Ученые объяснили загадочные радиосигналы из космоса

Загадочные источники быстрых радиовсплесков (FRB) могут быть нейтронными звездами с экстремально сильным магнитным полем — магнитарами, — производящими синхротронное мазерное излучение в радиодиапазоне.

Этот сценарий был предложен российскими астрофизиками Максимом Барковым и Сергеем Поповым, а также Дмитрием Хангуляном из Университета Риккё (Япония). Результаты исследования были представлены учеными в препринте, опубликованном в репозитории arXiv.

Ученые предположили, что ответственным за появление радиоизлучения механизмом может быть астрофизический мазер. Мазер способен производить когерентное излучение микроволнового диапазона. Для этого необходима среда, в которой наблюдается инверсная заселенность энергетических уровней. Иными словами, в ней должно присутствовать множество возбужденных частиц и мало частиц в основном состоянии. В возбужденное состояние их переводит космическое излучение, после чего они испускают радиоволны. Последние, проходя мимо других возбужденных частиц, заставляют испускать радиоизлучение той же частоты, тем самым происходит усиление излучения. Подобным образом работают лазеры.

Проблемой является то, что обсуждаемые механизмы генерации мазерного излучения способны производить радиоизлучение слишком низкой частоты. В новой работе астрофизики показали, что это решается в случае, если магнитар порождает релятивистскую ударную волну со слабым магнитным полем. Такое может наблюдаться во многих астрофизических средах, включая плерионы (туманность, подпитываемая ветром пульсара) и ударные волны от гамма-вспышек. Магнитар может находиться в туманности, оставшейся от сверхновой, и ориентирован под таким углом к наблюдателю, что видимое мазерное излучение длится миллисекунды.

Астрофизики пришли к выводу, что мазерное излучение может порождаться магнитарами в нескольких случаях. Например, если магнитар, производящий вспышку с энергией порядка 10 в 45-й степени эрг в секунду и находящийся в туманности, либо является изолированной нейтронной звездой (находящиеся в короткой, но интенсивной фазе рентгеновского излучения), либо удаляется от наблюдателя с высокой скоростью, либо находится в составе двойной звездной системы с орбитальным расстоянием меньше 10 в 12-й степени метров.

Быстрые радиовсплески происходят в течение нескольких миллисекунд и сопровождаются выбросом в космическое пространство огромного количества энергии — такой, какую Солнце испускает в течение нескольких десятков тысяч лет. Большинство исследователей объясняют этот феномен естественными причинами, например вспышками сверхновых, столкновением нейтронных звезд, активными черными дырами или магнитарами. Связь FRB со взрывами на магнитарах в настоящее время активно обсуждается в научной литературе, поскольку известно, что этот тип нейтронных звезд способен производить исключительно яркие вспышки с выделением энергии приблизительно 10 в 47-й степени эрг в секунду. Известно, что магнитар SGR 1935, находящийся в Млечном Пути, может производить одновременные вспышки как в рентгеновском и гамма-диапазонах, так и в радиолучах, что подкрепляет версию о магнитарном происхождении FRB.