Все формулы мира. Как математика объясняет законы природы

Кратко напомню, что первый всплеск был выявлен в 2007 г. Дунканом Лоримером и его коллегами. Но настоящий бум начался в 2013-м, когда появилось сообщение об обнаружении сразу четырех ярких миллисекундных радиовсплесков[124]. Уже в 2007 г. начали появляться первые теоретические модели, призванные объяснить новый тип источников, а к осени 2013 г. – после второй важной статьи наблюдателей – счет шел уже едва ли не на десятки. Давайте посмотрим, что дали самые первые наблюдения, т. е. что надо было объяснять теоретикам.

Всплески были обнаружены в архивных данных наблюдений 64-метрового телескопа в Парксе (Австралия) на частоте 1,4 ГГц. Длительность всплесков составляла всего лишь несколько миллисекунд, зато регистрируемый поток излучения был довольно большим. Правда, если расстояние неизвестно, то светимость источника мы по измеренному потоку определить не можем (но об этом чуть позже).

Существенно, что уже по одному всплеску можно было дать оценку темпа их появления на земном небе. И спустя 12 лет эта оценка по порядку величины остается верной! Как же это возможно? Дело в том, что всплеск был обнаружен в результате не каких-то случайных наблюдений, а обработки данных обзора, который проводился в основном с целью поиска радиопульсаров.

Представьте, что наш телескоп круглые сутки (в радиодиапазоне это вполне возможно) наблюдает одну и ту же небольшую площадку на небе, и в течение всего времени наблюдений на небе в случайных местах происходят всплески. Площадка маленькая. В случае телескопа в Парксе она сравнима с видимым размером лунного диска. Примем, что это около половины квадратного градуса. А на небе квадратных градусов более 40 000! Значит, мы видим примерно одну стотысячную от всей площади небесной сферы. Соответственно, если мы ведем наблюдения в течение суток и за это время на небе происходит тысяча всплесков, то вероятность регистрации одного из них составляет примерно 1 %. Иначе говоря, нам в среднем понадобится несколько месяцев, чтобы зафиксировать хотя бы одно событие, и тогда по нему мы уже сможем дать оценку темпа всплесков. Таким образом, если мы ведем систематические наблюдения, то даже по очень небольшому количеству зарегистрированных событий нам удастся верно оценить их темп, если только мы не столкнулись с заметно нетипичными событиями. Уже в первой статье Дункан Лоример и его соавторы дали оценку, говорившую о том, что яркие быстрые радиовсплески происходят несколько сотен раз в день. В последующие годы были обнаружены более слабые события, и они, разумеется, происходят в более высоком темпе – несколько тысяч раз в день. Это то число, которое надо объяснять теоретикам.

Кроме того, уже в первой работе появилась качественно верная оценка расстояния до источника. Вот на чем она была основана. Мы привыкли говорить, что скорость электромагнитных волн равна примерно 300 000 км/с. Но это в вакууме. А вот если волна распространяется в среде, то скорости будут разными для волн разной длины (и, соответственно, разной частоты). Радиоволны от источника всплеска распространяются в плазме. Перенос энергии (которую мы и регистрируем) связан с так называемой групповой скоростью волн. Эта скорость тем меньше, чем ниже частота радиоволны, поэтому сначала всплеск приходит к нам на более высокой частоте и чуть позже – на низкой. Величина задержки определяется количеством электронов в плазме на пути следования сигнала – именно с ними взаимодействует волна. Таким образом, задержка будет большой, если сигнал прошел через область плотной плазмы или если путь сигнала просто был большим. Задержка может набираться в межзвездной среде нашей Галактики, затем – в межгалактической среде, потом – в межзвездной среде галактики источника и, наконец, в непосредственной окрестности источника, если он погружен в плотную оболочку.

Уже у первого всплеска задержка была достаточно большой, чтобы сказать, что он находится за пределами Галактики[125]. Если мы предположим, что в основном задержка связана с влиянием межгалактической среды, то можно прикинуть расстояние. По порядку величины оно получилось равным 1 Гпк (что составляет более 3 млрд световых лет!). Данная оценка давала возможность оценить радиосветимость всплеска (если энергия излучается симметрично во все стороны): примерно 10⁴² эрг/с. Учитывая миллисекундную длительность события, получаем, что полное энерговыделение в радиодиапазоне составляет около 10⁴⁰ эрг. Это само по себе очень много (Солнце столько излучает за месяц). Но также важно учесть, что крайне редко механизмы излучения позволяют поместить основное выделение энергии в радиодиапазон, т. е. полная (болометрическая) светимость источника должна быть гораздо выше! Значит, мы имеем дело с какими-то колоссальными вспышками, происходящими при этом достаточно часто. Если 1 Гпк – это типичное расстояние, то в галактике вроде нашей такие события должны происходить раз в несколько сотен лет (для сравнения: слияния нейтронных звезд друг с другом или с черными дырами происходят раз в несколько десятков тысяч лет).