Плазменный пузырь — порождение быстрых радиовсплесков

Художественное изображение магнетара, окруженного туманностью, ответственной за непрерывное радиоизлучение, связанное с некоторыми быстрыми радиовсплесками. Автор: NSF/AUI/NRAO/S. Dagnello

Быстрые радиовсплески (FRB) — одна из последних открытых загадок современной астрофизики. В течение нескольких миллисекунд эти мощные события высвобождают огромное количество энергии, одно из самых высоких, наблюдаемых в космических явлениях.

FRB были открыты чуть более десяти лет назад и в основном возникают из внегалактических источников. Однако их происхождение до сих пор неясно, и астрофизическое сообщество во всем мире прилагает огромные усилия, чтобы понять физические процессы, стоящие за ними.

В очень редких случаях быстрая вспышка, характеризующая FRB, совпадает с постоянным излучением, которое наблюдается и в радиодиапазоне. Новое исследование, проведенное Итальянским национальным институтом астрофизики (INAF), зафиксировало самое слабое постоянное радиоизлучение, когда-либо обнаруженное для FRB.

Объектом исследования является FRB20201124A — открытый в 2020 году быстрый радиовсплеск, источник которого находится на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет от нас. Наряду с исследователями INAF в сотрудничестве участвуют университеты Болоньи, Триеста и Калабрии в Италии, а также международное участие исследовательских институтов и университетов Китая, США, Испании и Германии.

Наблюдения проводились с помощью самого чувствительного радиотелескопа в мире Very Large Array (VLA) в США. Эти данные позволили ученым проверить теоретическое предсказание о том, что плазменный пузырь является причиной постоянного радиоизлучения быстрых радиовсплесков. Результаты опубликованы сегодня в журнале Nature.

«Благодаря наблюдениям нам удалось продемонстрировать, что постоянное излучение, наблюдаемое вместе с некоторыми быстрыми радиовсплесками, ведет себя так, как и ожидалось из модели небулярного излучения, то есть «пузыря» ионизированного газа, окружающего центральный двигатель», — объясняет Габриэле Бруни, исследователь INAF в Рим и ведущий автор новой статьи.

«В частности, посредством радионаблюдений одного из ближайших к нам всплесков нам удалось измерить слабое постоянное излучение, исходящее из того же места, что и FRB, расширив исследованный к настоящему времени диапазон радиопотоков для этих объектов на два порядка. величины».

Это исследование также помогает определить природу двигателя, приводящего в действие эти загадочные радиовспышки. Согласно новым данным, в основе явления лежит магнетар (сильно намагниченная нейтронная звезда) или рентгеновская двойная система с высокой аккрецией, то есть двойная система, состоящая из нейтронной звезды или черной дыры, аккрецирующая вещество от звезды-компаньона на расстоянии очень интенсивные ставки.

Изображения родительской галактики FRB 20201124A. Автор: Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07782-6

Фактически, ветры, создаваемые магнетаром или рентгеновской двойной системой, смогут «раздуть» плазменный пузырь, вызывая постоянное радиоизлучение. Таким образом, существует прямая физическая связь между двигателем FRB и пузырем, который расположен в непосредственной близости от него.

Мотивацией для этой кампании по наблюдению послужила другая работа, проведенная Луиджи Пиро из INAF, который также является соавтором новой статьи. В своей более ранней работе исследователи идентифицировали постоянное излучение в родительской галактике FRB, но еще не измерили положение с достаточной точностью, чтобы связать эти два явления.

«В этой новой работе мы провели кампанию с более высоким пространственным разрешением с помощью VLA, а также наблюдения в разных диапазонах с помощью интерферометра NOEMA и Gran Telescopio Canarias (GranTeCan), что позволило нам восстановить общую картину галактики и обнаружить наличие компактного радиоисточника — плазменного пузыря FRB — погруженного в область звездообразования», — добавляет Пиро.

«Тем временем теоретическая модель туманности также была опубликована, что позволило нам проверить ее достоверность и, наконец, подтвердить саму модель».

Большая часть работы была сосредоточена на исключении того, что постоянное радиоизлучение исходит из области звездообразования и, следовательно, физически не связано с источником FRB. Для этого наблюдения NOEMA в миллиметровом диапазоне измеряли количество пыли, которая является индикатором «скрытых» областей звездообразования, тогда как оптические наблюдения GranTeCan измеряли излучение ионизированного водорода, которое также является индикатором скорости звездообразования..

«Оптические наблюдения были важным элементом для изучения региона FRB с пространственным разрешением, аналогичным разрешению радионаблюдений», — отмечает соавтор Элиана Палацци из INAF в Болонье. «Картирование выбросов водорода на таком высоком уровне детализации позволило нам определить скорость местного звездообразования, которая, как мы обнаружили, слишком мала, чтобы оправдать непрерывное радиоизлучение».

Большинство FRB не демонстрируют постоянных выбросов. До сих пор этот тип излучения был связан только с двумя FRB, однако оба имели столь низкую яркость, что не позволило проверить предложенную модель.

FRB20201124A, напротив, расположен на большом, но не чрезмерном расстоянии, что позволило измерить постоянное излучение, несмотря на его низкую яркость. Понимание природы постоянных выбросов позволяет исследователям добавить часть загадки о природе этих загадочных космических источников.

Больше информации: Gabriele Bruni, A nebular origin for the persistent radio emission of fast radio bursts, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07782-6. www.nature.com/articles/s41586-024-07782-6