Физики проанализировали спектр повторяющегося быстрого радиовсплеска FRB 121102 и выделили в нем периодическую структуру из пиков, находящихся на расстоянии около 100 мегагерц друг от друга. Ученые объяснили эту спектральную особенность дифракционным линзированием и предложили два возможных механизма образования пиков. Согласно расчетам, к появлению периодической структуры могли привести объект с массой порядка 0,1 процента от солнечной или облако плазмы, с которыми провзаимодействовало излучение FRB на пути к Земле. Препринт работы представлен на arXiv.org.
Быстрые радиовсплески (Fast Radio Bursts, FRB) — это вспышки длинноволнового электромагнитного излучения типичной продолжительностью порядка миллисекунд. На сегодняшний день известно свыше сотни таких событий, некоторые из которых оказались повторяющимися, однако природа всплесков до конца не ясна: существует множество теоретических моделей, не имеющих надежных наблюдательных подтверждений (подробнее об этом можно узнать в материале «Что такое быстрые радиовсплески»).
Локализация нескольких FRB говорит о том, что их излучение преодолевает межгалактические расстояния — и, тем самым, дает возможность изучать недоступные для прямого наблюдения объекты и среды, которые встретились на его пути, по особенностям зарегистрированного сигнала.
Дмитрий Левков, Игорь Ткачев и Александр Панин из Института ядерных исследований РАН обратились к архивным наблюдениям первого из известных повторяющихся быстрых радиовсплесков FRB 121102, который локализован в карликовой галактике на красном смещении 0,19. Его излучение в полосе частот 4–8 гигагерц (то есть на длинах волн примерно 3,8–7,5 сантиметра) 26 августа 2017 года регистрировал радиотелескоп Грин-Бэнк в штате Западная Виргиния, записав за первый час шестичасовой сессии в общей сложности 18 вспышек.
Чтобы подавить шум, авторы сглаживали интегралом с гауссовой функцией частотную зависимость спектральной плотности потока энергии (доли потока, приходящейся на данную частоту) по ширине частот в 10 (50) мегагерц — то есть получили приближение спектра, которое хорошо описывает его на масштабах частот свыше 40 мегагерц (для ширины в 50 МГц — свыше 220 МГц) и практически подавляет все модуляции на меньших частотных отрезках.
Затем ученые интегрировали сглаженную функцию по полному времени излучения отдельной вспышки, получая таким образом полную энергию радиовсплеска, которая приходится на единичную частоту в окрестности данной частоты. Для этой зависимости физики строили автокорреляционную функцию, которая количественно характеризует связь между самим спектром и его смещенной по частоте копией в зависимости от величины частотного сдвига.
На своем пути излучение, вероятнее всего, прошло через множество турбулентных облаков плазмы — их флуктуации заставили бы лучи преломляться случайным образом и подавили бы корреляцию между разными частотами. Это бы привело к тому, что автокорреляционная функция спадала с ростом сдвига частоты. Однако фактически авторы заметили повторный рост и приближенно (в пределах ошибки) периодические колебания автокорреляции при частотном сдвиге свыше 50 мегагерц, что не удавалось объяснить прохождением радиосигнала через турбулентные облака.
Чтобы описать возрастание и колебания автокорреляции, физики добавили к модели распространения радиоизлучения дифракционную линзу — гладкое (нетурбулентное) облако плазмы или окрестность массивного тела, проходя через которую, каждый луч разделяется на две компоненты. При таком рассмотрении составляющие сигнала сложатся по-разному в зависимости от частоты: на тех частотах, где фазы двух компонент почти одинаковы, они будут усиливать друг друга, а на тех, где фазы практически противоположны — наоборот, подавлять — то есть в спектре полного сигнала появится периодическая часть. Из этого, в свою очередь, последует, что периодической станет и автокорреляционная функция, что (приближенно) соответствует экспериментальным данным.
Ученые рассмотрели два упрощенных вида дифракционной линзы: область пониженной плотности свободных электронов в межзвездной плазме и гравитационную линзу от поля практически точечного объекта (которым могла бы быть первичная черная дыра или массивный компактный объект гало). Параметры каждой из линз исследователи подбирали так, чтобы итоговый теоретический спектр как можно лучше совпадал с экспериментальным.
В результате оказалось, что оба сценария образования линзы позволяют описать периодическую структуру наблюдаемого спектра FRB 121102 — при этом гравитационному объекту потребуется масса около 1,1×10–4 от солнечной (соответствует примерно 40 массам Земли). При этом авторы отмечают, что принципиально можно было бы отдать предпочтение одному из сценариев на основе того, зависит ли период спектра от частоты — этот эффект отсутствует в случае гравитационной линзы. Тем не менее, хотя экспериментальные данные и не содержат зависимости периода от частоты, этого же эффекта можно достичь при достаточно большом недостатке свободных электронов в плазменной линзе — в этом случае зависимость от частоты становится неразличимой в пределах ошибки измерений, и выделить среди двух моделей лучшую по этому критерию не удается.
Ранее мы рассказывали о том, как быстрый радиовсплеск позволил проверить предсказания космологической модели о количестве барионной материи и как гравитационная линза впервые помогла рентгеновским наблюдениям.
Николай Мартыненко
Он распался на кислород <sup>24</sup>O и четыре нейтрона
Японские физики синтезировали самый тяжелый на сегодняшний день изотоп кислорода 28O с магическим числом и нейтронов, и протонов. Он оказался нестабильным, несмотря на предсказанные для него магические свойства, и моментально распадался на четыре нейтрона и кислород 24O. По мнению авторов статьи в Nature, эти результаты указывают на сложную структуру нейтронной оболочки 28O с близкими по энергии возбужденными состояниями. Стабильность изотопов физики описывают разными теоретическими моделями. В частности, некоторые из них предсказывают высокую стабильность изотопов с определенным — магическим — числом протонов и нейтронов. Для протонов магическими являются числа Z = 2, 8, 20, 50, 82, 114, 126, а для нейтронов — числа N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. В атомах с такими числами нейтронные и протонные оболочки ядра полностью заполнены, а основное и возбужденные состояния сильно отличаются по энергии — это приводит к повышенной стабильности ядра. Особенно устойчивыми являются дважды магические ядра, в которых одновременно заполнены и протонная, и нейтронная оболочки — например, самый распространенный изотоп кислорода 16O. Для кислорода также известны более тяжелые изотопы с большим количеством нейтронов. Все они, начиная с 19O и заканчивая 26O, неустойчивы. При этом, согласно теоретическим представлениям, дважды магическое ядро 28O может быть устойчивым, хотя оно и содержит очень большое количество нейтронов. Тем не менее получить этот изотоп до сих пор не получалось. Впервые синтезировать кислород 28O удалось физикам под руководством Ёсуке Кондо (Yosuke Kondo) из Института физико-химических исследований RINKA в Японии. Для этого ученые облучали вращающуюся мишень из бериллия 9Be пучком ядер кальция 48Ca. При этом получались разные легкие ядра, из которых с помощью спектрометра физики отсеяли ядра фтора 29F и направили их на мишень из жидкого водорода. При этом из фтора образовались изотопы кислорода 27O и 28O. Далее, с помощью спектрометров физики смогли детектировать продукты их быстрого распада — нейтроны и кислород 24O. Рассчитанная учеными энергия распада составила 0,5 мегаэлектронвольта для 28O и 1,09 мегаэлектронвольта для 27O. Исходя из того, что энергия распада 27O и 25O больше, чем у 28O, физики сделали вывод, что изотоп 28O разложился ступенчато — сначала образовался изотоп 26O и два нейтрона, а затем 26O превратился в 24O и еще два нейтрона. Далее, физики провели расчеты нуклонной структуры 28O на основе теории χEFT (chiral effective field theory) и метода связанных кластеров (coupled-cluster method). Расчеты показали, что нестабильность ядра 28O связана с нестандартным расположением его нейтронных оболочек, которое приводит к заселению возбужденных состояний ядра с низкой энергией (intruder states). В результате физики впервые получили изотоп кислорода 28O и провели теоретические расчеты, объясняющие его нестабильность нестандартной структурой нейтронных оболочек. Тем не менее, прямые доказательства немагичности нейтронной структуры 28O еще предстоит найти. Ранее мы рассказывали о том, как физики получили самый тяжелый изотоп кальция.