סרגיי פופוב: "פרצי רדיו מהירים הם תעלומה חדשה בחלל"

מהן התפרצויות רדיו מהירות והאם הן קשורות למסרים של ציוויליזציות מחוץ לכדור הארץ? במה כוכב קווארק שונה מכוכב נויטרונים, ומדוע מחקר חורים לבנים עדיף על סיווג דרקונים? דיברנו על זה עם האסטרופיזיקאי המפורסם סרגיי פופוב.

סרגיי פופוב - אסטרופיזיקאי ופופולריסט של המדע, דוקטור למדעי הפיזיקה והמתמטיקה, חוקר מוביל במכון האסטרונומי הממלכתי על שם V. I. פ.ק שטרנברג. פרסם מעל 100 מאמרים מדעיים. תחומי עניין: כוכבי נויטרונים, חורים שחורים וכוכבי לכת. מחבר ספרי המדע הפופולרי "כוכבים: חיים לאחר המוות" (נכתב יחד עם מיכאיל פרוחורוב) ו"סופרובייקטים: כוכבים בגודל של עיר ".

סרגיי בוריסוביץ ', מהן פרצי רדיו קצרים ומה טיבם?

למעשה, תופעה זו מעניינת מכיוון שלא ברור מה היא. באסטרונומיה מתגלות מעת לעת תגליות בהירות ומסתוריות. אחד מאלה יכול להיחשב לגילוי התפרצויות קרני גמא בסוף שנות השישים. כאשר במשך כמעט שלושים שנה אנשים דנו במספר עצום של השערות ולא יכלו להגיע לדעה משותפת. עד שצצו נתוני תצפית חדשים. אנו מדברים על תגליות כאלה, שאם הציוד מאפשר, נוכל לצפות בכל יום ולצבור נתונים סטטיסטיים די גדולים, אך איננו יכולים להתקדם בהבנת טבעם. לכן דברים כאלה מסקרנים מאוד ומדרבנים את התפתחות המדע. והתפרצויות רדיו מהירות כיום הן רק דוגמה לאירועים מסוג זה.

אנו יכולים לומר כי תיאורטיקנים מתכנסים בכמה נקודות מבט. נראה כי התפרצויות רדיו מהירות קשורות לכוכבי נויטרונים, אך מצד שני, אם מחר יתברר שזה לא המקרה, זה לא יהיה הלם, מכיוון שמכלול ההשערות גדול מאוד וכולל מגוון סוגי אובייקטים.

באיזו תדירות מתרחשות התפרצויות רדיו כאלה?

כמעט כל פעם שאתה נושם. אם אתה מסתובב, אז בערך 10 אלף פעמים ביום (וכנראה שיש אפילו יותר פרצי רדיו חלשים). דבר נוסף הוא שקשה להם להתבונן, מכיוון שבטווח הרדיו אנו יכולים לצפות בכל פעם רק בחלקים קטנים מהשמיים. עד כה אין לנו טלסקופ רדיו כה רגיש בתדר של 1 גיגה -הרץ, בו זמנית היה מסתכל על חצי מהשמיים. אך כאשר מופיע טלסקופ כזה, נרשום מדי יום מאות ואלפי התפרצויות רדיו קצרות.

האם ההתפרצויות הללו דומות או שונות בדרך כלשהי?

שוב, איננו יודעים. באופן עקרוני, עצם הרעיון של "פרץ רדיו קצר" מרמז על דמיון של אירועים שונים. מצד שני, אנו יודעים עד כמה שונים כלבים מגזעים שונים. קח את יורקשייר טרייר ואת הדני הגדול. ואם נתחיל ללמוד בפירוט את הפרטים של כל פרץ, נראה שגם הם שונים זה מזה. לכן, כעת יהיה קל יותר לכולם אם יתברר כי מספר השערות נכונות בבת אחת והמגוון הנצפה של התפרצויות רדיו מוסבר מכמה סיבות. אך גישה זו אינה פופולרית במיוחד בקרב מדענים.

מצד אחד, גישה זו אינה כלכלית: המדע מנסה לתאר הכל בצורה הלקונית ביותר. אך מצד שני, נתוני תצפית ממקורות נחקרים מעידים לעתים ברצינות רבה בעד השערה אחת להתפרצות אחת, ובעד השערה אחרת לשניה. ולכן, במאמרים, אנו רואים יותר ויותר את המשפט שאולי ישנן לפחות שתי אוכלוסיות של פרצי רדיו מהירים בעלי אופי שונה.יתר על כן, טבע זה באמת יכול להיות שונה לחלוטין. לדוגמה, התפרצויות כאלה יכולות להיווצר על ידי כוכבי נייטרונים בודדים, שיכולים להתלקח בשקט פעמים רבות במהלך חייהם, ומיזוג כוכבי נויטרונים הוא תהליך קטסטרופלי עם שחרור אנרגיה רב עוצמה, שיכול להתרחש רק פעם אחת בחיים של כוכב נויטרונים.

האם ההשערה לפיה התפרצויות רדיו מהירות הן "שליחים" של ציביליזציות מחוץ לכדור הארץ יכולה להיחשב סבירה?

ממש בתחילת המחקר על פרצי רדיו מהירים, אולי מישהו יכול היה לדון בהשערה דומה. אבל אפילו כמות ההתפרצויות ברדיו פועלת נגדה. מוזר מאוד להניח שהיקום משובץ באיזה משדרי רדיו רבי עוצמה, שמסיבה לא ידועה משדרים אותות קצרים שאינם תקופתיים. לכן, עכשיו, כמובן, מעטים האנשים שחושבים על זה. לפני כמה שנים, יכולתי להציע שמישהו מהיכרות מדע בדיוני צריך לקחת דבר כזה כבסיס לעלילה. עכשיו - בקושי. באופן עקרוני, מכיוון שכבר מדברים על גברים קטנים, כמה עקבות של אינטליגנציה מחוץ לכדור הארץ יתגלו בעתיד בצורה זו - במקרה, כתוצאה מתצפיות אסטרונומיות.

מהן ההשערות המסבירות את מהותן של פרצי רדיו מהירים?

מכיוון שאנו זקוקים לאותות קצרים, עדיף להתחיל ממקורות, ראשית, קטנים, ושנית, אלה שאנו יודעים עליהם שהם פולטים בתחום תדרי הרדיו. הדבר הראשון שעולה בראש בעניין זה הוא כוכבי נויטרונים. הם קטנים, כך שהם יכולים לתת אות רדיו פועם קצר מאוד, וזה מה שנצפה. לכן, ישנם מספר עצום של גרסאות של השערות הקשורות לסוג כזה או אחר של כוכבי נויטרונים. כולם מכסים מגוון עצום של שחרור אנרגיה, טווח עצום של מרחקים למקורות.

מבחינה היסטורית, ההשערה הראשונה הועלתה על ידי האסטרופיזיקאי קונסטנטין פוסטנוב ואותי כי התפרצויות רדיו קצרות הן התלקחויות של מגנטים. מגנטים הם כוכבי נויטרונים בעלי שדות מגנטיים חזקים מאוד. הם מפיצים התפרצויות רנטגן גמא רבות. ואם חלק מהאנרגיה הזו תעובד לרדיו, אז נקבל בדיוק את מה שאנחנו צריכים. גרסה נוספת של השערה מוקדמת מאוד קשורה למיזוג כוכבי נויטרונים. זהו אחד התהליכים החזקים ביותר המתרחשים כיום ביקום. אנו מצפים לגלות אות גל כבידה מאירועים כאלה ממש השנה. ממיזוג של שני כוכבי נויטרונים צפו פליטת רדיו, אך לא פרצים קצרים. וכאשר התגלו פרצי רדיו מהירים, הם החלו לחקור כיצד לבצע פרץ קצר, וכמובן, הם מצאו זאת.

לבסוף, השלישית, ההשערה העיקרית הקשורה לכוכבי נויטרונים, היא שיכולים להיות פולסרים צעירים מאוד עם שחרור אנרגיה חזק מאוד, שלפעמים, למשל, פעם ביום, יכולים לייצר פרץ רדיו חזק מאוד עם שטף לכל היותר. גדול פי מאה אלף מכוכבי הניוטרונים שאנו מכירים. כנראה, שלוש ההשערות הללו הן הפופולריות ביותר כיום.

מצד שני, מספרם עלה על עשרים. מעניינת, למשל, ההשערה שכוכב נויטרונים יכול להפוך לכוכב קווארק. המשמעות היא שמעבר פאזה יתרחש, והקווארקים הנלכדים בפרוטונים, נויטרונים וחלקיקים אחרים יהפכו לחופשיים. יופיע חומר שאינו מורכב מחלקיקים בודדים, כגון פרוטונים וניוטרונים, אלא מקוורקים חופשיים. זהו למעשה מצב חדש, מעניין מאוד. וכאשר כוכב אחד הופך לכוכב אחר, תכונותיו משתנות, הדבר יכול גם ליצור פרץ רדיו חזק.

ומה יהיו המאפיינים של כוכב כזה?

כלפי חוץ הוא יהיה דומה מאוד לכוכב נויטרונים, אך באותה מסה הוא יהיה מעט קטן יותר. במרכזו תהיה צפיפות רבה יותר, כמובן שכל המבנה הפנימי ישתנה, הוא יהפוך לפשוט יותר. כוכב קווארק יסתובב כמו כוכב נויטרונים, אך עם משרעת נמוכה יותר.

מצד שני, ישנן גרסאות רבות של השערות עם חורים שחורים.חור שחור הוא גם אובייקט קומפקטי, כך שהוא יכול גם לפלוט פרצי רדיו קצרים. אבל כאן חשוב שאנשים לא יתבלבלו: חורים שחורים גדולים מכוכבי נויטרונים, הם פשוט כבדים יותר. חור שחור טיפוסי בעל מסה של 10 מסות שמש, כך שגודל האופק שלו הוא 30 ק"מ. לכוכב נויטרונים ממוצע יש מסה של 1.5 מסות שמש ורדיוס של 10-15 ק"מ.

אבל חורים שחורים נקראים שחורים מסיבה מסוימת: קשה לדמיין כיצד הם יכולים להתלקח. למרות שיש גם השערות לגבי זה, הן מבוססות על אקזוטיות, גדולות בסטנדרטים אסטרופיזיים. החור השחור צריך להיות טעון חשמלית. סביר להניח שזה לא קורה בטבע. אבל אם יש חומר סביב החור השחור, אז אולי יש התלקחויות. או שהתפרצות כזו עלולה להתרחש כאשר חור שחור מתאדה. כאשר בשנות השבעים ניסו אנשים לזהות חורים שחורים מתאדים, הם ציפו לראות אותם בהבזקים קצרים, כולל בטווח הרדיו. ובשנת 2012, כאשר פורסמו הנתונים על פרץ הרדיו המהיר השני, כותבי המאמר, שדיברו על מהותו, רק הציגו את השערת ההתאדות של חורים שחורים.

ישנן גם השערות אקזוטיות למדי של מקור התפרצויות רדיו מהירות. לדוגמה, קשור לחומר אפל. אחד המועמדים לתפקידו הם axions - חלקיקים מעניינים מאוד שמחפשים באופן פעיל כיום. חלקיקים אלה יכולים לקיים אינטראקציה עם שדה מגנטי ולהפוך לפוטונים. בהתאם לכך, אם ענן של חלקיקים כאלה יטוס לתוך המגנוספירה של כוכב נויטרונים, אז חלק מהחלקיקים יהפכו לפוטונים ואולי יתנו הבזק רדיו. כלומר, מצד אחד לא נוכל להסתדר שוב בלי כוכב נויטרונים, מצד שני חלקיקים אקזוטיים כאלה הם הבסיס. ישנן השערות המקשרות התפרצויות רדיו עם מיתרים קוסמיים, עם נפילת אסטרואידים על כוכבי נויטרונים, עם מיזוג של גמדים לבנים.

המדע מאוד שמרני בצורה ידידותית. כדי לפרסם השערה, אתה צריך לפתור אותה די טוב, ואחרי שגילית אותה, יש לך סיבה טובה להציע השערות. הסבר של כמה תופעות חדשות על ידי דברים אקזוטיים מאפשר לתת לגיטימציה לפרסום השערות אלה גם ללא מחקר מפורט במיוחד. לדוגמה, הודות לתרבות הפופ, כולם יודעים לא רק על תורת המיתרים, אלא גם על המתחרה העיקרי שלה - תורת הכבידה הקוונטית של הלולאה. בתיאוריה זו, חורים שחורים מתאדים בצורה שונה מאשר ביחסות הכללית.

השלבים האחרונים בתהליך זה שונים. כי בתיאוריה של כוח הכבידה הקוונטי של הלולאה, בשלב האחרון אין לך רק חור שחור קטן, אלא חור שחור, שממנו לולאות כבידה קוונטיות מתחילות לזחול החוצה - הוא הופך לחור לבן. לכן אפשר לומר שאם נגלה תהליך זה (אולי על ידי לימוד ישיר של פרצי רדיו מהירים), נוכל לקבוע את נכונותה של תורת הכבידה כזו או אחרת. סביר להניח שזה לא קשור להתפרצויות של ממש, אך עם זאת, כל זה מאוד מעניין ותורם להתפתחות המדע.

מכיוון שהזכרת חורים לבנים, ספר לנו עליהם

קל יותר לזהות חורים לבנים דרך שחורים. חור שחור הוא אזור בחלל שממנו לא מובילים מסלולים החוצה, שממנו לא יכול לברוח כל דבר, אפילו לא אור. עם חור לבן, הכל בדיוק ההפך: כל המסלולים מובילים רק ממנו. כיצד הם יכולים להתקיים בטבע לא ברור במיוחד, למעט אירועים קצרים כמו השלב האחרון של אידוי חור שחור במודל הכובד הקוונטי של הלולאה. בגדול, חורים לבנים קיימים כמעין פתרון במסגרת היחסות הכללית. כל הניסיונות לחפש אותם לא הובילו לשום מקום, ואם זה אובייקט גדול, זה חייב להיות מורגש מאוד, כמו הגרעין הפעיל של הגלקסיה. אבל שוב, החיפוש אחריהם לא צלח, ואין מודלים מציאותיים כיצד ליצור אותם בעולם האמיתי.לכן, חורים לבנים הם עורבים לבנים כאלה, במובן מסוים, "מנודים". ואם אדם עוסק בחורים שחורים, אז הוא עושה משהו אמיתי ומעניין, ואם לבן, אז זה כמובן עדיף מאשר להתמודד עם סיווג הדרקונים, אבל אנשים רבים תופסים אותו דבר.

נחזור לפרצי רדיו קצרים. האם ישנן השערות אחרות להתרחשותן?

יש גם מנגנון להפוך כוכב נויטרונים לחור שחור. הוא נחשב גם כמועמד לתפקיד מקור להתפרצויות רדיו מהירות. כאשר כוכב נויטרונים קורס לתוך חור שחור, כל המגנטוספירה וזרמי החלקיקים שלו נפלטים לחלל. כתוצאה מכך, אנו מקבלים אות רדיו קצר.

אבל הבעיות של השערות רבות אינן אפילו שהן אקזוטיות מאוד, אלא שהאירועים שהם מתארים אינן מתרחשות כל כך הרבה ביקום ואינן נתקלות כלל בכל שלב. ויש הרבה התפרצויות. לכן, כפי שכבר אמרנו, אוכלוסיית ההתפרצויות יכולה להיות מורכבת. נגיד, 10% מהפרצים נותנים לנו מיזוג של כוכבי נויטרונים, 10% - קריסת כוכב נויטרונים לחור שחור, ועוד 40% - פולסארים ומגנטרים של רדיו. כלומר, אולי זהו סוג של "סלט" מורכב מאוד של מרכיבים שונים בפרופורציות שונות.

מה צריך כדי להגיע לתחתית האמת?

כולם מחכים לסוג של התבוננות ביקורתית וסתם סטטיסטיקות גדולות על פרצי רדיו. והנה כל התקוות הן לטלסקופים רדיו חדשים. אחד מהם כבר נוצר - טלסקופ UTMOST. עוד אחד בדרך הוא טלסקופ CHIME. והשנה אנו מצפים לטלסקופ סיני גדול בקוטר המראה של 500 מטרים - טלסקופ חמישה מטרים רדודים (FAST). הודות לכלים אלה, אנו מקווים, הסטטיסטיקה של התפרצויות רדיו מהירות תגדל מאוד, ואולי זה יאפשר לנו לבחור השערה אחת. נכון, אם נזכור כיצד נוצרה ההשערה של התפרצויות קרני גמא, הרי שמספר ההתפרצויות שם לא עזר, היה צורך לראות אותן בטווחים שונים. עד כה, התפרצויות רדיו קצרות נראות רק בטווח הרדיו. אז יהיה נהדר לראות את ההבזקים האלה בדרך אחרת.

כיצד התגלו פרצי רדיו קצרים בכלל?

קשה מאוד לזהות אותם בטווח הרדיו, כי יש הרבה רעש: כמה מתקנים טכניים עובדים על כדור הארץ, ברקים, משהו קורה כל הזמן במגנטוספירה. לכן, על מנת ללמוד "לראות" פרצי רדיו קצרים, פשוט נדרשה התקדמות טכנית. הוא הגיע לרמה הנדרשת בתחילת המאה ה -21. הדבר הראשון שנעשה היה גילוי סוג חדש של התפרצויות מכוכבי נויטרונים, מה שנקרא חולף רדיו מסתובב - RRATs. לאחר מכן, נעשה שימוש קבוע בטלסקופ פארקס טכנולוגיה דומה לחיפוש פרצי רדיו. ויום אחד, ממש במקרה, נרשמה פרץ רדיו קצר. במבט מאיפה הוא לא מצא שום דבר מעניין. צפיתי עדיין ולא ראיתי חזרות. התברר כי מדובר בתופעה חדשה לגמרי.

כתבה בנושא הופיעה בשנת 2007, והנחשול עצמו נרשם בשנת 2001. אבל אז רק מעטים התעניינו בכך, כולל פרסמנו את המודל שלנו. אבל שש שנים מאוחר יותר, בשנת 2013, הופיע מאמר שבו התגלו ארבע התפרצויות בבת אחת. ומאז יולי 2013 מתחילה היסטוריה סוערת של הקלטת פרצי רדיו קצרים. עד כה מוקדשים להם מאות רבות של מאמרים, הממשיכים להופיע מדי שבוע, אפילו כמעט מדי יום. לכן, הייתי אומר שהיום זהו אחד משיעורי הפרסום הגבוהים ביותר לנושא כל כך נפרד. זה מובן: התפרצויות רדיו מהירות הן תעלומה חדשה בחלל. וכל זה הוא סיפור רענן מאוד המתרחש לנגד עינינו.

מה ניתן לומר על היתרונות הפרקטיים של לימוד פרצי רדיו קצרים?

כמו תמיד, די קשה לחזות כאן משהו. למשל, בשנת 1963, כאשר זוהו קוואזרים (והם התגלו עוד קודם לכן), כמעט אף אחד לא היה אומר שבעוד כמה עשורים מערכת ההתמצאות כולה תתבסס עליהם (בלי לדעת זאת, בחיים אנו מונחים על ידיהם).לכן, מדוע יש צורך בהתפרצויות רדיו מהירות, איננו יודעים, ולו רק משום שטבעם אינו ידוע.

כאן תוכל לצייר אנלוגיה לפיצוצים גרעיניים תת קרקעיים, שממנו היו יתרונות גדולים מאוד למדע. אחרי הכל, מהו פיצוץ גרעיני תת קרקעי? זהו שחרור אנרגיה קצר מאוד בנקודה ידועה שממנה פועל גל סיסמי על פני כדור הארץ. הודות לכך תוכלו לחקור את פנים כדור הארץ.

פרצי רדיו קצרים, אם הם מתרחשים במרחק מיליארדי שנות אור, זורחים דרך היקום כולו. לכן, זהו כלי רב עוצמה ללימודו; הם יידרשו לבדיקת חוקי יסוד רבים. ואם עדיין ניתן לראות אותם בטווח הגאמא, זה יהיה פשוט אירוע מדהים. לדוגמה, מודלים רבים מנבאים שמהירות האור באורכי גל שונים בחלל ריק היא שונה. ובהתאם, אם יש לנו סמן כל כך קצר בטווח הרדיו והגמא, בשתי נקודות הקיצון של הספקטרום המגנטי של הרדיו, זו תהיה הדרך הטובה ביותר לבדוק את הדגמים האלה.

המאמר פורסם ב- Naked Science # 26.