Астрономы приняли радиовсплеск, прошедший по пути к Земле через другую галактику, что позволило определить характеристики её гало.

Рассматривая галактики в телескоп, астрономы видят множество ярко светящихся звёзд. Однако в них содержится далеко не всё вещество. Галактики окружает огромное гало, которое простирается далеко за пределы светящейся её части, где сосредоточены звезды. Звёздная часть массивной галактики может иметь размеры в десятки тысяч световых лет (диаметр нашего Млечного пути около 100 000 световых лет), а почти сферическое гало примерно в десять раз больше.

Рисунок художника представляет путь быстрого радиовсплеска FRB 181112 от далекой галактики, в которой он возник, к Земле.

Гало галактики содержит как темную материю, так и обычную «барионную» материю, которая представляет собой в основном горячий ионизированный газ низкой плотности. Хотя этот газ имеет массу даже больше, чем все звезды галактики, его почти невозможно увидеть и изучить. А ведь этот газ не только обладает массой, влияющей на поведение галактики, но и служит резервуаром вещества для процессов звёздообразования. Некоторые процессы внутри галактик (взрывы сверхновых, «ветер» от сверхмассивных чёрных дыр) способны наоборот, выбрасывать вещество в гало, останавливая процесс звездообразования. Так что изучение гало могло бы помочь астрономам лучше понять все эти процессы.

Недавно астрономам повезло. В ноябре 2018 года радиотелескоп ASKAP (Australian Square Kilometre Array Pathfinder) в Австралии зарегистрировал так называемый быстрый радиовсплеск, получивший обозначение FRB 181112. Эти короткие, длительностью несколько миллисекунд, радиоимпульсы, принимаемые телескопами, очень интересуют астрофизиков, поскольку по оценкам типичная энергия радиовсплесков равна энергии, излучаемой Солнцем в течение нескольких десятков тысяч лет. Они пока не знают, что вызывает быстрые радиовсплески, и лишь недавно сумели проследить возникновение нескольких очень быстрых и очень ярких радиосигналов в галактиках.

Хотя сам сигнал всплеска принимают радиотелескопы, оптические телескопы тоже играют в исследованиях важную роль – они позволяют определить факт прохождения всплеска через какие-либо галактики и расстояние до них.

В этот раз после сообщения ASKAP немедленно последовали оптические наблюдения на Очень Большом Телескопе ESO (VLT) и других телескопах, которые не только установили галактику, породившую всплеск, но и показали, что принятые радиоимпульсы на пути к Земле прошли сквозь гало другой массивной галактики. Это обстоятельство позволило астрономам при помощи анализа радиосигнала исследовать природу газа в гало. Впервые они получили возможность прямого зондирования обычно невидимого вещества, окружающего галактику. Можно сказать, что астрономы использовали одну загадку для исследования другой.

Сигнал FRB 181112 общей длительностью менее миллисекунды состоял из нескольких импульсов длительностью менее 40 микросекунд (миллионных долей секунды). Такая малая продолжительность импульсов позволила астрономам оценить максимальную плотность газа в гало, так как прохождение сквозь более плотную среду растянуло бы радиосигнал во времени. Исследователи рассчитали, что плотность газа в гало должна быть менее 0.1 атома на кубический сантиметр. Это соответствует нескольким сотням атомов в объеме детского воздушного шарика.

Плотность в свою очередь накладывает ограничения и на степень турбулентности или количество облаков холодного газа в гало. Здесь слово «холодный» имеет относительное значение: оно означает температуры около 10 000°C, что немного по сравнению с температурой горячего газа в гало, достигающей примерно 1 миллиона градусов.

Кроме того, гало в этой галактике оказалось неожиданно спокойным. Турбулентные облака, небольшие плотные скопления газа и даже его «дрожание» подобно воздуху в жаркий солнечный день в протяженном гало должны были бы деформировать сигнал быстрого радиовсплеска. Но вместо этого астрономы приняли столь неискаженный и четкий импульс, что в нем вообще нет никаких признаков прохождения сквозь газ. Это резко противоречит модельным предсказаниям, сделанным ранее. Одна из «любимых» моделей астрофизиков как раз заключается в том, что гало пронизано облаками комковатого газа.

Быстрый радиовсплеск также позволил получить информацию о магнитном поле гало, которое оказалось очень слабым – в миллиард раз слабее магнита на вашем холодильнике.

По результатам наблюдения лишь одного галактического гало астрономы не могут сказать, насколько найденные низкие плотность и магнитное поле гало типичны для галактик. Возможно, это просто необычная галактика, а может быть, предыдущие исследования дали  завышенные оценки этих параметров.

В любом случае астрономы получили новый метод изучения природы «неуловимых» галактических гало, который будет применён при наблюдениях гало в других галактиках.

Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

По материалам ESO