Таинственные быстрые радиовсплески могут вызывать астероиды, врезающиеся в мёртвые звёзды

При столкновении астероида с нейтронной звездой может высвободиться энергия, достаточная для питания человечества в течение 100 миллионов лет, что более чем достаточно для объяснения быстрых радиовсплесков!

Учёные обнаружили, что загадочные взрывы энергии, называемые быстрыми радиовсплесками ^[1] (БРВ), могут возникать при столкновении астероидов со сверхплотными мёртвыми звёздами, т.н. нейтронными звёздами. При таком столкновении высвобождается достаточно энергии, чтобы обеспечить потребности человечества в электроэнергии в течение 100 миллионов лет.

БРВ — это кратковременные импульсы радиоволн, которые могут длиться от долей миллисекунды до нескольких секунд. За это время БРВ может высвободить такое же количество энергии, которое Солнцу потребовалось бы для излучения в течение нескольких дней.

Первый БРВ был замечен в 2007 году, и с тех пор эти взрывы энергии сохраняли ореол таинственности, потому что их редко удавалось обнаружить до 2017 года. Именно в этом году заработал Канадский эксперимент по картированию интенсивности водорода (CHIME), который начал часто обнаруживать БРВ.

«Пока что БРВ не поддаются объяснению, и существует более 50 потенциальных гипотез о том, откуда они берутся — мы подсчитали!» — рассказал руководитель группы и учёный из Университета Торонто Данг Фам.

Возможная связь между БРВ и астероидами, а также кометами, врезающимися в нейтронные звёзды, предполагалась и раньше. Новое исследование Фама и его коллег ещё больше подтверждает эту связь.

«Уже много лет известно, что столкновения астероидов и комет с нейтронными звёздами могут вызывать сигналы, похожие на БРВ, но до сих пор было неясно, происходит ли это достаточно часто во Вселенной, чтобы объяснить частоту наблюдений БРВ», — говорит Фам. «Мы показали, что межзвёздные объекты, малоизученный класс астероидов и комет, которые, как считается, присутствуют между звёздами в галактиках по всей Вселенной, могут быть достаточно многочисленными, чтобы их столкновения с нейтронными звёздами могли объяснить БРВ!»

Фам добавил, что исследование команды также показало, что другие ожидаемые свойства этих столкновений совпадают с наблюдениями БРВ, например, их продолжительность, энергия и частота, с которой они происходят в течение жизни Вселенной.

Возникает вопрос: несмотря на то, что столкновения с астероидами могут быть разрушительными (вспомните про исчезновение динозавров), как они могут высвободить такое количество энергии, на излучение которого у звезды уходит несколько дней?

Экстремальные звёзды = экстремальные взрывы

Нейтронные звёзды образуются, когда массивные звёзды умирают и их ядра схлопываются, создавая плотные тела с массой Солнца, только втиснутые в шары диаметром не больше, чем размеры среднего города Земли.

В результате образуются звёздные останки с экстремальными свойствами. Это самая плотная материя в известной Вселенной (одна чайная ложка весила бы 10 миллионов тонн, если бы её доставили на Землю). Их магнитные поля — самые сильные во Вселенной, они в триллионы раз мощнее земной магнитосферы.

«Нейтронные звёзды — это экстремальные места, масса которых превышает массу Солнца, сжатого в сферу около 20 км в поперечнике, что создаёт одни из самых сильных гравитационных и магнитных полей во Вселенной», — рассказал член команды и астрофизик Оксфордского университета Мэтью Хопкинс. «Это означает, что при падении на них астероида или кометы высвобождается огромное количество потенциальной энергии в виде вспышки радиоволн, достаточно яркой, чтобы её можно было увидеть во всей Вселенной».

Так о каком количестве энергии идёт речь? Чтобы разобраться в этом, давайте заменим астероид на что-то более сладкое.

По данным Центра полётов Годдарда НАСА, если на поверхность нейтронной звезды уронить маршмеллоу обычного размера, гравитационное влияние мёртвой звезды будет настолько велико, что лакомство разгонится до скорости в миллионы км/час. Это означает, что при столкновении маршмеллоу с нейтронной звездой высвобождается энергия, эквивалентная одновременному взрыву тысячи водородных бомб!

Точное количество энергии, высвобождаемой при столкновении астероида с нейтронной звездой, зависит от нескольких факторов.

«Выделяемая энергия зависит от размера астероида и силы магнитного поля нейтронной звезды, которые могут сильно различаться, на несколько порядков величины», — добавил Хопкинс. «Для астероида размером 1 км и нейтронной звезды с напряжённостью магнитного поля на поверхности, превышающей напряжённость магнитного поля Земли в триллион раз, мы рассчитали, что высвобождаемая энергия составит около 10^29 Джоулей. Это огромное число, примерно в сто миллионов раз превышающее всю энергию, потребляемую всем человечеством за год!»

Очевидно, что астероиды, врезающиеся в нейтронные звёзды, могут выделять достаточно энергии, чтобы объяснить БРВ, но достаточно ли часто происходят эти столкновения, чтобы объяснить наблюдения БРВ?

Могут ли астероидные «комбо-атаки» на нейтронные звёзды создавать повторные БРВ?

Астрономы обнаруживают БРВ по всему небу, и некоторые учёные считают, что каждый день в случайных точках неба над Землёй может происходить 10 000 БРВ. Если эта оценка верна, то её должны обеспечивать очень частые столкновения между нейтронными звёздами и астероидами.

Межзвёздных камней, безусловно, полно в Млечном Пути, даже для того, чтобы обеспечить такую частоту: только в нашей галактике их насчитывается около 10^27. Но как часто они сталкиваются с нейтронными звёздами?

«Столкновение одной нейтронной звезды с межзвёздным объектом — редкость. По нашим оценкам, в Млечном Пути это примерно одно столкновение каждые 10 миллионов лет», — говорит Фам. «Однако в галактике много нейтронных звёзд, а галактик и самих много! В совокупности мы пришли к выводу, что частота столкновений нейтронных звёзд с межзвёздными объектами во Вселенной сопоставима с наблюдаемой в настоящее время частотой БРВ».

Кроме того, исследователь отметил, что количество нейтронных звёзд и межзвёздных объектов увеличивается с течением времени существования Вселенной. Это означает, что скорость столкновений нейтронных звёзд и межзвёздных объектов также должна увеличиваться с течением космического времени.

«Если эта модель верна, то мы должны наблюдать увеличение частоты БРВ по мере старения Вселенной», — говорит Фам. «Этот вопрос остаётся открытым для исследований, которые могли бы выиграть от большего числа наблюдений!»

Даже если эта теория верна, она не даёт ответа на все вопросы о БРВ. В основном потому, что существует два типа этих энергичных всплесков радиоволн.

До сих пор мы говорили об однократных БРВ. Однако существуют и повторяющиеся БРВ, которые вспыхивают более одного раза. Могут ли столкновения с астероидами также объяснить повторные БРВ?

«Мы обнаружили, что эта модель не может объяснить повторные БРВ, потому что столкновение нейтронной звезды с межзвёздными камнями — редкое, случайное событие», — объясняет Хопкинс. «Отдельная нейтронная звезда редко сталкивается с межзвёздным объектом. По сравнению с этим повторяющиеся БРВ обычно происходят с гораздо большей частотой: в некоторых случаях наблюдалось до двух всплесков в час!»

Предыдущие исследования позволили предположить, что если однократные БРВ вызваны столкновениями между нейтронной звездой и астероидом, то повторяющиеся БРВ могут представлять собой столкновения этих мёртвых звёзд с поясом астероидов, подобным тому, который находится в нашей Солнечной системе между Марсом и Юпитером.

«Вокруг этой идеи до сих пор ведутся споры, в частности, о том, насколько плотными должны быть эти поля обломков. Этот сценарий выходит за рамки того, что мы рассматривали в нашей модели — столкновение нейтронных звёзд с межзвёздными объектами», — говорит Фам. «Необходимы дальнейшие наблюдения, чтобы понять механизмы излучения БРВ и их источники».

Фам и Хопкинс отметили, что частота столкновений нейтронных звёзд с межзвёздными объектами будет зависеть от типа галактик, например эллиптических или спиральных, в которых они происходят. Это означает, что астрономам нужно будет наблюдать больше БРВ и отслеживать их по галактикам-хозяевам, чтобы определить, с каким типом галактик больше всего связаны эти взрывы энергии.

«Понимание эволюции частоты БРВ с течением космического времени также поможет нам лучше понять эту модель», — добавил Фам. «Наблюдения за БРВ также могут наложить дополнительные ограничения на то, насколько энергичными являются эти события, что даст нам информацию о том, как испускаются БРВ». Исследовательская группа сообщила, что это будет сделано в рамках проектов по наблюдению БРВ, таких как CHIME, Канадская водородная обсерватория и детектор радиопереходов (CHORD) и Австралийский квадратно-километровый массив Pathfinder (ASKAP).

«Дополнительные работы по определению того, насколько плотно галактики заселены межзвёздными объектами, также дадут нам более полную информацию о том, как часто нейтронные звёзды могут сталкиваться с этими объектами во Вселенной», — заключил Фам.

Результаты работы команды были приняты к публикации в Astrophysical Journal. Препринт-версия статьи ^[2] команды доступна на сайте репозитория arXiv.