Astronomowie z MIT i innych ośrodków wykryli dziwny i trwały sygnał radiowy z odległej galaktyki, który wydaje się migać z zaskakującą regularnością.

Sygnał ten został sklasyfikowany jako szybki wybuch radiowy (ang. fast radio burst, FRB) – intensywny wybuch fal radiowych o nieznanym pochodzeniu astrofizycznym, który zazwyczaj trwa najwyżej kilka milisekund. Jednak ten nowy sygnał utrzymuje się do trzech sekund, czyli około 1000 razy dłużej niż przeciętny FRB. W obrębie tego okna zespół wykrył wybuchy fal radiowych, które powtarzają się co 0,2 sekundy w wyraźnym, okresowym wzorze, podobnym do bijącego serca.

Badacze oznaczyli sygnał FRB 20191221A i jest to obecnie najdłużej trwający FRB, z najwyraźniejszym wzorem okresowym, wykryty do tej pory.

Źródło sygnału znajduje się w odległej galaktyce, kilka miliardów lat świetlnych od Ziemi. Co dokładnie może być tym źródłem, pozostaje tajemnicą, choć astronomowie podejrzewają, że sygnał może pochodzić od pulsara lub magnetara, które są rodzajami gwiazd neutronowych – niezwykle gęstych, szybko wirujących, zapadających się rdzeni olbrzymich gwiazd.

„Nie ma wielu rzeczy we wszechświecie, które emitują ściśle okresowe sygnały” – mówi Daniele Michilli, postdoc w MIT’s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. „Przykłady, które znamy w naszej własnej galaktyce to pulsary radiowe i magnetary, które obracają się i wytwarzają emisję wiązkową podobną do latarni morskiej. I myślimy, że ten nowy sygnał może być magnetarem lub pulsarem na sterydach”.

Zespół ma nadzieję wykryć więcej okresowych sygnałów z tego źródła, które mogłyby być następnie wykorzystane jako zegar astrofizyczny. Na przykład, częstotliwość wybuchów i to, jak zmieniają się one w miarę oddalania się źródła od Ziemi, mogłoby zostać wykorzystane do pomiaru tempa rozszerzania się wszechświata.

Odkrycie zostało opublikowane dzisiaj w czasopiśmie Nature, a jego autorami są członkowie CHIME/FRB Collaboration, w tym współautorzy z MIT: Calvin Leung, Juan Mena-Parra, Kaitlyn Shin i Kiyoshi Masui z MIT, a także Michilli, który doprowadził do odkrycia najpierw jako badacz na Uniwersytecie McGill, a następnie jako postdoc w MIT.

„Bum, bum, bum”

Od czasu odkrycia pierwszego FRB w 2007 roku, setki podobnych błysków radiowych zostały wykryte w całym wszechświecie, ostatnio przez Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment, lub CHIME, interferometryczny radioteleskop składający się z czterech dużych parabolicznych reflektorów, który znajduje się w Dominion Radio Astrophysical Observatory w Kolumbii Brytyjskiej w Kanadzie.

CHIME stale obserwuje niebo podczas obrotu Ziemi i został zaprojektowany tak, aby wychwytywać fale radiowe emitowane przez wodór w najwcześniejszych stadiach Wszechświata. Tak się składa, że teleskop jest również wrażliwy na szybkie wybuchy radiowe, a odkąd zaczął obserwować niebo w 2018 roku, CHIME wykrył setki FRBs emanujących z różnych części nieba.

Zdecydowana większość zaobserwowanych do tej pory FRB to jednorazowe — ultra jasne wybuchy fal radiowych, które trwają przez kilka milisekund, zanim zgasną. Niedawno badacze odkryli pierwszy okresowy FRB, który wydawał się emitować regularny wzór fal radiowych. Sygnał ten składał się z czterodniowego okna przypadkowych wybuchów, które następnie powtarzały się co 16 dni. Ten 16-dniowy cykl wskazywał na okresowy wzór aktywności, choć sygnał rzeczywistych wybuchów radiowych był raczej losowy niż okresowy.

21 grudnia 2019 roku, CHIME odebrał sygnał potencjalnego FRB, co natychmiast zwróciło uwagę Michilli, który skanował napływające dane.

„To było niezwykłe” – wspomina. „Nie tylko był bardzo długi, trwający około trzech sekund, ale były w nim okresowe piki, które były niezwykle precyzyjne, emitowane co ułamek sekundy — bum, bum, bum — jak bicie serca. To pierwszy przypadek, gdy sam sygnał jest okresowy”.

Genialne wybuchy

Analizując wzór wybuchów radiowych FRB 20191221A, Michilli i jego koledzy znaleźli podobieństwa do emisji z pulsarów radiowych i magnetarów w naszej własnej galaktyce. Pulsary radiowe to gwiazdy neutronowe, które emitują wiązki fal radiowych, wydające się pulsować podczas obrotu gwiazdy, podczas gdy podobna emisja jest wytwarzana przez magnetary ze względu na ich ekstremalne pola magnetyczne.

Główną różnicą pomiędzy nowym sygnałem a emisją radiową z naszych własnych galaktycznych pulsarów i magnetarów jest to, że FRB 20191221A wydaje się być ponad milion razy jaśniejszy. Michilli mówi, że świetliste błyski mogą pochodzić od odległego radiowego pulsara lub magnetara, który normalnie jest mniej jasny w miarę rotacji i z jakiegoś nieznanego powodu wyrzucił ciąg genialnych wybuchów, w rzadkim, trzysekundowym oknie, które CHIME był szczęśliwie ustawiony, aby złapać.

„CHIME wykrył teraz wiele FRB o różnych właściwościach” – mówi Michilli. „Widzieliśmy niektóre, które żyją wewnątrz chmur, które są bardzo turbulentne, podczas gdy inne wyglądają jak w czystym środowisku. Z właściwości tego nowego sygnału możemy powiedzieć, że wokół tego źródła znajduje się chmura plazmy, która musi być niezwykle turbulentna.”

Astronomowie mają nadzieję na wychwycenie dodatkowych wybuchów z okresowego FRB 20191221A, co może pomóc w dopracowaniu ich zrozumienia jego źródła, a także gwiazd neutronowych w ogóle.

„Ta detekcja rodzi pytanie, co może powodować ten ekstremalny sygnał, którego nigdy wcześniej nie widzieliśmy i jak możemy wykorzystać ten sygnał do badania wszechświata” – mówi Michilli. „Przyszłe teleskopy obiecują odkrywać tysiące FRB miesięcznie, a w tym momencie możemy znaleźć o wiele więcej takich okresowych sygnałów”.

Badania te były wspierane, w części, przez Canada Foundation for Innovation.

Źródło: Massachusetts Institute of Technology / Jennifer Chu