Astronomer registrerer et radiohjerteslag milliarder af lysår fra Jorden

Astronomer ved MIT og andre steder har opdaget et mærkeligt og vedvarende radiosignal fra en fjern galakse, der ser ud til at blinke med overraskende regelmæssighed.

Signalet er klassificeret som et hurtigt radioudbrud eller FRB - et intenst kraftigt udbrud af radiobølger af ukendt astrofysisk oprindelse, der typisk varer i et par millisekunder højst. Dette nye signal varer dog i op til tre sekunder, omkring 1.000 gange længere end den gennemsnitlige FRB. Inden for dette vindue opdagede holdet udbrud af radiobølger, der gentages hvert 0,2 sekund i et tydeligt periodisk mønster, der ligner et bankende hjerte.

Forskerne har mærket signalet FRB 20191221A, og det er i øjeblikket den længstvarende FRB, med det klareste periodiske mønster, der er registreret til dato.

Kilden til signalet ligger i en fjern galakse, flere milliarder lysår fra Jorden. Præcis hvad den kilde kan være forbliver et mysterium, selvom astronomer har mistanke om, at signalet kan komme fra enten en radiopulsar eller en magnetar, som begge er typer neutronstjerner - ekstremt tætte, hurtigt roterende kollapsede kerner af kæmpestjerner.

"Der er ikke mange ting i universet, der udsender strengt periodiske signaler," siger Daniele Michilli, en postdoc ved MIT's Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. "Eksempler, som vi kender til i vores egen galakse, er radiopulsarer og magnetarer, som roterer og producerer en strålede emission, der ligner et fyrtårn. Og vi tror, ​​at dette nye signal kunne være en magnetar eller pulsar på steroider."

Holdet håber at detektere flere periodiske signaler fra denne kilde, som derefter kan bruges som et astrofysisk ur. For eksempel kunne frekvensen af ​​udbruddene, og hvordan de ændrer sig, når kilden bevæger sig væk fra Jorden, bruges til at måle den hastighed, hvormed universet udvider sig.

Opdagelsen er rapporteret i dag i tidsskriftet Nature , og er forfattet af medlemmer af CHIME/FRB Collaboration, herunder MIT-medforfatterne Calvin Leung, Juan Mena-Parra, Kaitlyn Shin og Kiyoshi Masui ved MIT, sammen med Michilli, der ledede opdagelsen først som forsker ved McGill University , og derefter som postdoc ved MIT.

"Bom, bom, bom"

Siden den første FRB blev opdaget i 2007, er hundredvis af lignende radioglimt blevet detekteret over hele universet, senest af Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment, eller CHIME, et interferometrisk radioteleskop bestående af fire store parabolske reflektorer, der er placeret ved Dominion Radio Astrophysical Observatory i British Columbia, Canada.

CHIME observerer konstant himlen, mens Jorden roterer, og er designet til at opfange radiobølger, der udsendes af brint i de allertidligste stadier af universet. Teleskopet er tilfældigvis også følsomt over for hurtige radioudbrud, og siden det begyndte at observere himlen i 2018, har CHIME opdaget hundredvis af FRB'er, der kommer fra forskellige dele af himlen.

Langt de fleste FRB'er, der er observeret til dato, er engangseffekter - ultralyse udbrud af radiobølger, der varer i et par millisekunder, før de blinker af. For nylig opdagede forskere den første periodiske FRB, der så ud til at udsende et regulært mønster af radiobølger. Dette signal bestod af et fire-dages vindue af tilfældige udbrud, der derefter gentog sig hver 16. dag. Denne 16-dages cyklus indikerede et periodisk aktivitetsmønster, selvom signalet fra de faktiske radioudbrud var tilfældigt snarere end periodisk.

Den 21. december 2019 opfangede CHIME et signal om en potentiel FRB, som straks tiltrak Michillis opmærksomhed, som scannede de indgående data.

"Det var usædvanligt," husker han. "Ikke alene var det meget langt, og det varede omkring tre sekunder, men der var periodiske toppe, der var bemærkelsesværdigt præcise, og udsendte hver brøkdel af et sekund - bom, bom, bom - som et hjerteslag. Det er første gang, selve signalet er periodisk ."

Strålende udbrud

Ved at analysere mønstret af FRB 20191221A's radioudbrud fandt Michilli og hans kolleger ligheder med emissioner fra radiopulsarer og magnetarer i vores egen galakse. Radiopulsarer er neutronstjerner, der udsender stråler af radiobølger, der ser ud til at pulsere, når stjernen roterer, mens en lignende emission produceres af magnetarer på grund af deres ekstreme magnetfelter.

Den største forskel mellem det nye signal og radioemissioner fra vores egne galaktiske pulsarer og magnetarer er, at FRB 20191221A ser ud til at være mere end en million gange lysere. Michilli siger, at de lysende blink kan stamme fra en fjern radiopulsar eller magnetar, der normalt er mindre lysstærk, når den roterer, og af en eller anden ukendt årsag udstødte et tog af strålende udbrud i et sjældent tre-sekunders vindue, som CHIME heldigvis var placeret til at fange.

"CHIME har nu opdaget mange FRB'er med forskellige egenskaber," siger Michilli. "Vi har set nogle, der lever inde i skyer, der er meget turbulente, mens andre ser ud, som om de er i rene miljøer. Ud fra egenskaberne af dette nye signal kan vi sige, at der omkring denne kilde er en sky af plasma, der skal være ekstremt turbulent."

Astronomerne håber at fange yderligere udbrud fra den periodiske FRB 20191221A, som kan hjælpe med at forbedre deres forståelse af dens kilde og neutronstjerner generelt.

"Denne påvisning rejser spørgsmålet om, hvad der kan forårsage dette ekstreme signal, som vi aldrig har set før, og hvordan kan vi bruge dette signal til at studere universet," siger Michilli. "Fremtidige teleskoper lover at opdage tusindvis af FRB'er om måneden, og på det tidspunkt kan vi finde mange flere af disse periodiske signaler." + Udforsk yderligere

Hurtige radioudbrud viser sig at omfatte radiobølger med lavere frekvens end tidligere registreret