Періодичну частину спектру швидкого радіовспліска пояснили дифракційним лінзуванням

Фізики проаналізували спектр повторюваного швидкого радіовспліска FRB 121102 і виділили в ньому періодичну структуру з піків, що знаходяться на відстані близько 100 мегагерц один від одного. Вчені пояснили цю спектральну особливість дифракційним лінзуванням і запропонували два можливих механізми утворення піків. Згідно з розрахунками, до появи періодичної структури могли привести об'єкт з масою близько 0,1 відсотка від сонячної або хмару плазми, з якими провзаимствовало випромінювання FRB на шляху до Землі. Препринт роботи представлений на.

Швидкі радіовспліски (Fast Radio Bursts, FRB) - це спалахи довгохвильового електромагнітного випромінювання типовою тривалістю порядку мілісекунд. На сьогоднішній день відомо понад сотні таких подій, деякі з яких виявилися повторюваними, проте природа сплесків до кінця не ясна: існує безліч теоретичних моделей, які не мають надійних спостережних підтверджень (докладніше про це можна дізнатися в матеріалі «Що таке швидкі радіовспліски»).

Локалізація декількох FRB говорить про те, що їх випромінювання долає міжгалактичні відстані - і, тим самим, дає можливість вивчати недоступні для прямого спостереження об'єкти і середовища, які зустрілися на його шляху, за особливостями зареєстрованого сигналу.

Дмитро Левков, Ігор Ткачов і Олександр Панін з Інституту ядерних досліджень РАН звернулися до архівних спостережень першого з відомих повторюваних швидких радіовсплісків FRB 121102, який локалізований в карликовій галактиці на червоному зміщенні 0,19. Його випромінювання в смузі частот 4-8 гігагерц (тобто на довжинах хвиль приблизно 3,8-7,5 сантиметра) 26 серпня 2017 року реєстрував радіотелескоп Грін-Бенк в штаті Західна Віргінія, записавши за першу годину шестигодинної сесії в цілому 18 спалахів.

Щоб придушити шум, автори згладжували інтегралом з гаусовою функцією частотну залежність спектральної щільності потоку енергії (частки потоку, що припадає на цю частоту) за шириною частот в 10 (50) мегагерц - тобто отримали наближення спектра, яке добре описує його на масштабах частот понад 40 мегагерц (для ширини в 50 МГц - понад 220 МГц) і практично пригнічує всі модуляції на менших частотних відрізках.

Потім вчені інтегрували згладжену функцію за повним часом випромінювання окремого спалаху, отримуючи таким чином повну енергію радіовсплеску, яка припадає на одиничну частоту в околиці даної частоти. Для цієї залежності фізики будували автокореляційну функцію, яка кількісно характеризує зв'язок між самим спектром і його зміщеною за частотою копією залежно від величини частотного зрушення.

На своєму шляху випромінювання, найімовірніше, пройшло через безліч турбулентних хмар плазми - їх флуктуації змусили б промені переломлюватися випадковим чином і придушили б кореляцію між різними частотами. Це б призвело до того, що автокореляційна функція спадала зі зростанням зсуву частоти. Однак фактично автори помітили повторне зростання і наближено (в межах помилки) періодичні коливання автокореляції при частотному зрушенні понад 50 мегагерц, що не вдавалося пояснити проходженням радіосигналу через турбулентні хмари.

Щоб описати зростання і коливання автокореляції, фізики додали до моделі поширення радіовипромінювання дифракційну лінзу - гладку (нетурбулентну) хмару плазми або околицю масивного тіла, проходячи через яку, кожен промінь поділяється на дві компоненти. При такому розгляді складові сигналу складуться по-різному залежно від частоти: на тих частотах, де фази двох компонент майже однакові, вони будуть посилювати один одного, а на тих, де фази практично протилежні - навпаки, пригнічувати - тобто у спектрі повного сигналу з'явиться періодична частина. З цього, в свою чергу, піде, що періодичною стане і автокореляційна функція, що (наближено) відповідає експериментальним даним.

Вчені розглянули два спрощені види дифракційної лінзи: область зниженої щільності вільних електронів у міжзоряній плазмі і гравітаційну лінзу від поля практично точкового об'єкта (яким могла б бути первинна чорна діра або масивний компактний об'єкт гало). Параметри кожної з лінз дослідники підбирали так, щоб підсумковий теоретичний спектр якомога краще збігався з експериментальним.

В результаті виявилося, що обидва сценарії утворення лінзи дозволяють описати періодичну структуру спостережуваного спектра FRB 121102 - при цьому гравітаційному об'єкту буде потрібна маса близько 1,1 мм^{. 10}-4 від сонячної (відповідає приблизно 40 масам Землі). При цьому автори зазначають, що принципово можна було б віддати перевагу одному зі сценаріїв на основі того, чи залежить період спектру від частоти - цей ефект відсутній у разі гравітаційної лінзи. Тим не менш, хоча експериментальні дані і не містять залежності періоду від частоти, цього ж ефекту можна досягти при досить великому недоліку вільних електронів в плазмовій лінзі - в цьому випадку залежність від частоти стає нерозбірливою в межах помилки вимірювань, і виділити серед двох моделей кращу за цим критерієм не вдається.

Раніше ми розповідали про те, як швидкий радіовсплеск дозволив перевірити передбачення космологічної моделі про кількість баріонної матерії і як гравітаційна лінза вперше допомогла рентгенівським спостереженням.