Быстрые радиовсплески (Fast Radio Bursts, FRB) представляют собой одно из самых загадочных явлений, с которыми сталкиваются учёные. Эти кратковременные события — по сути, вспышки излучения в радиодиапазоне, длящиеся от миллисекунд до нескольких секунд. В большинстве случаев сигнал приходит лишь однажды и больше не повторяется, однако существуют и редкие повторяющиеся FRB, когда источник испускает несколько всплесков. Среди возможных причин их возникновения рассматриваются быстро вращающиеся магнитары, слияния чёрных дыр и нейтронных звёзд, взаимодействия в двойных системах и другие сценарии.
Независимо от природы этих событий, астрономы нашли им практическое применение: FRB помогают исследовать космос в поисках материи, которая иначе ускользает от обнаружения, проверять фундаментальные физические теории, а также искать неуловимые тёмную материю и тёмную энергию. Согласно новому исследованию под руководством Калифорнийского технологического института (Caltech), быстрые радиовсплески способны также помочь в картировании распределения материи в крупномасштабных космических структурах. Это даст дополнительные ключи к пониманию эволюции Вселенной.
Хотя FRB — чрезвычайно короткие события, их свет преодолевает миллиарды световых лет на пути к Земле, проходя сквозь туман из газа, пыли и другого вещества. Чем плотнее этот туман, тем сильнее рассеивается сигнал. Именно дисперсия делает быстрые радиовсплески эффективным инструментом для отслеживания распределения барионной (то есть «обычной» или светящейся) материи и того, как и где она скапливается.
Исследование возглавила Критти Шарма, аспирантка, работающая с Викрамом Рави, профессором астрономии в Центре астрономии и астрофизики Кэхилла при Caltech. Результаты, описанные в статье в журнале Nature Astronomy, демонстрируют, как измерения FRB могут помочь решить некоторые из главных загадок, стоящих перед астрономами и космологами. Речь идёт о тёмной материи, тёмной энергии и нейтрино — все они, согласно предсказаниям, влияют на то, как материя собирается в сгустки.
Учёные предполагают, что в очень ранней Вселенной тёмная материя образовала массивные гало, которые захватывали космический газ в плотные концентрации, запуская рождение первых звёзд и зародышей сверхмассивных чёрных дыр. Так возникли первые галактики, которые сформировали крупномасштабные структуры, начавшие раздвигаться под действием тёмной энергии. Чтобы лучше понять эти процессы, исследователи проводят масштабные обзоры неба для измерения скучивания материи. На эволюцию галактик влияют и механизмы обратной связи: например, звёзды испускают постоянные потоки заряженных частиц, которые давят на межзвёздную среду, сверхновые возмущают окружение мощными ударными волнами, а сверхмассивные чёрные дыры, поглощая вещество, порождают сильные «ветры», подавляющие звездообразование в галактических дисках. Эти процессы также меняют степень скучивания материи, мешая точно измерять её распределение и космологические эффекты.
Как отметил Рави, обратная связь разжижает газ вокруг галактик, перераспределяя материю на огромные расстояния. Она сглаживает сгустки вещества так, что это удивительно напоминает эффекты массивных нейтрино или предсказания теорий тёмной энергии и тёмной материи. Пока учёные не смогут независимо измерить вклад обратной связи, им не удастся различить эти эффекты. Основываясь на анализе 114 быстрых радиовсплесков, Рави и его коллеги провели первое исследование, напрямую измерившее влияние обратной связи на крупномасштабные области вокруг галактик. Результаты показали, что газ, выброшенный галактиками, сглаживает материю в межгалактической среде в степени, сопоставимой (хотя и несколько меньшей) с данными рентгеновских и микроволновых обзоров, выполненных рентгеновским телескопом eROSITA и Атакамским космологическим телескопом. Эти выводы особенно обнадёживают, поскольку основаны всего на выборке из 100 FRB. С учётом того, что такие обсерватории, как Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME), регистрируют тысячи быстрых радиовсплесков, потенциал использования FRB в качестве космологического измерительного инструмента весьма велик. Аналогично, Deep Synoptic Array (DSA) от Caltech, где Рави является со-руководителем проекта, после завершения (запланировано на 2029 год) должен обнаруживать десятки тысяч FRB. Эти данные дополнят результаты миссии Euclid Европейского космического агентства, спектроскопического инструмента Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), обсерватории имени Веры Рубин и космического телескопа Nancy Grace Roman. Объединённые измерения значительно улучшат наши представления о Вселенной и, возможно, позволят окончательно разрешить загадки тёмной материи и тёмной энергии.