа L2, примерно в полутора миллионах километров от Земли. Для далёких галактик такой инструмент подходит идеально, потому что свет от них из-за расширения Вселенной растягивается до инфракрасных длин волн.

Команде выделили время по программе «Директорское время по усмотрению», которая предназначена для срочных наблюдений. Сначала камера ближнего инфракрасного диапазона NIRCam сделала очень глубокий снимок нужного участка неба. «И вдруг она появилась: очень слабая галактика почти точно там, где мы ожидали увидеть хозяйку вспышки», вспоминает Темия Нанаякара, соавтор исследования из Сиднейского института астрономии.

Затем в дело вступил спектрограф NIRSpec. Он разложил свет галактики на составляющие и нашёл в нём линии водорода и кислорода. Эти линии работают как отпечатки пальцев: длины волн, на которых они излучаются, известны из лабораторных опытов, поэтому по их смещению можно точно измерить, насколько расширилась Вселенная за время пути света. Красное смещение вышло около 2,15, и именно оно говорит о возрасте Вселенной в тот момент.

Какой оказалась галактика-хозяйка

Наблюдения Уэбба показали три особенности галактики. Она меньше, чем предполагали. Она «бедна металлами», то есть содержит мало элементов тяжелее водорода и гелия, как и положено ранней Вселенной. И в ней идёт активное звездообразование.

Эти свойства подсказывают, в какой среде рождаются быстрые радиовспышки. Исследователи считают, что источником FRB 20240304B мог быть магнетар. Это остаток массивной звезды после взрыва сверхновой: нейтронное ядро диаметром порядка десятков километров с чудовищно сильным магнитным полем. Магнетары чаще встречаются в молодых галактиках с бурным звездообразованием, и найденная галактика этому хорошо соответствует.

Спектральные линии работают как отпечатки пальцев: мы знаем, на каких длинах волн они излучаются в лаборатории, и можем измерить, насколько их сдвинуло расширение Вселенной.

Версия о магнетарах не с потолка. 28 апреля 2020 года радиовспышку зарегистрировали от магнетара SGR 1935+2154 в нашей Галактике, на расстоянии около 30 тысяч световых лет. Это была первая быстрая радиовспышка, связанная с известным источником в Млечном Пути. Но один пример не доказывает, что так устроены все вспышки, а новая находка из эпохи юной Вселенной даёт ещё одно косвенное подтверждение.

Что известно о других вспышках

Загадочность феномена в том, что вспышки ведут себя по-разному. Большинство происходит один раз, но есть и повторяющиеся. Первая такая, FRB 121102, найдена в 2012 году, а привязана к галактике в 2017: она расположена примерно в трёх миллиардах световых лет. Источник FRB 180916 выдаёт импульсы с периодом 16,35 суток и находится в спиральной галактике примерно в 500 миллионах световых лет.

В 2022 году сообщили ещё об одной неожиданности: вспышка FRB 20200120E, по-видимому, пришла из шарового скопления в галактике M81, до которой около 12 миллионов световых лет. Шаровые скопления состоят из очень старых звёзд, а магнетары обычно считаются молодыми объектами. Значит, у вспышек может быть сразу несколько разных источников, и новая находка лишь одна из ветвей этой истории.

Что дальше

Команда собирается продолжить охоту на вспышки вместе с Уэббом. Схема уже отработана: наземные радиотелескопы находят и точно локализуют новую вспышку, после чего можно запускать наблюдения на космическом телескопе. «Мы пока не знаем, какими будут источники, потому что это зависит от того, что появится в небе», отметила Нанаякара. По её словам, самое увлекательное в том, что исследователи совсем не представляют, что обнаружат, когда соединят возможности двух типов телескопов.

Каждая такая находка важна не только как рекорд. Вспышки пролетают сквозь межгалактический газ и «взвешивают» его по пути, а значит, могут стать инструментом для изучения вещества между галактиками. Если же удастся поймать их с эпохи, когда звёзды формировались особенно бурно, астрономы получат новый способ заглянуть в детство Вселенной.