Astronomer registrerer regelmæssig rytme af radiobølger, med ukendt oprindelse

Et hold af astronomer, herunder forskere ved MIT, har opfanget en nysgerrig, gentagende rytme af hurtige radioudbrud, der kommer fra en ukendt kilde uden for vores galakse, 500 millioner lysår væk.

Hurtige radioudbrud, eller FRB'er, er korte, intense glimt af radiobølger, der menes at være et produkt af små, fjern, ekstremt tætte genstande, selvom præcis, hvad disse objekter kan være, er et mangeårigt mysterium inden for astrofysik. FRB'er varer typisk et par millisekunder, i hvilket tidsrum de kan overstråle hele galakser.

Siden den første FRB blev observeret i 2007, astronomer har katalogiseret over 100 hurtige radioudbrud fra fjerne kilder spredt ud over universet, uden for vores egen galakse. For det meste, disse påvisninger var enkeltstående, blinker kort, før den forsvinder helt. I en håndfuld tilfælde, astronomer observerede hurtige radioudbrud flere gange fra den samme kilde, dog uden noget synligt mønster.

Denne nye FRB-kilde, som holdet har katalogiseret som FRB 180916.J0158+65, er den første til at producere et periodisk, eller cyklisk mønster af hurtige radioudbrud. Mønsteret begynder med en støjende, fire dages vindue, hvor kilden udsender tilfældige udbrud af radiobølger, efterfulgt af en 12-dages periode med radiotavshed.

Astronomerne observerede, at dette 16-dages mønster af hurtige radioudbrud gentog sig konsekvent over 500 dages observationer. "Denne FRB, vi rapporterer nu, er som et urværk, " siger Kiyoshi Masui, assisterende professor i fysik ved MIT's Kavli Institut for Astrofysik og Rumforskning. "Det er det mest definitive mønster, vi har set fra en af ​​disse kilder. Og det er et stort fingerpeg, som vi kan bruge til at begynde at jage fysikken i, hvad der forårsager disse lyse blink, som ingen rigtig forstår."

Masui er medlem af CHIME/FRB-samarbejdet, en gruppe på mere end 50 videnskabsmænd ledet af University of British Columbia, McGill University, University of Toronto, og Canadas nationale forskningsråd, der driver og analyserer dataene fra det canadiske brintintensitetskortlægningseksperiment, eller KLOKKE, et radioteleskop i British Columbia, der var det første til at opfange signaler fra den nye periodiske FRB-kilde.

CHIME/FRB Collaboration har offentliggjort detaljerne om den nye observation i dag i tidsskriftet Natur .

En radiovisning

I 2017, CHIME blev rejst ved Dominion Radio Astrophysical Observatory i British Columbia, hvor den hurtigt begyndte at opdage hurtige radioudbrud fra galakser på tværs af universet, milliarder af lysår fra Jorden.

CHIME består af fire store antenner, hver på størrelse og form som en snowboard half-pipe, og er designet uden bevægelige dele. I stedet for at dreje for at fokusere på forskellige dele af himlen, CHIME stirrer fast på hele himlen, ved hjælp af digital signalbehandling til at lokalisere det område i rummet, hvor indkommende radiobølger stammer fra.

Fra september 2018 til februar 2020, CHIME udvalgte 38 hurtige radioudbrud fra en enkelt kilde, FRB 180916.J0158+65, som astronomerne sporede til et stjernekværnende område i udkanten af ​​en massiv spiralgalakse, 500 millioner lysår fra Jorden. Kilden er den mest aktive FRB-kilde, som CHIME endnu har opdaget, og indtil for nylig var det den nærmeste FRB-kilde til Jorden.

Da forskerne plottede hver af de 38 udbrud over tid, et mønster begyndte at dukke op:Et eller to udbrud ville forekomme over fire dage, efterfulgt af en 12-dages periode uden udbrud, hvorefter mønsteret ville gentage sig. Denne 16-dages cyklus opstod igen og igen i løbet af de 500 dage, de observerede kilden.

"Disse periodiske udbrud er noget, vi aldrig har set før, og det er et nyt fænomen inden for astrofysik, " siger Masui.

Cirklende scenarier

Præcis hvilket fænomen der ligger bag denne nye ekstragalaktiske rytme er en stor ukendt, selvom holdet udforsker nogle ideer i deres nye papir. En mulighed er, at de periodiske udbrud kan komme fra et enkelt kompakt objekt, såsom en neutronstjerne, det er både at snurre og vakle – et astrofysisk fænomen kendt som præcession. Hvis man antager, at radiobølgerne kommer fra et fast sted på objektet, hvis objektet drejer langs en akse, og den akse kun peger mod Jordens retning hver fjerde ud af 16 dage, så ville vi observere radiobølgerne som periodiske udbrud.

En anden mulighed involverer et binært system, såsom en neutronstjerne, der kredser om en anden neutronstjerne eller sort hul. Hvis den første neutronstjerne udsender radiobølger, og er på en excentrisk bane, der kortvarigt bringer den tæt på det andet objekt, tidevandet mellem de to objekter kan være stærkt nok til at få den første neutronstjerne til at deformere og briste kort, før den svinger væk. Dette mønster ville gentage sig, når neutronstjernen svinger tilbage langs sin bane.

Forskerne overvejede et tredje scenarie, involverer en radio-emitterende kilde, der kredser om en central stjerne. Hvis stjernen udsender en vind, eller sky af gas, så hver gang kilden passerer gennem skyen, gassen fra skyen kunne med jævne mellemrum forstørre kildens radioemissioner.

"Måske giver kilden altid disse udbrud, men vi ser dem kun, når det går gennem disse skyer, fordi skyerne fungerer som en linse, " siger Masui.

Den måske mest spændende mulighed er ideen om, at denne nye FRB, og selv dem, der ikke er periodiske eller endda gentages, kan stamme fra magnetarer - en type neutronstjerne, der menes at have et ekstremt kraftigt magnetfelt. Oplysningerne om magnetarer er stadig lidt af et mysterium, men astronomer har observeret, at de af og til frigiver enorme mængder stråling over det elektromagnetiske spektrum, herunder energi i radiobåndet.

"Folk har arbejdet på, hvordan man får disse magnetarer til at udsende hurtige radioudbrud, og denne periodicitet, vi har observeret, er siden blevet indarbejdet i disse modeller for at finde ud af, hvordan det hele hænger sammen, " siger Masui.

For ganske nylig, den samme gruppe lavede en ny observation, der understøtter ideen om, at magnetarer faktisk kan være en levedygtig kilde til hurtige radioudbrud. I slutningen af ​​april, CHIME opfangede et signal, der lignede et hurtigt radioudbrud, kommer fra en flammende magnetar, omkring 30, 000 lysår fra Jorden. Hvis signalet bekræftes, dette ville være den første FRB opdaget i vores egen galakse, såvel som det mest overbevisende bevis på magnetarer som kilde til disse mystiske kosmiske gnister.