Загадочный радиосигнал позволил исследовать «невидимую» материю галактики

Одна космическая тайна помогла приблизиться к разгадке другой.

Анализ загадочного радиосигнала, пришедшего к нам от далекого источника, позволил раскрыть свойства «невидимой» материи в гало массивной галактики, оказавшейся на его пути, которые не совпали с теоретическими предсказаниями. Результаты наблюдений и выводы ученых представлены в журнале Science.

«Быстрый радиовсплеск обнажил природу магнитного поля вокруг галактики, находящейся примерно в 4 миллиардах световых лет от нас, а также раскрыл структуру газа в ее гало, которое практически невозможно увидеть в телескоп», – рассказывает Ксавье Прочаска, ведущий автор исследования из Калифорнийского университета в Санта-Крузе (США).

Астрономы до сих пор не знают, какие процессы порождают быстрые радиовсплески, которые представляют собой единичные и, гораздо реже, повторяющиеся импульсы неизвестной природы длительностью несколько миллисекунд. Лишь недавно ученым удалось проследить некоторые из сигналов до их родных галактик. Одним из них является быстрый радиовсплеск FRB 181112, зарегистрированный в ноябре 2018 года австралийским комплексом радиоантенн «Australian Square Kilometre Array Pathfinder» (ASKAP), последующие наблюдения которого с другими телескопами позволили охарактеризовать не только его «хозяйку», но и яркую галактику между ней и Землей.

«Когда мы наложили радио и оптические изображения, мы сразу увидели, что быстрый радиовсплеск пронзил по пути к нам гало массивной галактики, впервые предоставив прямой способ исследовать иначе невидимую материю, окружающую этот звездный мегаполис», – пояснила Шери Дей, соавтор исследования из Технологического университета Суинберна (Австралия).

Снимок галактики-хозяйки FRB 181112 (обозначена эллипсом) и промежуточной галактики, полученный на Очень Большом Телескопе Европейской южной обсерватории. Credit: ESO

Согласно текущим представлениям, галактики окружены огромными сферическими ореолами газа низкой плотности, простирающимися далеко за пределы их видимой светящейся части, где сосредоточены звезды. И, хотя этот горячий диффузный газ составляет большую часть массы галактик, за исключением темной материи, его почти невозможно увидеть, поэтому прохождение радиовсплеска через эту область стало счастливой случайностью и позволило астрономам впервые получить представление о свойствах материи в гало.

«Падение газа из гало на галактику способствует образованию звезд, в то время как другие процессы, такие как взрывы сверхновых, наоборот замедляют этот механизм, когда выбрасывают материал из областей звездообразования. Газовый ореол является «летописью» этих процессов, поэтому наша работа и будущие аналогичные помогут проверить теории выброса вещества из галактик и пронизывающих их магнитных полей», – добавил Ксавье Прочаска.

Ученые отмечают, что вопреки ожиданиям результаты исследования указывают на очень низкую плотность и слабое магнитное поле в гало промежуточной галактики. Ее ореол оказался удивительно спокойным местом, а радиосигнал дошел до нас практически «невозмущенным», что резко контрастирует с текущими моделями этих областей.

Сигнал FRB 181112 состоял из нескольких импульсов, каждый продолжительностью менее 40 микросекунд. Эта короткая длительность наложила верхний предел на плотность газа в гало, поскольку прохождение через более плотную среду «растянуло» бы радиосигналы. Исследователи рассчитали, что плотность вещества в окружении промежуточной галактики составляет менее одной десятой части атома на кубический сантиметр.

«Одной из предпочтительных моделей является то, что гало пронизано облаками комковатого газа. Однако мы не нашли этому никаких доказательств, так как непостоянная среда должна была исказить сигнал. Вместо этого мы получили импульс настолько чистый и резкий, что в нем вообще не прослеживаются следы газа», – сказал Жан-Пьер Маккварт, соавтор исследования из Международного центра радиоастрономических исследований при Университете Кертина (Австралия).

FRB 181112 также предоставил информацию о магнитном поле в гало, которое влияет на поляризацию радиоволн. Оно оказалось в миллиард раз слабее магнитного поля холодильника.

Художественное представление гало темной материи, окружающего Млечный Путь. Credit: L. Calcada/ESO

На данный момент, имея информацию только об одном галактического гало, астрономы не могут точно сказать, являются ли неожиданно низкая плотность и напряженность магнитного поля необычными и предыдущие исследования переоценили эти свойства, или же эта галактика особенная.

«Чтобы ответить на этот вопрос, нам необходимо с помощью быстрых радиовсплесков изучить десятки или сотни ореолов галактик различных масс и возрастов, что позволит создать полную картину этих таинственных невидимых областей», – заключил Ксавье Прочаска. Oтсюда