Badanie magnetosferycznego pochodzenia szybkich błysków radiowych
Astronomowie zaczynają docierać do źródeł szybkich błysków radiowych – potężnych, ulotnych błysków fal radiowych obserwowanych w odległościach pozagalaktycznych. Silnie namagnesowane gwiazdy neutronowe, zwane magnetarami, mogą być odpowiedzialne za wiele z tych odległych zdarzeń, ale jak dokładnie te ekstremalne obiekty generują szybkie błyski radiowe?
Wizja artystyczna magnetara, gwiazdy neutronowej z silnym polem magnetycznym. Źródło: ESA.
Kosmiczna zagadka
Zagadka, skąd pochodzą szybkie błyski radiowe (FRB), w każdym razie niektóre z nich, wydawała się być rozwiązana, gdy okazało się, że pierwszy rozbłysk radiowy w Drodze Mlecznej pochodzi od magnetara – skrajnie gęstej pozostałości gwiazdowej o polu magnetycznym około 100 miliardów do 10 bilionów razy silniejszym niż typowy magnes na lodówce. Ale jak to często bywa w astrofizyce, rozwiązanie tej zagadki pociągnęło za sobą wiele innych: w jaki sposób magnetary generują te silne, krótkie wybuchy fal radiowych i czy powstają one w pobliżu powierzchni magnetara, czy z otaczającej go materii?
W artykule opublikowanym 19 stycznia 2022 roku Andriej Beloborodov (Uniwersytet Columbia i Instytut Astrofizyki Maxa Plancka, Niemcy) badał, czy FRB wygenerowany blisko powierzchni magnetara może wydostać się z jego magnetosfery – obszaru przestrzeni, w którym naładowane cząsteczki uginają się pod wpływem intensywnego pola magnetycznego magnetara.
Modele magnetara
Magnetosfery mają olbrzymie znaczenie w naszym Układzie Słonecznym – magnetosfera Ziemi chroni nas przez energetycznymi cząstkami generowanymi przez Słońce, a magnetosfera Jowisza zdominowałaby niebo, gdyby nasz wzrok był przystosowany do widzenia fal radiowych. Magnetosfera magnetara jest jednak o wiele dziwniejsza niż te pobliskie przykłady; namagnesowana gwiazda neutronowa w centrum generuje plazmę elektronów i ich dodatnio naładowanych odpowiedników, pozytonów, które wypełniają magnetosferę i mogą zapobiec ucieczce w przestrzeń kosmiczną błysków radiowych generowanych w pobliżu powierzchni magnetara.
Beloborodov wykorzystał równania fizyki plazmy, aby zrozumieć, jak błysk radiowy może oddziaływać z naładowanymi cząstkami i polami magnetycznymi w magnetosferze magnetara. Gdy błysk radiowy przemieszcza się na zewnątrz, ściska magnetosferę, przenosząc swój pęd na pola magnetyczne i plazmę. Oscylujące elektrony i pozytony emitują promienie gamma, które mogą się zderzyć i wytworzyć jeszcze więcej elektronów i pozytonów – tworząc kaskadę cząstek i promieni gamma, które rozpraszają falę radiową i pozbawiają ją energii. Dla fali radiowej nie ma ucieczki; Beloborodov odkrył, że jest bardzo mało prawdopodobne, aby szybki błysk radiowy mógł uciec przed magnetosferą, gdyby została wygenerowana w odległości 100 000 km od powierzchni magnetara.
Więcej do nauczenia się
Podczas gdy wyniki badań Beloborodova wykluczają możliwość powstania szybkich błysków radiowych w wewnętrznej magnetosferze, istnieją inne sposoby, na jakie magnetary mogą być źródłem takich zjawisk. Inna możliwość jest taka, że FRB powstają znacznie dalej od magnetara, gdzie błyski magnetosferyczne zdarzają się z wiatrem wypływającym z magnetara.
Na szczęście kanadyjski eksperyment CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment) jest gotowy, aby dodać nowe obserwacje do istniejącego katalogu setek szybkich błysków radiowych, co pomoże nam zrozumieć źródła tych tajemniczych zdarzeń i skomplikowaną fizykę, która za nimi stoi.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
