Ponad 15 lat po odkryciu szybkich rozbłysków radiowych (FRB) – trwających milisekundę kosmicznych eksplozji promieniowania elektromagnetycznego w głębokim kosmosie – astronomowie na całym świecie przeczesują wszechświat, aby odkryć wskazówki dotyczące tego, jak i dlaczego powstają.
Prawie wszystkie zidentyfikowane FRB pochodzą z głębokiego kosmosu poza naszą Drogą Mleczną. Tak było do kwietnia 2020 roku, kiedy to wykryto pierwszy galaktyczny FRB, nazwany FRB 20200428. Ten FRB został wytworzony przez magnetar (SGR J1935+2154), gęstą gwiazdę neutronową wielkości miasta z niewiarygodnie silnym polem magnetycznym.
To przełomowe odkrycie doprowadziło niektórych do przekonania, że FRB zidentyfikowane w kosmologicznych odległościach poza naszą galaktyką mogą być również wytwarzane przez magnetary. Jednak dymiący pistolet dla takiego scenariusza, okres rotacji spowodowany obrotem magnetara, jak dotąd uniknął wykrycia. Nowe badania nad SGR J1935+2154 rzucają światło na tę ciekawą rozbieżność.
W numerze czasopisma Science Advances z 28 lipca międzynarodowy zespół naukowców, w tym astrofizyk UNLV Bing Zhang, donosi o ciągłym monitorowaniu SGR J1935+2154 po FRB z kwietnia 2020 r. i odkryciu innego zjawiska kosmologicznego znanego jako pulsar radiowy etap pięć miesięcy później.
Rozwikłanie kosmologicznej zagadki
Aby pomóc im w poszukiwaniu odpowiedzi, astronomowie polegają częściowo na potężnych radioteleskopach, takich jak masywny sferyczny radioteleskop o średnicy pięciuset metrów (FAST) w Chinach, który śledzi FRB i inną aktywność w głębokim kosmosie. Korzystając z FAST, astronomowie zaobserwowali, że FRB 20200428 i późniejsza faza pulsara pochodzą z różnych regionów w zasięgu magnetara, co wskazuje na różne pochodzenie.
„FAST wykrył 795 impulsów w ciągu 16,5 godziny w ciągu 13 dni od źródła” – powiedział Weiwei Zhu, główny autor artykułu z National Astronomical Observatory of China (NAOC). „Te impulsy wykazują inne właściwości obserwacyjne niż rozbłyski obserwowane ze źródła”.
Ta dychotomia w trybach emisji z obszaru magnetosfery pomaga astronomom zrozumieć, jak i gdzie FRB i powiązane zjawiska zachodzą w naszej galaktyce, a być może także w dalszych odległościach kosmologicznych.
Impulsy radiowe to kosmiczne eksplozje elektromagnetyczne, podobne do FRB, ale zazwyczaj emitują jasność około 10 rzędów wielkości mniejszą niż FRB. Impulsy zwykle obserwuje się nie w magnetarach, ale w innych obracających się gwiazdach neutronowych, znanych jako pulsary. Według Zhanga, współautora artykułu i dyrektora Nevada Center for Astrophysics, większość magnetarów przez większość czasu nie emituje impulsów radiowych, prawdopodobnie z powodu ich niezwykle silnych pól magnetycznych. Ale, podobnie jak w przypadku SGR J1935+2154, niektóre z nich stają się tymczasowymi pulsarami radiowymi po pewnych wybuchach.
Kolejną cechą odróżniającą rozbłyski i impulsy są „fazy” emisji, tj. okno czasowe, w którym emisja radiowa jest emitowana w każdym okresie emisji.
„Podobnie jak impulsy w pulsarach radiowych, impulsy magnetara są emitowane w wąskim oknie fazowym w tym okresie” – powiedział Zhang. „Jest to dobrze znany efekt latarni morskiej, a mianowicie wiązka emisyjna omiata linię wzroku raz na okres i tylko w krótkim odstępie czasu w każdym okresie. Można wtedy zaobserwować pulsacyjną emisję radiową”.
Zhang powiedział, że FRB z kwietnia 2020 r. i kilka późniejszych, mniej energetycznych rozbłysków zostało wyemitowanych w losowych fazach poza oknem pulsarowym zidentyfikowanym w fazie pulsara.
„To zdecydowanie sugeruje, że impulsy i rozbłyski pochodzą z różnych miejsc w magnetosferze magnetarowej, co sugeruje prawdopodobnie różne mechanizmy emisji między impulsami i rozbłyskami” – powiedział.
Implikacje dla kosmologicznych FRB
Tak szczegółowa obserwacja galaktycznego źródła FRB rzuca światło na tajemnicze FRB dominujące w kosmologicznych odległościach.
Zaobserwowano, że wiele źródeł kosmologicznych FRB – występujących poza naszą galaktyką – powtarza się. W niektórych przypadkach FAST wykrył tysiące powtarzających się wybuchów z kilku źródeł. Głębokie poszukiwania okresowości na poziomie sekund były przeprowadzane przy użyciu tych impulsów w przeszłości i jak dotąd nie odkryto żadnego okresu.
Według Zhanga podważa to popularny pogląd, że w przeszłości powtarzające się FRB były zasilane magnetarami.
„Nasze odkrycie, że rozbłyski mają tendencję do generowania się w losowych fazach, stanowi naturalną interpretację braku wykrycia okresowości powtarzających się FRB” – powiedział. „Z nieznanych powodów błyski są zwykle emitowane we wszystkich kierunkach z magnetara, co uniemożliwia identyfikację okresów ze źródeł FRB”.