Швидкі радіоспалахи (Fast Radio Bursts, FRB) — одні з найзагадковіших явищ у сучасній астрофізиці. Це надпотужні імпульси радіовипромінювання, які тривають від мілісекунд до кількох секунд і зазвичай більше не повторюються. Попри їхню короткочасність, нове дослідження показує, що саме FRB можуть стати ключем до розуміння того, як у Всесвіті згустилася матерія — і, зрештою, до розв’язання загадок темної матерії, темної енергії та нейтрино.
Про роботу, виконану командою Каліфорнійського технологічного інституту (Caltech), розповідає видання Universe Today.
Як FRB перетворюються на космічний вимірювальний інструмент
Світло від швидких радіоспалахів долає мільярди світлових років, перш ніж досягти Землі. На цьому шляху воно проходить крізь «туман» газу, пилу та іншої матерії. Чим щільніший цей туман, тим сильніше радіосигнал розсіюється й розтягується в часі — явище, відоме як дисперсія.
Саме ця дисперсія робить FRB ефективним інструментом для відстеження розподілу баріонної, тобто «звичайної» або «світної», матерії у Всесвіті. Вимірюючи, наскільки сильно розсіяний сигнал, астрономи можуть оцінити, скільки речовини він пройшов, і таким чином простежити, де й як ця матерія зосереджується у великих космічних структурах.
Дослідження очолила аспірантка Крітті Шарма (Kritti Sharma), яка працює з професором астрономії Вікрамом Раві (Vikram Ravi) у Центрі астрономії та астрофізики Кегілла при Caltech. Результати опубліковано в журналі Nature Astronomy.
Темна матерія, темна енергія та роль зворотного зв’язку
За сучасними уявленнями, у ранньому Всесвіті темна матерія утворила гігантські гало, що «захоплювали» космічний газ у щільні скупчення. Це запустило формування перших зірок і зародків надмасивних чорних дір, а згодом — перших галактик. З часом ці галактики об’єднувалися у великомасштабні структури, які темна енергія почала розштовхувати, прискорюючи розширення Всесвіту.
Щоб зрозуміти, як саме матерія злипається в такі структури, астрономи проводять масштабні огляди неба. Але на розподіл речовини впливають не лише темна матерія й темна енергія. Велику роль відіграють так звані процеси зворотного зв’язку в самих галактиках.
Зірки постійно викидають потоки заряджених частинок — зоряний вітер, який відштовхує міжзоряний газ. Наднові вибухають, посилаючи ударні хвилі, що розбурхують навколишнє середовище. Надмасивні чорні діри в центрах галактик поглинають речовину й водночас викидають потужні «вітри», які можуть пригнічувати народження нових зірок у дисках галактик.
Усі ці процеси виштовхують газ із галактик у міжгалактичний простір і змінюють те, наскільки «грудкувато» розподілена матерія. Це ускладнює точні вимірювання космологічних параметрів, адже ефекти зворотного зв’язку можуть імітувати вплив темної енергії, темної матерії або масивних нейтрино.
Вікрам Раві пояснює, що зворотний зв’язок «розріджує газ навколо галактик, перерозподіляючи матерію на величезних відстанях» і згладжує скупчення речовини так, що це дуже схоже на те, що передбачають моделі з масивними нейтрино чи різними варіантами темної матерії й темної енергії. Без незалежного вимірювання внеску цього зворотного зв’язку важко розрізнити, який саме процес домінує.
Перше пряме вимірювання впливу зворотного зв’язку за допомогою FRB
Команда Раві проаналізувала 114 швидких радіоспалахів і виконала перше дослідження, яке безпосередньо вимірює вплив зворотного зв’язку на великі області навколо галактик. Вони використали дисперсію сигналів FRB, щоб оцінити, як газ, викинутий із галактик, змінює щільність речовини в міжгалактичному середовищі.
Результати показали, що газ, який викидають галактики, дійсно згладжує матерію між ними. Ефект виявився порівнянним, хоча й дещо меншим, ніж те, що випливає з рентгенівських та мікрохвильових оглядів, виконаних за допомогою рентгенівського телескопа eROSITA та Атакамського космологічного телескопа.
Особливо показово, що такі висновки вдалося отримати лише на основі приблизно сотні FRB. Це свідчить про великий потенціал цього методу для майбутніх космологічних досліджень.
Тисячі й десятки тисяч спалахів — наступний крок
Сьогодні такі інструменти, як Канадський експеримент з картування інтенсивності водню (CHIME), уже реєструють тисячі швидких радіоспалахів. У перспективі це дасть змогу створити детальні «карти» розподілу баріонної матерії в космосі.
Ще амбітніші плани пов’язані з масивом Deep Synoptic Array (DSA), який будує Caltech і співкерівником якого є Вікрам Раві. Після завершення, запланованого на 2029 рік, DSA має виявляти десятки тисяч FRB. Такий обсяг даних дозволить значно точніше вимірювати, як матерія згустилася у Всесвіті, і відокремлювати внесок зворотного зв’язку від ефектів темної матерії, темної енергії та нейтрино.
Спостереження FRB доповнять результати інших великих проєктів — місії ESA Euclid, спектроскопічного інструмента DESI, Обсерваторії Віри Рубін та космічного телескопа Ненсі Ґрейс Роман. Об’єднавши ці дані, астрономи сподіваються значно поліпшити вимірювання фундаментальних параметрів Всесвіту й наблизитися до розв’язання таємниць темної матерії та темної енергії.
Огляд відео про космологічні загадки та швидкі радіоспалахи можна подивитися за посиланням на відео-пояснення на YouTube.