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 (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 команды доступна на сайте репозитория arXiv.