Kosmisk fløjte giver et overraskende energisk slag

Penn State University astronomer har opdaget, at de mystiske "kosmiske fløjter", kendt som hurtige radioudbrud, kan give et alvorligt slag, i nogle tilfælde frigiver de en milliard gange mere energi i gammastråler, end de gør i radiobølger og konkurrerer med de stjernekatastrofer kendt som supernovaer i deres eksplosive kraft. Opdagelsen, det første nogensinde fund af ikke-radioemission fra et hurtigt radioudbrud, øger drastisk indsatsen for modeller af hurtige radioudbrud og forventes at give yderligere energi til astronomernes bestræbelser på at forfølge og identificere langlivede modstykker til hurtige radioudbrud ved hjælp af røntgen, optisk, og radioteleskoper.

Hurtige radioudbrud, som astronomer omtaler som FRB'er, blev først opdaget i 2007, og i årene siden har radioastronomer opdaget et par dusin af disse begivenheder. Selvom de kun varer i millisekunder ved enhver enkelt frekvens, deres store afstande fra Jorden - og store mængder af mellemliggende plasma - forsinker deres ankomst ved lavere frekvenser, spreder signalet ud over et sekund eller mere og giver en karakteristisk nedadgående "fløjte" henover det typiske radiomodtagerbånd.

"Denne opdagelse revolutionerer vores billede af FRB'er, hvoraf nogle tilsyneladende viser sig som både en fløjt og et brag, " sagde medforfatter Derek Fox, en Penn State professor i astronomi og astrofysik. Radiofløjten kan detekteres af jordbaserede radioteleskoper, mens gamma-strålesanget kan opfanges af højenergisatellitter som NASAs Swift-mission. "Rate- og afstandsestimater for FRB'er tyder på, at hvad end de er, de er et relativt almindeligt fænomen, forekommer et sted i universet mere end 2, 000 gange om dagen."

Bestræbelserne på at identificere FRB-modparter begyndte kort efter deres opdagelse, men har alle stået tomme indtil nu. I et papir udgivet 11. november i Astrofysiske tidsskriftsbreve Penn State-holdet, ledet af fysikstuderende James DeLaunay, rapporterer lyse gammastråler fra det hurtige radioudbrud FRB 131104, opkaldt efter den dato, det fandt sted, 4. november, 2013. "Jeg startede denne søgning efter FRB modparter uden at forvente at finde noget, " sagde DeLaunay. "Dette udbrud var det første, der endda havde nyttige data at analysere. Da jeg så, at det viste en mulig gammastrålemodpart, Jeg kunne ikke tro mit held!"

Opdagelse af gamma-ray "bang" fra FRB 131104, den første ikke-radiomodstykke til enhver FRB, blev muliggjort af NASAs Swift-satellit, der kredser om jorden, som observerede den nøjagtige del af himlen, hvor FRB 131104 fandt sted, da udbruddet blev opdaget af Parkes Observatory radioteleskop i Parkes, Australien. "Swift holder altid øje med himlen for udbrud af røntgenstråler og gammastråler, sagde Neil Gehrels, missionens hovedefterforsker og chef for Astroparticle Physics Laboratory ved NASAs Goddard Space Flight Center. "Sikke en fornøjelse det var at fange dette blitz fra et af de mystiske hurtige radioudbrud."

"Selvom teoretikere havde forventet, at FRB'er kunne være ledsaget af gammastråler, gammastrålingen, vi ser fra FRB 131104, er overraskende langvarig og lysstærk, " sagde Fox. Varigheden af ​​gammastråleemissionen, på to til seks minutter, er mange gange millisekunders varighed af radioemissionen. Og gammastrålingen fra FRB 131104 overstråler dens radioemissioner mere end en milliard gange, dramatisk hæve skøn over udbruddets energibehov og antyde alvorlige konsekvenser for udbruddets omgivelser og værtsgalakse.

Der findes to almindelige modeller for gammastråleemission fra FRB'er:en, der påkalder magnetiske flare-hændelser fra magnetarer - stærkt magnetiserede neutronstjerner, der er de tætte rester af kollapsede stjerner - og en anden, der påkalder den katastrofale sammensmeltning af to neutronstjerner, kolliderer og danner et sort hul. Ifølge medforfatter Kohta Murase, en Penn State professor og teoretiker, "Den energifrigivelse, vi ser, er udfordrende for magnetarmodellen, medmindre udbruddet er relativt tæt på. Den lange tidsskala for gammastråleemissionen, mens det er uventet i begge modeller, kan være muligt i en fusionsbegivenhed, hvis vi observerer fusionen fra siden, i et scenarie uden for aksen."

"Faktisk, energien og tidsskalaen for gamma-stråleemissionen passer bedre til nogle typer supernovaer, eller til nogle af de supermassive sorte hul-tilvækstbegivenheder, som Swift har set, "Fox sagde. "Problemet er, at ingen eksisterende modeller forudsiger, at vi ville se en FRB i disse tilfælde."

Den lyse gammastråleemission fra FRB 131104 antyder, at udbruddet, og andre kan lide det, kan være ledsaget af langvarig røntgen, optisk, eller radioemissioner. Sådanne modstykker ses pålideligt i kølvandet på sammenlignelige energiske kosmiske eksplosioner, inklusive begge stjernekatastrofer - supernovaer, magnetiske udbrud, og gamma-stråleudbrud – og episodisk eller kontinuerlig akkretionsaktivitet af de supermassive sorte huller, der almindeligvis lurer i galaksernes centre.

Faktisk, Swift røntgen og optiske observationer blev udført to dage efter FRB 131104, takket være hurtige analyser fra radioastronomer (som ikke var klar over gammastråle-modstykket) og et adræt svar fra Swift-missionens operationsteam, med hovedkvarter i Penn State. På trods af dette relativt velkoordinerede svar, ingen langvarig røntgen, ultraviolet, eller optisk modstykke blev set.

Forfatterne håber at deltage i fremtidige kampagner, der sigter mod at opdage flere FRB-modstykker, og på denne måde, endelig afsløre de kilder, der er ansvarlige for disse allestedsnærværende og mystiske begivenheder. "Ideelt set disse kampagner ville begynde kort efter eksplosionen og ville fortsætte i adskillige uger bagefter for at sikre, at intet blev savnet. Måske bliver vi endnu mere heldige næste gang " sagde DeLaunay.