Nieznana natura kosmicznych rozbłysków radiowych

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Jednym z najbardziej tajemniczych zjawisk kosmicznych są szybkie rozbłyski radiowe. Są to krótkie, kilkumilisekundowe sygnały radiowe o nieznanym charakterze, wynikające z wyzwolenia ogromnej ilości energii. Od ich odkrycia minęła już ponad dekada, ale astrofizycy wciąż starają się poznać mechanizmy ich powstawania. Naukowcy podają jako możliwe źródła gwiazdy neutronowe, czarne dziury, a nawet przekaźniki obcych cywilizacji.

Tajemnicze sygnały

Przy szybkich błyskach radiowych, w milisekundach, uwalnia się tyle energii, ile Słońce wyemitowało przez kilkadziesiąt tysięcy lat. Wiodąca hipoteza głosi, że są one spowodowane katastrofalnymi zdarzeniami, takimi jak połączenie dwóch gwiazd neutronowych, błysk z parowania czarnej dziury lub przekształcenie pulsara w czarną dziurę. Przez długi czas uważano, że impulsy radiowe mogą wystąpić tylko raz, ale w 2015 roku odkryto, że nagrany wcześniej szybki impuls radiowy FRB 121102 jest powtarzany w sposób nieokresowy.

FRB 121102 znajduje się w galaktyce karłowatej trzy miliardy lat świetlnych od Ziemi i przez kilka lat pozostawał jedynym znanym źródłem powtarzających się rozbłysków radiowych, pomimo dokładnych poszukiwań. Jednak w styczniu 2019 roku w czasopiśmie Nature ukazał się artykuł naukowców z kanadyjskiej współpracy CHIME, w którym poinformowano o ponownej rejestracji sygnałów z innego źródła - 180814. J0422+73. Interferometryczny radioteleskop CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment) zarejestrował sześć szybkich rozbłysków radiowych, które pochodziły z galaktyki odległej o 1,3 miliarda lat świetlnych.

Sygnały w swojej strukturze częstotliwościowej i charakterystyce widmowej przypominały sygnały z FRB 121102, co wskazuje na podobny mechanizm ich powstawania i taki sam charakter źródła. Odkrycie wskazuje na istnienie odrębnego typu szybkich rozbłysków radiowych, których nie można wywołać zdarzeniami katastroficznymi właśnie ze względu na ich powtarzalność.

Cicha galaktyka

W sierpniu 2019 r. międzynarodowy zespół naukowców po raz pierwszy zidentyfikował źródło pojedynczego szybkiego rozbłysku radiowego FRB 180924, który powstał w galaktyce oddalonej o cztery miliardy lat świetlnych.

Za pomocą znajdującego się w Australii interferometru radiowego ASKAP astronomowie określili położenie źródła FRB, a następnie obliczyli odległość do niego, analizując dane z naziemnych teleskopów optycznych Gemini, Keck i VLT. Okazało się, że rozbłysk radiowy wystąpił w masywnej galaktyce wielkości Drogi Mlecznej, 13 tysięcy lat świetlnych od jej centrum. Charakterystyczną cechą galaktyki jest brak procesów powstawania nowych gwiazd.

Kontrastuje to z powtarzającym się sygnałem FRB 121102, który znajduje się w obszarze aktywnego formowania się gwiazd. Tak więc pojedyncze i powtarzalne szybkie impulsy radiowe muszą mieć różne pochodzenie. W przypadku FRB 121102, sygnał radiowy zdawał się przechodzić przez silne pole magnetyczne wokół magnetara, specjalnego rodzaju gwiazdy neutronowej.

Wkrótce astronomowie z California Institute of Technology w Stanach Zjednoczonych poinformowali o odkryciu kolejnego szybkiego rozbłysku radiowego FRB 190523, który również miał miejsce w stosunkowo spokojnym środowisku – w galaktyce analogicznej do Drogi Mlecznej i oddalonej o 7,9 miliarda lat świetlnych z ziemi.

Oba te odkrycia obalają, że szybkie rozbłyski radiowe mogą wystąpić tylko w młodych galaktykach karłowatych, które zawierają dużą liczbę magnetarów.

Osiem bliźniaków

W sierpniu 2019 r. w repozytorium preprintów arXiv.org pojawił się artykuł kanadyjskiej współpracy CHIME, który poinformował o wykryciu ośmiu powtarzających się sygnałów radiowych. Dwa źródła sygnałów radiowych - FRB 180916 i FRB 181119 - błysnęły ponad dwa razy (odpowiednio dziesięć i trzy razy), pozostałe wysyłały powtarzające się sygnały radiowe tylko raz, przy czym najdłuższa przerwa między rejestracją fal radiowych wynosiła 20 godzin. Według naukowców może to wskazywać, że wiele FRB jest w rzeczywistości powtarzalnych, ale niektóre są bardziej aktywne niż inne.

Większość z ośmiu nowych szybkich impulsów radiowych wykazywała spadek częstotliwości sygnału z każdym powtórzonym impulsem, co może być kluczem do zrozumienia mechanizmu wywołującego te zjawiska. Ponadto FRB 180916 ma najniższe współczynniki dyspersji sygnału, co wskazuje na względną bliskość źródła do Ziemi. Naukowcy doszli do wniosku, że może to również pomóc w określeniu charakteru rozbłysku radiowego.

Piekielne gwiazdy

Późnym latem 2019 roku naukowcy z Narodowego Centrum Radioastrofizyki w Indiach poinformowali, że magnetary nadal są jednym z najbardziej prawdopodobnych źródeł szybkich rozbłysków radiowych (przynajmniej powtarzalnych).

Anomalny magnetar XTE J1810-197 został zaobserwowany za pomocą Giant Metrewave Radio Telescope. Zarejestrowano milisekundowe impulsy emisji radiowej, przypominające błyski z powtarzających się FRB 180814. J0422 + 73.

Ten magnetar znajduje się 10 tysięcy lat świetlnych od Ziemi. Został odkryty w 2003 roku i stopniowo przestał emitować emisje radiowe w 2008 roku. Jednak w 2018 roku pojawiła się na nim nowa epidemia, która również stopniowo zaczęła zanikać. Co ciekawe, magnetary zwykle nie emitują emisji radiowej, a XTE J1810-197 był pierwszym tego rodzaju źródłem emisji radiowej. Rzadkość tego obiektu, podobnie jak powtarzające się rozbłyski radiowe, doprowadziła naukowców do przekonania, że oba zjawiska mogą być ze sobą powiązane.

Głośna dziura

We wrześniu 2019 r. chińscy astronomowie poinformowali, że wykryli nowe szybkie, powtarzalne rozbłyski radiowe (FRB) z FRB 121102. Sygnały wykryto za pomocą 500-metrowego radioteleskopu FAST z 19-wiązkowym odbiornikiem w prowincji Guizhou. Od końca sierpnia do września zarejestrowano ponad 100 skoków, co jest rekordową liczbą wśród wszystkich zarejestrowanych FRB.

W tym czasie naukowcy zaczęli zakładać, że FRB 121102 jest supermasywną czarną dziurą, która przekracza masę Słońca o 10-100 milionów razy i generuje silne pole magnetyczne, a gwiazda neutronowa lub plazma dotknięta przez dziurę może być bezpośrednim źródło flar. Innym możliwym wyjaśnieniem jest to, że FRB 121102 to namagnesowany plerion, mgławica napędzana przez wiatr gwiazdowy z pulsara.

Chociaż szybkie rozbłyski radiowe pozostają jak dotąd niewyjaśnione, w 2019 r. społeczności naukowej przedstawiono wiele danych, które przybliżają astronomów do rozwiązania. Okazało się, że FRB można powtarzać i prawdopodobnie robią to bardzo często. W tym przypadku są one generowane przez dość egzotyczne obiekty, takie jak gwiazdy neutronowe (pulsary i magnetary), znajdujące się w odpowiednim ośrodku międzygwiazdowym. Pojedyncze rozbłyski występują w mniej turbulentnych warunkach: galaktykach, w których formowanie się gwiazd jest bardzo powolne. Takie zjawiska najprawdopodobniej rzeczywiście występują z powodu katastrofalnych procesów.