Astronomowie prześledzili sygnał FRB aż do jego źródła

Szybkie błyski radiowe (FRB – z ang. Fast Radio Burst) to trwające milisekundy wybuchy promieniowania rejestrowane na falach radiowych. Na pierwszy FRB natrafiono w 2007 roku. Od tego czasu zarejestrowano tysiące takich sygnałów. Trwały one ułamki sekundy, ale niosły ze sobą potężną ilość energii. Ich źródła zlokalizowano zarówno w naszej Drodze Mlecznej, jak i w innych galaktykach. Jednak sposób, w jaki te kosmiczne rozbłyski radiowe są emitowane, pozostaje niewiadomą.

Korzystając z nowej techniki astronomowie z Massachusetts Institute of Technology (MIT) ustalili pochodzenie jednego z niedawno zarejestrowanych sygnałów – FRB 20221022A. Według naukowców, jego źródło znajduje się w galaktyce oddalonej o około 200 milionów lat świetlnych, w obszarze oddalonym o maksymalnie 10 tys. kilometrów od znajdującej się tam gwiazdy neutronowej. Opis oraz rezultaty badań ukazał się na łamach pisma "Nature".

FRB są trudne do zbadania, ponieważ w większości przypadków rozbłyski występują tylko raz. To sprawia, że ​​nie da się ich przewidzieć i trudno wyśledzić ich źródło. Astronomowie mogą pomagać sobie w ustaleniu źródła analizując właściwości światła rozbłysku, takie jak jego polaryzacja, aby dowiedzieć się, przez jaki rodzaj środowiska przebyło ono drogę, zanim dotarło na Ziemię. To, jakie rodzaje obiektów mogą emitować FRB, nadal pozostaje tajemnicą, ale coraz więcej dowodów wskazuje na gwiazdy neutronowe o bardzo silnym polu magnetycznym – magnetary.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Wiele pojedynczych FRB zostało wyśledzonych do galaktyk oddalonych o setki milionów, a nawet miliardy lat świetlnych. Zespół z MIT analizując światło FRB 20221022A skupił się na określeniu dokładnej lokalizacji sygnału. Naukowcy dosyć szybko ustalili, że źródło sygnału znajduje się w galaktyce oddalonej o około 200 milionów lat świetlnych od nas. Następnie zbadali zmiany jasności FRB i ustalili, że rozbłysk musiał pochodzić z bezpośredniego sąsiedztwa gwiazdy neutronowej, oddalonego maksymalnie o 10 tys. kilometrów.

Tak mała odległość od gwiazdy wskazuje, że rozbłysk prawdopodobnie wyłonił się z magnetosfery gwiazdy neutronowej — silnie magnetycznego regionu bezpośrednio otaczającego zdegenerowaną gwiazdę.

– W środowiskach gwiazd neutronowych pola magnetyczne są naprawdę na granicy tego, co Wszechświat może wytworzyć – mówi Kenzie Nimmo z MIT, główna autorka publikacji. – Toczy się wiele dyskusji na temat tego, czy taka emisja radiowa mogłaby w ogóle wydostać się z tego ekstremalnego środowiska – dodaje.

– Wokół tych silnie magnetycznych gwiazd neutronowych, znanych również jako magnetary, atomy nie mogą istnieć, zostałyby po prostu rozerwane przez pola magnetyczne – mówi Kiyoshi Masui z MIT. – Odkryliśmy, że energia zmagazynowana w tych polach magnetycznych, blisko źródła, skręca się i rekonfiguruje w taki sposób, że może zostać uwolniona jako fale radiowe, które możemy zobaczyć w połowie Wszechświata – dodaje.

Naukowcy generalnie zgadzają się, że FRB powstają z niezwykle zwartych obiektów, takich jak gwiazdy neutronowe, ale dokładny mechanizm napędzający rozbłyski jest niejasny. Niektóre modele przewidują, że szybkie błyski radiowe powinny pochodzić z turbulentnej magnetosfery bezpośrednio otaczającej zwarty obiekt. Inne wskazują, że powinny powstawać znacznie dalej, jako część fali uderzeniowej, która rozprzestrzenia się z dala od centralnego obiektu.

Aby rozróżnić te dwa scenariusze i określić, gdzie powstają FRB, zespół wziął pod uwagę zjawisko scyntylacji przejawiające się jako "migotanie" gwiazd — efekt, który występuje, gdy światło z małego, jasnego źródła, takiego jak gwiazda, przechodzi przez ośrodek, taki jak gaz galaktyczny. Wówczas światło zostaje zniekształcone w sposób, który sprawia, że ​​dla odległego obserwatora wydaje się, że gwiazda migocze. Im mniejszy lub bardziej oddalony jest obiekt, tym bardziej migocze.

Naukowcy uznali, że jeśli mogliby oszacować stopień migotania FRB, mogliby określić względny rozmiar obszaru, z którego pochodzi. Aby przetestować swój pomysł przyjrzeli się FRB 20221022A. Sygnał trwał około dwóch milisekund, a jego jasność była porównywalna do innych FRB. Jednak FRB 20221022A wyróżniał się tym, że jego światło było silnie spolaryzowane, a kąt polaryzacji tworzył gładką krzywą w kształcie litery S. Ten wzór naukowcy zinterpretowali jako dowód, że miejsce emisji FRB obraca się — cecha wcześniej obserwowana w przypadku pulsarów, które są silnie namagnesowanymi, obracającymi się gwiazdami neutronowymi.

Po raz pierwszy zaobserwowano podobną polaryzację w FRB, co sugeruje, że sygnał mógł powstać w bliskim sąsiedztwie gwiazdy neutronowej. Analizując scyntylację FRB 20221022A uczeni potwierdzili, że gdzieś pomiędzy teleskopem, który zarejestrował sygnał, a jego źródłem, znajduje się gaz, który zniekształca światło. Następnie badacze ustalili, że gaz w galaktyce macierzystej FRB był odpowiedzialny za część zaobserwowanej scyntylacji. Gaz ten działał jak naturalna soczewka, umożliwiając badaczom powiększenie miejsca FRB i ustalenie, że rozbłysk pochodził z niezwykle małego regionu, szacowanego na około 10 tys. kilometrów szerokości.

To pierwszy dowód na to, że pozagalaktyczne FRB mogą pochodzić z wnętrza magnetosfery silnie namagnesowanych gwiazd neutronowych. Ale to nie wszystko. Techniki stosowane przez zespół pokazują, że scyntylacja może być dobrym narzędziem do badania innych FRB, dzięki czemu astronomowie mogą spróbować zrozumieć, jak różnorodne mogą być te błyski oraz czy inne rodzaje gwiazd również mogą je emitować.

Źródło: Massachusetts Institute of Technology, Science Alert