Прожектор, пробивающий туман: как MeerKAT нашёл пульсары в затенённом скоплении ✛
Ночью в тумане прожектор светит хуже, чем днём: мелкие капли рассеивают луч, и далёкие предметы тонут в мутной пелене. Примерно так же радиоволны от пульсаров теряются в межзвёздной среде, когда между нами и звездой много свободных электронов. Астрономы давно ищут пульсары в шаровых скоплениях — плотных шарах из сотен тысяч старых звёзд, где частые сближения рождают миллисекундные пульсары. Однако обычные обзоры на частоте 1,4 ГГц часто не видят быстрые сигналы из далёких скоплений: электроны размывают импульс, как туман размывает свет.
Чтобы пробить туман, команда использовала радиотелескоп MeerKAT в Южной Африке на более высокой частоте — около 2,4 ГГц, в так называемом S-диапазоне. С марта 2023 по 2024 год они наблюдали 14 шаровых скоплений, направляя четыре луча одновременно: два на центр скопления и два на позиции уже известных пульсаров. Данные искали в Фурье-области с помощью программы PRESTO, применяя ускоренный и jerk-поиск, чтобы компенсировать орбитальное движение пульсаров в тесных двойных системах. Чтобы не потерять быстрые системы, данные делили на отрезки по 15, 30 и 60 минут, а затем складывали и проверяли кандидатов визуально.
Результат превзошёл ожидания. В 14 скоплениях повторно обнаружили 39 известных пульсаров и нашли четыре новых в скоплении Glimpse-C01. Один из них, J1848−0129C, — миллисекундный пульсар с периодом 6,44 мс и орбитальным периодом 5,03 суток. Он затменный: компаньон периодически закрывает его от нас, как облако закрывает маяк. Масса компаньона 0,35–0,42 массы Солнца, и это первый кандидат в подкласс «huntsman» в шаровом скоплении. Другой новый пульсар, J1848−0129D, вращается за 17,1 мс по почти круговой орбите с массивным белым карликом около одной солнечной массы. Ещё два, J1848−0129E и F, — слабые двойные миллисекундные пульсары.
Особенно интересны меры дисперсии — количество свободных электронов на луче зрения. У пульсаров D и F они отличаются от среднего по скоплению на десятки парсек на кубический сантиметр. Это указывает на неоднородную межзвёздную среду: туман не равномерен, в нём есть плотные сгустки. Сравнив разные скопления, астрономы увидели закономерность: чем больше средняя мера дисперсии, тем сильнее разброс значений внутри скопления. Glimpse-C01 лежит выше общей зависимости, поэтому для далёких скоплений окна поиска по мере дисперсии нужно расширять.
Раньше было неясно, насколько эффективны высокие частоты для поиска пульсаров в сильно затенённых скоплениях и сколько пульсаров мы теряем из-за рассеяния на 1,4 ГГц. Теперь показано, что S-диапазон MeerKAT стабильно обнаруживает пульсары вплоть до 10–20 микроЯнских и открывает новые системы в Glimpse-C01, включая затменную с рекордным орбитальным периодом. Методику можно сразу применять для планирования будущих обзоров на MeerKAT+ и SKA-Mid, чтобы не пропускать пульсары в плотных областях Галактики.
Прожектор на высокой частоте пробил туман и показал, что в затенённых скоплениях скрывается много неоткрытых пульсаров. Когда MeerKAT расширится до MeerKAT+ и появится SKA-Mid, чувствительность вырастет, и мы сможем заглянуть ещё глубже. Возможно, тогда туман расступится окончательно, и мы увидим все маяки, которые раньше были скрыты.
J1848−0129F имеет самую большую меру дисперсии среди всех пульсаров, когда-либо ассоциированных с шаровым скоплением: 520,1 пк/см³. Это значит, что на пути к нам луч прошёл сквозь огромное количество свободных электронов — как если бы смотреть на звезду через запотевшее стекло.
В романе «Свидание с Рамой» Артура Кларка астрономы замечают аномальный объект, пробивающийся сквозь помехи. Наши радиотелескопы, пробивающие галактическую пыль на высоких частотах, напоминают этот образ: мы тоже ищем иголки в стоге сена, но не в космосе, а в данных.