Что такое сцинтилляция пульсаров и как она помогает астрономам?
Звёздное мерцание знакомо каждому: в ясную ночь огоньки на небе переливаются из-за неоднородностей земной атмосферы. Но то же самое явление происходит и в радиодиапазоне, только там его вызывают не воздушные потоки, а разреженный газ между звёздами. Международная группа астрономов под руководством Тима Шпренгера из Института радиоастрономии Макса Планка (MPIfR) впервые смогла напрямую измерить это мерцание у пульсара — и получила нечто неожиданное. Вместо привычного размытого пятна телескопы зафиксировали чёткую линию, указывающую на упорядоченные структуры в межзвёздной среде. Результаты исследования опубликованы в журнале Astronomy & Astrophysics.
Мерцание, которое не видно глазом
Оптическое мерцание — следствие турбулентности атмосферы. Радиоволны от пульсаров проходят сквозь воздух почти без помех, но зато рассеиваются на неоднородностях межзвёздного газа. Этот эффект называют сцинтилляцией, и он проявляется только у точечных источников. Именно поэтому планеты не мерцают, а далёкие звёзды — да. В радиоспектре идеальными точечными объектами служат пульсары — нейтронные звёзды, сжатые до размеров города, но несущие массу целого светила. Их импульсы флуктуируют по яркости, а положение на небе кажется размытым. До сих пор лишь для одного пульсара удавалось напрямую увидеть искажение, вызванное сцинтилляцией. Теперь к нему добавился второй.
Линия вместо диска
Объектом изучения стал пульсар PSR B1508+55, расположенный в созвездии Дракона на расстоянии около 7000 световых лет от Земли. На длительной выдержке он превратился не в размытое пятно, а в вытянутую линию. «Обычно предполагается, что случайные флуктуации плотности межзвёздной среды размазывают пульсар в диск, — поясняет Тим Шпренгер. — Но в данном случае среда формирует упорядоченные структуры с предпочтительной ориентацией». Речь может идти о параллельных волокнах или тонких изогнутых слоях. Пока астрономы не знают точной геометрии этих образований: масштаб рассеяния слишком мал, чтобы разглядеть детали. Особый интерес вызывают мелкие неоднородности на фоне почти прямой линии.
«Наблюдать контраст между основным линейным изображением и его сложными отклонениями захватывает. Это заставляет задуматься: какие микроскопические структуры их создали — структуры, ускользающие от нашей нынешней картины межзвёздной среды?» — задаётся вопросом соавтор работы Сюнь Ши из Юньнаньского университета (Китай).
Модельные расчёты позволили определить, что облако, вызвавшее сцинтилляцию, находится примерно в 430 световых годах от Солнца.
Хитрость с движением Земли
Сдвиги изображения из-за сцинтилляции настолько малы, что их не может разрешить ни один отдельный радиотелескоп. Поэтому команда применила необычную методику, используя два самых мощных инструмента планеты: 100-метровый радиотелескоп Эффельсберг в Германии и 500-метровый сферический телескоп FAST в Китае. Благодаря вращению Земли, когда оба телескопа одновременно нацелены на PSR B1508+55, их положение относительно источника непрерывно меняется. В течение суток то один, то другой инструмент оказывается повёрнутым по направлению движения планеты — и регистрирует одно и то же мерцание в разное время. Из этой разницы и вычисляется изображение. Соавтор Олаф Вукниц подчёркивает: «Использовав большое расстояние между телескопами и движение Земли, мы достигли разрешения, недоступного ни для какой другой методики в наблюдаемом диапазоне частот». Обычно подобную чёткость получают, объединяя множество телескопов по всему миру в виртуальный инструмент — это сложно и требует долгой корреляции данных. Новый же подход работает с локальными наборами данных, которые обрабатываются на обычных ноутбуках.
Два телескопа — лучше, чем один
Майкл Крамер, исполнительный директор MPIfR, отмечает: FAST — самый чувствительный телескоп из существующих, но его сила раскрывается в паре. «Эта красивая работа показывает, на что способны два мощнейших прибора, действуя сообща. Оба телескопа великолепны, но их редкая комбинация гораздо лучше». Успех эксперимента уже породил планы наблюдений других пульсаров. Каждый новый объект может пролить свет на невидимые структуры межзвёздной среды — те самые волокна, слои и неоднородности, которые пока ускользают от прямого взгляда.
Техника, опробованная на PSR B1508+55, открывает путь к картированию разреженного газа без необходимости строить дорогие интерферометры. Остаётся главный вопрос: что представляют собой эти упорядоченные нити, пронизывающие космос на сотни световых лет, и как они влияют на движение радиоволн и, возможно, на эволюцию галактик? Ответы — в мерцании следующих пульсаров.
