Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса - Катя Москвич

галактик и галактических магнитных полей и, что особенно важно, получение информации об источниках непостоянных радиосигналов (радиотранзиентов) – не только пульсарах, но и источниках любых других неожиданных радиосигналов, вспыхивающих то тут, то там в небе, например FRB18.

“К сожалению, в первое десятилетие, пока мы не осознали, что эти объекты существуют, мы пропустили почти все FRB”, – говорит Шеннон.

Примерно к 2015 году, когда стали регистрировать все больше и больше всплесков, у Шеннона и его коллег по сообществу CRAFT (Commensal Real-time ASKAP Fast Transients, “совместный проект на телескопе ASKAP по наблюдению в реальном масштабе времени быстрых транзиентов”) появилась идея. Им пришло в голову, что для регистрации загадочных сверхкоротких радиовспышек не нужна такая гигантская тарелка, как Parkes, – гораздо полезнее будет радиотелескоп с более широким полем зрения. Так родилась идея создания системы детектирования быстрых радиовсплесков на базе ASKAP. “CRAFT стал центром, в котором эти усилия сосредоточились, – говорит коллега Шеннона из Суинберна астрофизик Адам Деллер. – Сообщество пришло к выводу, что если ярких FRB относительно много, а ASKAP обладает невероятно широким полем зрения, то достаточно яркие сигналы FRB можно будет увидеть, даже если радиотелескоп еще не полностью введен в эксплуатацию”. Итак, сообщество CRAFT, членами которого являются австралийские и международные университеты и CSIRO, поставило перед собой задачу выстроить систему регистрации быстрых радиовсплесков для ASKAP. Монтаж антенной системы, включающей в себя тридцать шесть антенн по двенадцать метров в поперечнике каждая, был окончательно завершен в 2019 году, но первые FRB были обнаружены на телескопе ASKAP задолго до этого.

Не так много астрономов приезжает на ASKAP – он специально приспособлен для удаленной работы. Большое количество антенных тарелок, составляющих антенную систему и рассыпанных по почти безлюдной местности Шир-Мер-чисон в Западной Австралии, неизменно вызывает любопытство у немногочисленного коренного населения – народа ваджарри яматджи, который является законным владельцем этой земли. В рамках просветительской программы Шеннон однажды приехал к местным жителям, рассказал о телескопе и объяснил предназначение телескопа и исследований, для которых он используется. “Я думаю, они очень довольны тем, что мы тут”, – говорит он, добавив, что протестов против строительства радиотелескопа, подобных протестам на Гавайях против планов строительства телескопа на священной горе Кау, не было. “Ясно, что людям легче объяснять работу оптических телескопов, чем радиотелескопов, поскольку там вы можете увидеть картину неба своими глазами”, – добавляет Шеннон. Но местные жители тем не менее очень заинтересовались. Каждую из тридцати шести антенн они назвали своим именем, например Бундарра (звезды), Вилара (Луна) и Джирдилунгу (Млечный Путь).

Чтобы добраться туда, Шеннону пришлось лететь в Перт, а затем на небольшом самолете – в Мерчисон. Оттуда – сто пятьдесят километров до места – он летел на крохотном одновинтовом самолете (чтобы избежать пятичасовой поездки по грунтовым дорогам). “Особенно не рекомендуется ехать на машине под дождем, – смеется он, – потому что тогда все дороги покрываются грязью”.

Хотя телескопы MeerKAT и ASKAP являются предшественниками SKA и оба могут ловить сигналы FRB, технологически они устроены совершенно по-разному, что позволяет регистрировать FRB, обладающие разными характеристиками. Оба эти телескопа, как и старые телескопы Parkes и Arecibo, обозревают южную часть неба, и их расположение в Южном полушарии является более выигрышным для наблюдения центра Млечного Пути, чем если бы они располагались в Северном полушарии. Тарелки MeerKAT оснащены гораздо более чувствительными приемниками, способными обнаруживать удаленные объекты, тогда как ASKAP менее чувствителен, но зато имеет гораздо более широкое поле зрения. Это означает, что астрономы могут наблюдать гораздо больший участок неба, что позволяет им детальнее разглядывать более близкие объекты и их окружение.

Каждая антенна ASKAP оснащена системой, называемой фазированной антенной решеткой, технология которой в каком-то смысле похожа на технологию, позволяющую нам делать снимки камерой. Большинство радиотелескопов, имеющих в своем распоряжении одну тарелку, обычно являются однопиксельными, а вот Parkes благодаря установленному в его фокальной плоскости многолучевому (матричному) приемнику является тринадцатипиксельным. Все тарелки ASKAP, работая вместе, формируют виртуальный тридцатишестипиксельный телескоп, что подразумевает значительное улучшение поля зрения.

Чтобы поймать сигнал FRB, нужно, чтобы тарелки смотрели в разных направлениях, примерно так устроен глаз мухи. Это объясняет, почему, хотя строительство ASKAP еще не было закончено и задействовано было всего десять тарелок, астрономы уже поймали двадцать сигналов FRB19. Это очень хороший результат, смеется Шеннон, “учитывая, что в предыдущем десятилетии ученые зарегистрировали всего двадцать семь FRB”.

Помимо регистрации быстрых радиовсплесков с помощью антенных решеток, сотрудники ASKAP применили некую новейшую методику для регистрации источников всплесков, включая единичные. Команда предложила повернуть тарелки в одном направлении так, чтобы все они смотрели на одну и ту же область неба, и ждать вспышки FRB. Заставить все тридцать шесть антенн работать синхронно очень сложно технически. Но при такой конфигурации телескоп становится радиоинтерферометром, похожим на MeerKAT, и в таком режиме можно получать очень четкие изображения выбранных космических объектов. Идея состоит в том, что, как только вспышка FRB действительно произойдет, нужно в течение миллисекунды наблюдать ту часть неба, где произошла вспышка, и в течение этой миллисекунды заснять изображение места, откуда этот всплеск пришел, причем в реальном времени20. “Тогда вы бы увидели только вспышку и ничего больше, потому что вспышка затмевает все остальное”, – говорит Шеннон. Но искать FRB постоянно с помощью интерферометрии невозможно – вычислительная нагрузка была бы слишком большой. Поэтому, по словам вступившего в разговор Деллера, исследователи придумали хитрый трюк, заключавшийся в том, чтобы искать FRB так же, как высматривают добычу глаза мухи, но уже после сложения сигналов со всех тарелок, когда чувствительность антенной системы увеличена за счет того, что все тарелки направлены на один и тот же участок неба. Если ASKAP обнаруживает сигнал FRB, в течение примерно секундного интервала с телескопов запускается выгрузка необработанных данных для выполнения интерферометрических измерений и построения изображений в автономном режиме, и в этом случае процесс может идти медленнее, чем в реальном времени.

Утром 25 сентября 2018 года Шеннон и его коллега Адам Деллер просматривали результаты наблюдений за прошедшую ночь. И когда они увидели, что все антенны уверенно зарегистрировали быстрый радиовсплеск, они обрадовались. Затем они попытались определить его местонахождение, для чего Деллер взял исходные, сырые данные, обработал их и получил изображение. По словам Деллера, технически это было очень сложно, ведь “просто заметить быстрый радиовсплеск не так трудно, а вот для получения изображения, позволяющего определить, откуда он появился, требуется множество дополнительных калибровок”. Сигналы от всех тарелок должны быть точно упорядочены по времени, причем с субнаносекундной точностью, а для построения изображения нужно еще и