devlor1

Гигантская восьмерка в центре Млечного Пути

В ноябре 2010 года космический гамма-телескоп «Ферми» обнаружил две крупные структуры, исходящие из центра нашей Галактики и испускающие излучение в гамма- и рентгеновском диапазонах. Они располагаются перпендикулярно плоскости Млечного Пути и простираются на 25 тысяч световых лет каждая, что суммарно составляет половину диаметра Галактики. Восьмерка или песочные часы занимают половину видимого неба — от созвездия Девы до созвездия Журавля. Заметить пузыри Ферми раньше ученые не могли из-за высокоэнергетичных частиц и межзвездного газа, которые застилают нашу Галактику в гамма-диапазоне и мешают наблюдениям.

Розовым на изображении показаны области гамма-излучения, синим — области рентгеновского излучения, обнаруженные космической рентгеновской обсерваторией ROSAT в 1990 году. Позднее команда телескопа «Планк» обнаружила излучение этих структур в микроволновом диапазоне.

Природа пузырей Ферми пока неясна. По одной из гипотез, они связаны с недавней активностью центра Галактики. В центре Млечного Пути расположена сверхмассивная черная дыра Стрелец А*, масса которой в 4 миллиона раз больше солнечной. При падении (аккреции) вещества на черную дыру и его ускорении в горизонте событий образуются релятивистские струи, или джеты, — потоки плазмы, вырывающиеся из активных ядер галактик и квазаров. Сегодня наша Галактика довольно спокойный уголок Вселенной, но если у Млечного Пути действительно были джеты, то пузыри Ферми могли образоваться из материала, поднятого ими. По другой гипотезе, эти структуры появились в результате массового превращения звезд в центре Галактики в сверхновые. Эти звезды, обладавшие вихрями высокоэнергетических частиц, могли появиться в ходе кратковременной вспышки звездообразования. Обе гипотезы пытаются объяснить, как возник столь мощный поток заряженных частиц.

Подобные структуры были обнаружены и в других галактиках. Так, в 2016 году российские астрономы заметили нечто похожее у галактики Андромеды (М31).

Измерение интенсивности гамма-излучения пузырей Ферми может помочь обнаружить облако темной материи, предположительно расположенное близ центра нашей Галактики, так как взаимодействие между частицами таинственной субстанции может сопровождаться испусканием гамма-квантов. Гамма-излучение, испускаемое пузырями Ферми, можно вычесть из общего сигнала гамма-излучения и получить в остатке излучение, исходящее из темной материи.

Ali Khalatpour et. al/ Nature Photonics, 2020

Ученые разработали лазер, излучающий в терагерцевом диапазоне и работающий без криогенного охладителя, что позволяет впервые использовать его вне лаборатории. Рабочую температуру лазера, равную -23 градусам Цельсия, можно поддерживать обычным недорогим кулером. Исследование опубликовано в журнале Nature Photonics.

Спектр частот терагерцевого излучения расположен между инфракрасным и СВЧ-диапазоном. Самые современные приборы, излучающие в этом диапазоне — это квантово-каскадные твердотельные лазеры на основе полупроводников из арсенида галлия, легированного арсенидом алюминия-галлия.

Излучение в квантово-каскадных лазерах основано на внутризонных переходах, а способствуют ему многочисленные дискретные уровни энергии, возникающие из-за особенностей квантовой гетероструктуры, которая за счет малого размера (меньше 200 ангстрем на один слой) буквально ограничивает движение носителей зарядов.

Поскольку излучение квантово-каскадных лазеров — униполярное, то структура представляет собой повторяющиеся чередующиеся слои полупроводников, граница раздела которых — это некий барьер. Электрон, проходя от одной активной зоны к другой через эти барьеры, отдает энергию в виде излучения.

Применить терагерцевые лазеры во всех областях науки, где они требуются, невозможно. Одно из самых существенных препятствий — низкая рабочая температура (около 200 кельвин), которую легко достичь только при наличии лабораторного оборудования. Напротив, большинство задач для применения терагерцевого излучения требует портативности излучателей. Для успешного решения этих задач нужно заставить работать лазер при комнатной температуре или при помощи портативных кулеров.

Проблема отчасти кроется в утечке носителей заряда из-за туннельного эффекта, когда электроны с энергией меньше ширины запрещенной зоны «убегают» из изолированной области прибора. С ростом температуры утечка увеличивается, а эффективность лазера падает. В предыдущих работах исследователи выяснили, что утечка при увеличении температуры особенно активно происходит в области барьера, между различными слоями гетероструктуры.

Али Халатпур (Ali Khalatpour) из Массачусетского технологического института с коллегами спроектировали квантово-каскадный твердотельный лазер, излучающий волны частотой четыре терагерца и работающий при максимально возможной температуре 250 кельвин. Температуры 250 кельвин или −23 градуса Цельсия можно достичь, используя недорогой портативный кулер. Предыдущий рекорд температуры составлял 210 кельвин.

График зависимости выходной мощности лазера от тока. На вставке: спектр частоты излучения

Ali Khalatpour et. al/ Nature Photonics, 2020

Лазер состоит из чередующихся слоев арсенида галлия и арсенида алюминия-галлия, как и его предшественники, однако ученые компенсировали утечку носителей заряда, повысив ширину запрещенной зоны барьера за счет увеличения содержания алюминия в легирующей примеси арсенида алюминия-галлия с 15 до 30 процентов.

Исследователи протестировали четыре структуры с различной толщиной слоев, чтобы добиться оптимального соотношения низкой утечки и высокой силы инжекции носителей заряда через барьер. Слои выращивали методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Ученые заключили, что от качества ее проведения также зависит эффективность будущего прибора, но как именно — не уточняется.

Терагерцевое излучение можно использовать для изучения биоактивности химических соединений, для спектрального анализа атмосферы планет в астрофизике, а также, например, для нахождения взрывчатых веществ (C-4, TNT), которые специфически отображаются при таком облучении. Данные, полученные учеными, позволят использовать лазер в портативных приборах вне лаборатории и делают возможным быстрый спектральный анализ в реальном времени.

https://nplus1.ru/news/2020/11/05/portable-terahertz-laser

Астрофизики смогли определить механизм возникновения быстрых радиовсплесков — сигналов, природа которых до сих пор была неизвестна, так что некоторые даже считали, что они могут быть сигналами инопланетных цивилизаций. Судя по всему, быстрые радиовсплески формируются в окрестностях нейтронных звезд. Об этом рассказал Сергей Попов из Государственного астрономического института имени Штернберга МГУ, автора книги о нейтронных звездах «Суперобъекты», об истории исследования быстрых радиовсплесков и о том, какие гипотезы об их природе выдвигали ученые.

Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF; Hubble Legacy Archive, ESA, NASA

В этом посте речь идет об источнике FRB121102. Это пока единственный повторяющийся источник быстрых радиовсплесков.

Быстрые радиовсплески — новый загадочный астрофизический феномен (продвинутый читатель может посмотреть свежий небольшой обзор на английском языке). Их исследование началось всего лишь 10 лет назад, когда в 2007 году Дункан Лоример и его коллеги объявили об обнаружении первого очень мощного, но при этом короткого (несколько миллисекунд) радиовсплеска, пришедшего «из ниоткуда». То есть, как это было почти полвека назад с космическими гамма-всплесками, вспышка не наблюдалась больше ни в каком диапазоне спектра, а кроме того, не представлялось возможным точно локализовать, с чем она связана.

Первый всплеск, как и большинство последующих, был обнаружен при обработке архивных данных телескопа из обсерватории «Паркс» (Parkes Observatory) в Австралии. Эта 64-метровая антенна предназначена, в первую очередь, для исследования радиопульсаров. Всплеск получил обозначение FRB 010724, где FRB — Fast radio burst, а 010724 — дата: 24 июля 2001 года.

Если инструмент фиксирует короткий одиночный всплеск радиоизлучения, то его координаты можно определить лишь с точностью порядка 10 угловых минут. Это примерно треть лунного диска. С астрономической точки зрения — большая площадка, так как, например, крупный оптический телескоп увидит там большое количество объектов. Но при этом ничего выдающегося в области локализации первого всплеска не наблюдалось. Источник мог находиться или совсем близко (даже в магнитосфере Земли!), или очень далеко. Однако второе представлялось более вероятным, так как всплеск характеризовался большой мерой дисперсии.

Дело в том, что это только в вакууме скорость света одна и та же. Если же электромагнитное излучение распространяется в среде, то скорость волн разной длины будет отличаться. Именно поэтому призма дает радужную полоску спектра. Радиосигналы на двух разных частотах, распространяясь в космической плазме, имеют разные скорости. А потому сигнал на более высокой частоте приходит к нам раньше. Вот эта величина «сдвига» времени прихода сигнала в зависимости от частоты волны и характеризуется мерой дисперсии. Она тем больше, чем больше плотность зарядов в среде, в которой распространяется сигнал, и чем большее расстояние в этой среде сигнал проходит.

В случае лоримеровского всплеска FRB 010724 дисперсию нельзя было объяснить межзвездной средой нашей Галактики — ее не хватало. Значит, источник внегалактический, а мера дисперсии связана или с межгалактической средой, или со средой вокруг источника в другой галактике. Если дело в межгалактической среде, то расстояние до источника получалось порядка миллиардов световых лет! Тогда у источника колоссальная радиосветимость — миллиард светимостей Солнца. Такого никогда не видели, и это непросто объяснить.

Но это еще не все. Поскольку всплеск был открыт в рамках обработки архива обзорных наблюдений, то можно было оценить, как часто происходят такие события. Получалось, что на земном небе мы должны были бы видеть тысячи всплесков в день. Проблема, однако, в том, что радиотелескопы обычно смотрят лишь на маленький пятачок неба, да к тому же трудно выделить отдельную короткую вспышку, если она не повторяется, а точные координаты (и идентификация с известным источником) неизвестны. Вот и получалось, что до 2007 года мы не знали, что на небе все время виден радиофейерверк: яркая вспышка каждую минуту.

О втором событии отрапортовали лишь в 2012 году. Поэтому теоретики не бросились строить модели. Правда, еще в 2007 году Константин Постнов и я предложили модель, в которой вспышки были связаны с гипервспышками магнитаров — молодых активных нейтронных звезд с очень сильными магнитными полями. Кроме того, в нашей работе мы обратили внимание, что темп вспышек совпадает с темпом рождения магнитаров, а также что если пульсары с большими потерями энергии вращения могут давать вспышки, подобные гигантским импульсам пульсара в Крабовидной туманности, но только более мощные во столько же раз, во сколько раз больше энергопотери, то это тоже будет похоже на FRB. Были высказаны и другие предположения, в том числе довольно экзотические, в которых вспышки FRB связывались с космическими струнами.

Ситуация изменилась летом 2013 году, когда Торнтон и его соавторы сообщили сразу о четырех новых вспышкам. Все поняли, что дело серьезное.

За несколько месяцев теоретики предложили пару дюжин моделей для объяснения быстрых радиовсплесков. Там были и сливающиеся белые карлики, и испаряющиеся черные дыры, и необычные двойные системы, и одиночные компактные объекты, на которые падают астероиды. Не забыли, конечно, и инопланетян. «Все побывали тут», — сказал бы Михаил Юрьевич.

Но самые реалистичные модели были связаны с нейтронными звездами. Мы знаем, что эти объекты дают короткие радиоимпульсы. Мы знаем, что во вспышке нейтронные звезды могут за доли секунды выделять колоссальную энергию. Однако выбрать одну модель не получалось. И даже отбросить ряд моделей было непросто.

Появлялись новые данные наблюдений. За несколько лет было открыто около 30 источников (их каталог можно найти здесь). Для них измерялись различные параметры. Ввиду большой значимости проблемы статьи нередко публиковались в Science и Nature. Но ясности не было.

Важной вехой стало открытие источника FRB121102 — героя новой публикации. Это был первый всплеск, открытый на 300-метровой антенне в Аресибо (Пуэрто-Рико). Дальнейшие наблюдения показали, что от источника приходят новые всплески. Причем много — сотни! Стало ясно, что FRB — это не катастрофа. То есть, это не испарение черной дыры, не образование кварковой звезды, не какой-то вид сверхновой, не слияние нейтронных звезд и так далее. На первый план окончательно вышли модели с молодыми нейтронными звездами.

Участок неба, на котором зафиксировали FRB121102

Gemini Observatory/AURA/NSF/NRC

Наблюдения повторных всплесков, в том числе одновременно несколькими радиотелескопами, позволили очень точно определить координаты источника. Кроме того, был обнаружен постоянный радиоисточник, с ним связанный. В конце концов, смогли разглядеть и галактику, в которой источник расположен, а значит, стало возможным точное определение энергетики вспышек, так как теперь было известно точное расстояние. Оказалось, что объект находится в небольшой галактике с мощным звездообразованием. Молодые нейтронные звезды «любят» такие места.

И в модели молодого магнитара (в данном случае речь идет о выделении энергии магнитного поля), и в модели молодого мощного радиопульсара (который испускает энергию своего вращения) можно объяснить все основные свойства FRB121102. Новая статья, пожалуй, подтверждает это.

В ней авторы смогли узнать кое-что новое о среде вокруг источника. Они измерили линейную поляризацию радиоизлучения — она оказалось 100-процентной, — а также смогли определить так называемую меру вращения. При распространении в плазме с магнитным полем плоскость поляризации электромагнитной волны поворачивается. Чем больше поле и чем больше в плазме свободных электронов, тем заметнее эффект. У FRB121102 измерена очень большая мера вращения, выделяющая его на фоне известных пульсаров, магнитаров и других источников быстрых радиовсплесков, для которых была установлена эта величина. Данные говорят о том, что источник всплесков находится в довольно плотной среде со значительным магнитным полем.

С одной стороны, авторы обращают внимание на то, что такие условия мы наблюдаем в окрестности сверхмассивных черных дыр. С другой, аналогичные условия могут быть и в очень молодых остатках сверхновых в областях звездообразования. А значит, мы снова возвращаемся к тому, что источники быстрых радиовсплесков связаны с молодыми нейтронными звездами.

Важным предсказанием моделей молодых нейтронных звезд, окруженных плотной туманностью, является эволюция свойств туманности на временах порядка нескольких лет. Соответственно, дальнейшие наблюдения вскоре должны проверить это.

В такой модели высокая активность FRB121102 может объясняться особой молодостью объекта. Скажем, десятки лет против сотен или тысяч лет у других источников. Со временем темп расходования (диссипации) и вращательной, и магнитной энергии неизбежно падает, — что подтверждают и наблюдения радиопульсаров и магнитаров, и теоретические расчеты, — соответственно и время между повторными всплесками должно возрастать. Для типичного магнитара оно должно составлять десятки или даже сотни лет, а потому мы и не видим повторных всплесков от других известных источников.

Сейчас в строй введены (FAST, UTMOST, ASKAP) или вводятся (CHIME, а в будущем — SKA) новые радиотелескопы. Будем надеяться, что это даст новые важные результаты, которые позволят решить загадку быстрых радиовсплесков в ближайшие несколько лет.

https://nplus1.ru/blog/2018/01/10/about-fast-radio-bursts

Астрономы опубликовали результаты анализа данных наблюдений за магнитаром SGR 1935+2154, который породил первый известный быстрый радиовсплеск FRB 200428, возникший в пределах Млечного Пути. Ученые пришли к выводу, что магнитары действительно могут быть источником подобных всплесков, при этом излучение, скорее всего генерируется внутри магнитосферы нейтронной звезды. Статьи (1, 2, 3, 4, 5) опубликованы в журнале Nature.

Впервые быстрый радиовсплеск был зарегистрирован в 2007 году. Они представляют собой короткие, но крайне мощные радиоимпульсы. В дальнейшем стало ясно, что их источники имеют внеземную природу, их связывали с нейтронными звездами, блицарами, распадом аксионных мини-кластеров и даже другими цивилизациями. В 2018 году выяснилось, что повторяющиеся радиовсплески от источника FRB 121102 могли возникнуть в намагниченной среде вблизи вращающегося пульсара или черной дыры. Затем последовал ряд случаев отождествления источников повторяющихся всплесков, которые, в частности, находились в областях активного звездообразования в далеких галактиках или в массивных галактиках с умеренным темпом звездообразования.

До недавнего времени самым близким к Земле источником быстрых радиовсплесков считался FRB 180916.J0158+65, расположенный в спиральной галактике с красным смещением z = 0,0337. Однако 28 апреля 2020 года стало известно о регистрации радиовсплеска FRB 200428, морфология которого напоминала быстрый радиовсплеск, от магнитара SGR 1935+2154, находящегося в нашей Галактике, на расстоянии 30 тысяч световых лет от Солнца в созвездии Лисички. Примечательно, что радиовсплеск совпал с рентгеновской вспышкой магнитара.

Положение короткого радиовсплеска от магнитара на диаграмме «Поток излучения–расстояние до источника».The CHIME/FRB Collaboration / Nature, 2020

В серии новых работ астрономы представили результаты анализа данных, собранных как наземными, так и космическими обсерваториями, следившими за магнитаром в рентгеновском, радио- и гамма-диапазонах длин волн. Радиовсплеск FRB 200428 состоял из двух суб-всплесков, длившихся 0,58 и 0,33 миллисекунды и разделенных интервалом в 28,91 миллисекунды, при этом среднее значение потока излучения составило 1,5×106 Янских в миллисекунду. Энергия всплеска на частотах от 400 до 800 мегагерц составляет примерно 3×1034 эрг, что на три порядка выше, чем энергия миллисекундных радиовсплесков, которые ранее наблюдались от источника в Млечном Пути, однако меньше, чем энергия внегалактических быстрых радиовсплесков. Тем не менее, если бы подобный всплеск произошел в близкой к нам галактике, на расстоянии менее 12 мегапарсек, то он был бы неотличим от типичного быстрого радиовсплеска. Ученые отмечают, что подобные всплески не наблюдались у других известных магнитаров, а сам SGR 1935+2154 не обладает какими-то необычными характеристиками.

Схема двух возможных механизмов генерации быстрых радиовсплесков.Bing Zhang / Nature, 2020

Модели, в которых магнитары выступают как источники быстрых радиовсплесков, предполагают два сценария. В первом радиоимпульс генерируется внутри магнитосферы активного магнитара, во втором сценарии генерация электромагнитного излучения происходит в туманности, окружающей нейтронную звезду. В случае FRB 200428 ученые склоняются к первому сценарию, на это, по их мнению, указывают характеристики рентгеновской вспышки, произошедшей одновременно с радиовсплеском, а также редкость подобных событий.

Как отметил астрофизик Сергей Попов в беседе с N+1, недавно опубликованный препринт работы, посвященной исследованию повторяющихся радиовсплесков от источника FRB 180301, также говорит в пользу версии о том, что они генерируются внутри магнитосферы нейтронной звезды, а открытие FRB 200428 по праву может считаться главным астрономическим событием года.

Источник https://nplus1.ru/news/2020/11/04/magnetar-frb