Как наши учёные подслушивают разговоры Вселенной

Когда речь заходит о том, что происходит «где-то там, за тридевять звёзд», мы обычно представляем себе тихий, холодный и бесконечно далёкий космос. Однако, учёные фиксируют резкие вспышки — словно кто-то посылает сигналы на очень высоких частотах.

Эти сигналы приходят из других галактик, но вместо внятных сообщений мы ловим загадочные, невероятно мощные радиовсплески. Таких всплесков насчитывают тысячи, а природа их пока остаётся неизвестной.

Что это вообще такое? Чем уникально недавнее открытие российских астрономов, и почему изучение радиовсплесков может изменить наше понимание Вселенной?

Что такое радиовсплески?

Итак, радиовсплески — это высокоэнергетические, очень короткие выбросы радиоволн. Они длятся буквально миллисекунды, но их мощность настолько велика, что один всплеск может дать больше энергии, чем Солнце производит за целый день!

И при этом до нас эти сигналы доходят издалека, на миллиарды световых лет — то есть вспышки, которые мы сейчас фиксируем, происходили задолго до зарождения самой Земли.

Первые радиовсплески были обнаружены совсем недавно, но за это время они стали одной из самых горячих тем в астрономии. Почему? Потому что радиовсплески — это тайна, которая может помочь нам лучше понять, что творится в других галактиках.

Среди гипотез их происхождения — катастрофические космические события: слияние нейтронных звёзд, взрывы сверхновых или «вспышки» активных ядер галактик.

Но правда в том, что пока никто точно ничего не знает.

Как обнаружили этот сигнал?

Теперь об открытии российских астрономов. Команда работала с мощным радиотелескопом БСА ФИАН — Большая Синфазная Антенна Физического института имени Лебедева (LPA LPI), которая аж с 70-х годов стоит в Пущино и ловит радиоволны из космоса.

Эта антенна уникальна: она состоит из 16 384 волновых диполей, а её эффективная площадь — 45 000 кв. м, и она до сих пор считается крупнейшей в мире в своём диапазоне! БСА ФИАН настраивается на частоту 110,25 МГц, а значит, улавливает кучу разных сигналов, в том числе и те, что интересуют проект PUMPS — Пущинский многолучевой поиск пульсаров.

Этот проект запустили в 2015 году. Идея была проста: пересмотреть данные и «выцепить» среди них всякие «пульсирующие звёзды» — пульсары и редкие радиовсплески (тот же FRB).

Сейчас на счету обсерватории уже более 80 новых пульсаров и почти сотня вращающихся радиотранзиентов (их называют RRAT — rotating radio transients), благодаря чему обсерватория даже вырвалась на первое место в мире.

Под руководством Сергея Анатольевича Тюльбашева работает небольшая команда: В.А. Самодуров, Т.В. Смирнова, М.А. Китаева и Е.А. Брылякова, но все они не первый год изучает эту сложную, но интересную тему.

И вот во время работы с БСА ФИАН российские астрономы и выловили редкий сигнал. Первая такая радиовспышка была замечена австралийцами в 2007 году, и то случайно: ребята искали RRAT в архивных данных 64-метрового телескопа в Парксе и наткнулись на FRB в архивах.

А теперь и у нас есть наш FRB, только уже записанный на БСА ФИАН. Эти всплески выдают мощные сигналы, которые сначала идут на высокой частоте, а потом — на низкой, потому что пробиваются через межгалактическую среду, где скорость света разная для разных волн.

И чтобы зафиксировать такие сигналы, российский телескоп пишет данные сразу в нескольких каналах и разбивает их по частоте. Так вот он и поймал наш всплеск — сигнал от чего-то мощного и далёкого.

В чём сложность?

Итак, что же особенного в этой найденной вспышке, которую назвали FRB 20190203?

Во-первых, она уникальна тем, что стала первой яркой радиовспышкой, который обнаружили на такой низкой частоте. До этого даже самые мощные телескопы, такие как LOFAR и MWA, не могли поймать что-то похожее, а ведь они точно не новички в своём деле.

Кстати, за три года поисков на БСА ФИАН наши астрономы тоже не регистрировали ничего подобного — так что, эта вспышка буквально ворвалась в научный мир.

Главная проблема с этими FRB: у астрономов до сих пор нет общего мнения о механизме их излучения. По сути, всё это пока одна сплошная гипотеза — неясно даже, можно ли их зафиксировать на низких частотах, тем более так далеко. До нашей находки только один повторяющийся FRB когда-либо ловили на частоте ниже 200 МГц — на телескопе LOFAR.

Но почему поймать такие сигналы так трудно? Оказывается, дело не просто в расстоянии или редкости вспышек. Всё сложнее: сигнал, пока путешествует через галактики и межгалактическое пространство, начинает буквально «размазываться».

Поначалу всплеск мог быть всего в одну миллисекунду, а к нам доходит растянутым. А чем шире сигнал, тем он слабее и тем тяжелее выделить его из фонового шума.

И вот ещё штука: чем ниже частота, тем сильнее сигнал рассеивается. На низких частотах рассеяние растёт в четвёртой степени частоты, и это серьёзно усложняет работу. Вот и FRB 20190203, возможно, родился со всплеском всего в миллисекунду, но когда всё-таки смог преодолеть гигантские расстояния, достиг нас совсем другим, уже полураспавшимся сигналом с длительностью в 211 мс.

На таких частотах это просто редкость, и найти его было сложнее, чем на высоких.

О чём говорит радиовсплеск?

Сейчас радиовсплески помогают учёным расширять понимание о структуре Вселенной. Подобные события — как карта, по которой можно рассматривать процессы в других галактиках. Даже одна вспышка может указывать на то, как ведёт себя чёрная дыра или как образуются звёзды на других краях космоса.

Радиовсплески дают возможность наблюдать процессы, которые иначе просто невозможно было бы увидеть. По сути, это возможность заглянуть на другую сторону галактики, чтобы получить данные об устройствах звёздных систем и понять, как они работают.

Второй важный момент — радиовсплески помогают учёным изучать межгалактическую среду. Любой радиосигнал, прежде чем долететь до Земли, проходит через огромные расстояния, которые наполнены газами, космической пылью и магнитными полями. Эти среды взаимодействуют с радиоволнами и изменяют их характеристики.

Поэтому с помощью изучения радиовсплесков учёные могут понять, как устроена межгалактическая «ткань» и как звёзды и галактики взаимодействуют друг с другом на больших расстояниях.

Кто и где ещё ловит радиовсплески?

Крупные международные обсерватории тоже работают на полную мощь, чтобы поймать эти радиовсплески.

Один из самых известных охотников за FRB — канадский телескоп CHIME. Этот аппарат фиксирует радиосигналы в диапазоне 400–800 МГц и уже совершил пару громких открытий.

Например, он поймал FRB 20180916B — всплеск, который периодически повторяется. Особенность этого сигнала — его способность менять частоту: к концу всплеска частоты сдвигаются вниз, словно сигнал сам «затухает» на другой волне.

Эта «многослойность» времени и частоты делает FRB 20180916B уникальным. Это наводит на мысли, что его источник может иметь сложное строение.

Для изучения этого явления CHIME объединился с нидерландским LOFAR, чтобы поймать сигнал с ещё большей точностью и понять, как частота колебаний меняется в динамике.

В Китае стоит 五百米口径球面射电望远镜... Ладно, его ещё называют FAST. Огромный 500-метровый телескоп, который уловил тысячи вспышек, в том числе сигналы от источника FRB 20220912A — одного из самых активных источников FRB на сегодняшний день.

За счёт своего масштаба и разрешения FAST может изучать структуру всплесков, их поляризацию и интенсивность. Эти данные помогают понять, как радиовсплески проходят через межзвёздную и межгалактическую среду и какие изменения они претерпевают по дороге к нам.

В США готовится к запуску массива радиотелескопов DSA-2000, который планируется полностью развернуть к 2025 году. Он станет одним из самых чувствительных инструментов для поиска одиночных и повторяющихся FRB-сигналов на высоких частотах.

Это позволит лучше распознавать всплески на фоне космического шума и даст данные о распределении таких сигналов на дальних расстояниях.

Что будет дальше?

А что дальше? Астрономы уверены, что радиовсплески — это только верхушка айсберга. Ведь поймать радиовсплеск — это как получить зацепку в огромном космическом расследовании.

Сейчас перед учёными стоит задача не просто фиксировать всплески, но и искать закономерности. Чем больше всплесков удаётся наблюдать, тем больше у нас шансов разгадать их тайну и понять, что является источником таких мощных энергий.

Следующий шаг — это разработка специальных алгоритмов и методов, которые позволят ускорить процесс поиска радиовсплесков и сделать его более точным.

Современные алгоритмы обработки данных позволяют вычленять уникальные сигналы даже из самых слабых радиопомех. Может, и нейросети сюда подключатся если уже не сделали .

Ну и возможно, в будущем радиовсплески станут не только ключом к изучению межгалактической среды, но и даже подскажут нам, есть ли жизнь за пределами Земли. В общем, всё это не просто занятие «для галочки».

Ведь кто знает — вдруг в далёких галактиках найдётся кто-то, кто посылает сигналы радиоволн?