Naukowcy uchwycili pochodzenie szybkich błysków radiowych
Ulotny kosmiczny fajerwerk najprawdopodobniej wyłonił się z burzliwej magnetosfery otaczającej odległą gwiazdę neutronową.
 |
| Wizja artystyczna gwiazdy neutronowej emitującej wiązkę radiową z wnętrza swojego środowiska magnetycznego. Źródło: Daniel Liévano, edytowane przez MIT News |
Szybkie błyski radiowe (FRB) to krótkie i błyszczące eksplozje fal radiowych emitowanych przez niezwykle zwarte obiekty, takie jak gwiazdy neutronowe i prawdopodobnie czarne dziury. Te ulotne fajerwerki trwają zaledwie jedną tysięczną sekundy i mogą nieść ze sobą ogromną ilość energii – wystarczającą do krótkotrwałego przyćmienia całych galaktyk.
Od czasu odkrycia pierwszego FRB w 2007 roku, astronomowie wykryli tysiące szybkich błysków radiowych, których lokalizacja sięga od naszej własnej Galaktyki do odległości nawet 8 miliardów lat świetlnych. Dokładny sposób, w jaki te kosmiczne rozbłyski są uruchamiane, jest wysoce kwestionowaną niewiadomą.
Teraz astronomowie z MIT ustalili pochodzenie co najmniej jednego szybkiego błysku radiowego przy użyciu nowej techniki, która może zrobić to samo dla innych FRB. W swoich nowych badaniach, których wyniki opublikowano 1 stycznia 2025 roku w czasopiśmie Nature, zespół skupił się na FRB 20221022A – wcześniej odkrytym szybkim błysku radiowym, który został wykryty w galaktyce oddalonej o około 200 milionów lat świetlnych.
Zespół skupił się na określeniu dokładnej lokalizacji sygnału radiowego, analizując jego „scyntylację”, podobną do migotania gwiazdy na nocnym niebie. Naukowcy zbadali zmiany jasności FRB i ustalili, że rozbłysk musiał pochodzić z bezpośredniego sąsiedztwa jego źródła, a nie znacznie dalej, jak przewidywały niektóre modele.
Zespół szacuje, że FRB 20221022A eksplodował z regionu, który znajduje się bardzo blisko wirującej gwiazdy neutronowej, w odległości maksymalnie 10 000 kilometrów. To mniej niż odległość między Nowym Jorkiem a Singapurem. W tak bliskiej odległości rozbłysk prawdopodobnie wyłonił się z magnetosfery gwiazdy neutronowej – silnie namagnesowanego regionu bezpośrednio otaczającego skrajnie zwartą gwiazdę.
Odkrycia zespołu dostarczają pierwszych niezbitych dowodów na to, że szybki błysk radiowy może pochodzić z magnetosfery silnie magnetycznego środowiska bezpośrednio otaczającego niezwykle zwarty obiekt.
W tych środowiskach gwiazd neutronowych pola magnetyczne są naprawdę na granicy tego, co Wszechświat może wytworzyć – powiedziała główna autorka Kenzie Nimmo, pracownik naukowy w Instytucie Astrofizyki i Badań Kosmicznych Kavliego w MIT. Toczy się wiele dyskusji na temat tego, czy ta jasna emisja radiowa mogłaby w ogóle wydostać się z tej ekstremalnej plazmy.
Wokół tych silnie magnetycznych gwiazd neutronowych, znanych również jako magnetary, atomy nie mogą istnieć – zostałyby po prostu rozerwane przez pola magnetyczne – powiedział Kiyoshi Masui, profesor nadzwyczajny fizyki na MIT. Ekscytujące jest to, że odkryliśmy, że energia zmagazynowana w tych polach magnetycznych, w pobliżu źródła, jest skręcana i modyfikowana w taki sposób, że może być uwalniana jako fale radiowe, które możemy widzieć przez pół Wszechświata.
Rozmiar błysku
Wykrywanie szybkich błysków radiowych wzrosło w ostatnich latach dzięki kanadyjskiemu eksperymentowi mapowania intensywności wodoru (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment – CHIME). Układ radioteleskopu składa się z czterech dużych, stacjonarnych odbiorników, z których każdy ma kształt pół-rury, które są dostrojone do wykrywania emisji radiowych w zakresie, który jest bardzo czuły na szybkie błyski radiowe.
Od 2020 roku CHIME wykrył tysiące FRB z całego Wszechświata. Podczas gdy naukowcy ogólnie zgadzają się, że błyski pochodzą z niezwykle zwartych obiektów, dokładna fizyka napędzająca FRB jest niejasna. Niektóre modele przewidują, że szybkie błyski radiowe powinny pochodzić z turbulentnej magnetosfery bezpośrednio otaczającej zwarty obiekt, podczas gdy inni przewidują, że błyski powinny mieć znacznie dalsze pochodzenie, będące częścią fali uderzeniowej, która rozprzestrzenia się z dala od centralnego obiektu.
Aby rozróżnić te dwa scenariusze i określić, gdzie powstają FRB, zespół wziął pod uwagę scyntylację - efekt, który występuje, gdy światło małego jasnego źródła, takiego jak gwiazda, przechodzi przez jakiś obiekt, taki jak gaz galaktyki. Gdy światło gwiazdy przechodzi przez gaz, zakrzywia się w sposób, który sprawia, że dla odległego obserwatora wydaje się, jakby gwiazda migotała. Im mniejszy lub bardziej oddalony jest obiekt, tym bardziej mruga. Światło z większych lub bliższych obiektów, takich jak planety w naszym Układzie Słonecznym, ulega mniejszemu ugięciu i dlatego nie wydaje się migotać.
Zespół doszedł do wniosku, że jeżeli uda im się oszacować stopień, w jakim FRB scyntyluje, mogą określić względny rozmiar regionu, z którego pochodzi FRB. Im mniejszy obszar, tym bliżej źródła znajduje się rozbłysk i tym bardziej prawdopodobne jest, że pochodzi on z magnetycznie turbulentnego środowiska. Im większy region, tym dalej znajdowałby się rozbłysk, co potwierdza tezę, że FRB pochodzą z odległych fal uderzeniowych.
Mrugający wzór
Aby przetestować swój pomysł, naukowcy przyjrzeli się FRB 20221022A, szybkiemu błyskowi radiowemu, który został wykryty przez CHIME w 2022 roku. Sygnał trwał około dwóch milisekund i jest stosunkowo typowym FRB pod względem jasności. Współpracownicy zespołu z McGill University odkryli jednak, że FRB 20221022A wykazywał jedną wyjątkową właściwość: światło z rozbłysku było silnie spolaryzowane, a kąt jest interpretowany jako dowód na to, że miejsce emisji FRB rotuje – właściwość wcześniej obserwowana w pulsarach, które są silnie namagnesowanymi, wirującymi gwiazdami neutronowymi.
Zaobserwowanie podobnej polaryzacji w szybkich błyskach radiowych było pierwszym tego typu odkryciem, sugerującym, że sygnał mógł powstać w bliskim sąsiedztwie gwiazdy neutronowej.
Zespół MIT zdał sobie sprawę, że jeśli FRB 20221022A powstał w pobliżu gwiazdy neutronowej, powinien być w stanie to udowodnić za pomocą scyntylacji.
W swoich nowych badaniach Nimmo i jej koledzy przeanalizowali dane z CHIME i zaobserwowali gwałtowne zmiany jasności, które sygnalizowały scyntylację – innymi słowy, FRB migotał. Potwierdzili, że gdzieś pomiędzy teleskopem a FRB znajduje się gaz, który zakrzywia i filtruje fale radiowe. Następnie zespół ustalił, gdzie może znajdować się ten gaz, potwierdzając, że gaz w galaktyce macierzystej FRB był odpowiedzialny za część obserwowanej scyntylacji. Gaz ten działał jak naturalna soczewka, umożliwiając naukowcom przybliżenie miejsca FRB i ustalenie, że błysk pochodzi z niezwykle małego regionu, którego szerokość szacuje się na około 10 000 kilometrów.
Oznacza to, że FRB prawdopodobnie znajduje się w odległości setek tysięcy kilometrów od źródła – powiedziała Nimmo. To bardzo blisko. Dla porównania, gdyby sygnał pochodził z fali uderzeniowej, spodziewalibyśmy się, że będzie on oddalony o dziesiątki milionów kilometrów i nie zaobserwowaliśmy żadnej scyntylacji.
Powiększenie regionu o długości 10 000 kilometrów z odległości 200 milionów lat świetlnych jest jak możliwość zmierzenia szerokości helisy DNA, która ma około 2 nanometrów szerokości, na powierzchni Księżyca – powiedział Masui. W grę wchodzi niesamowity zakres skali.
Wyniki zespołu, w połączeniu z ustaleniami zespołu McGill, wykluczają możliwość, że FRB 20221022A wyłonił się z obrzeży zwartego obiektu. Zamiast tego badania po raz pierwszy dowodzą, że szybkie błyski radiowe mogą pochodzić z bardzo bliskiej odległości od gwiazdy neutronowej, w wysoce chaotycznym środowisku magnetycznym.
Te błyski zawsze mają miejsce, a CHIME wykrywa ich kilka dziennie – powiedział Mausi. Może istnieć duża różnorodność w sposobie i miejscu ich wystąpienia, a ta technika scyntylacyjna będzie naprawdę przydatna w pomaganiu w rozwikłaniu różnych zjawisk fizycznych, które napędzają te błyski.
Wzór prześledzony przez kąt polaryzacji był tak uderzająco podobny do tego widzianego z pulsarów w naszej własnej Galaktyce, że początkowo istniały pewne obawy, że źródło nie było w rzeczywistości FRB, ale będzie sklasyfikowanym pulsarem - powiedział Ryan Mckinven, współautor badania z McGill University. Na szczęście obawy te zostały rozwiązane dzięki danym zebranym z teleskopu optycznego, które potwierdziły, że FRB pochodzi z galaktyki oddalonej o miliony lat świetlnych.
Polarymetria jest jednym z niewielu narzędzi, które mamy do badania tych odległych źródeł – wyjaśnił Mckinven. Wynik ten prawdopodobnie zainspiruje dalsze badania podobnych zachowań w innych FRB i skłoni do teoretycznych wysiłków w celu pogodzenia różnic w ich spolaryzowanych sygnałach.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
