Kiedy astronomowie po raz pierwszy zauważyli wykrycie Szybkiego Wybuchu Radia (FRB) w 2007 r. (Znany również jako Wybuch Lorimera), byli zdumieni i zaintrygowani. Wydaje się, że ten wybuch energii o wysokiej częstotliwości impulsów radiowych, który trwał zaledwie kilka milisekund, pochodził spoza naszej galaktyki. Od tego czasu astronomowie znaleźli dowody wielu FRB we wcześniej zarejestrowanych danych i nadal spekulują, co je powoduje.
Dzięki późniejszym odkryciom i badaniom astronomowie wiedzą teraz, że FRB są znacznie częstsze niż wcześniej sądzono. W rzeczywistości, według nowego badania przeprowadzonego przez zespół naukowców z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), FRB mogą pojawiać się co sekundę w obserwowalnym Wszechświecie. Jeśli to prawda, FRB mogą być potężnym narzędziem do badania początków i ewolucji kosmosu.
Badanie, zatytułowane „Szybka seria radiowa pojawia się co sekundę w całym obserwowalnym wszechświecie”, niedawno pojawiło się w The Astrophysical Journal Letters. Badania prowadziła Anastasia Fialkov, badaczka postdoc i stypendystka CfA's Institute for Theory and Computation (ITC). Dołączyli do niej profesor Abraham Loeb, dyrektor ITC i Frank B. Baird, profesor nauk przyrodniczych na Harvardzie.
Jak wspomniano, FRB pozostały tajemnicą od czasu ich pierwszego odkrycia. Nie tylko ich przyczyny pozostają nieznane, ale wiele o ich prawdziwej naturze wciąż nie jest rozumianych. Jak dr Fialkov powiedział Space Magazine e-mailem:
„FRB (lub szybkie fale radiowe) to sygnały astrofizyczne o nieokreślonej naturze. Obserwowane impulsy są krótkie (lub trwają milisekundy), jasne impulsy w części radiowej widma elektromagnetycznego (przy częstotliwościach GHz). Do tej pory zaobserwowano tylko 24 serie i wciąż nie wiemy na pewno, które procesy fizyczne je wywołują. Najbardziej prawdopodobne wyjaśnienie polega na tym, że są one uruchamiane przez obracające się namagnesowane gwiazdy neutronowe. Teorię tę należy jednak potwierdzić. ”
Ze względu na swoje badania Fialkov i Loeb oparli się na obserwacjach przeprowadzonych przez wiele teleskopów powtarzającego się szybkiego wybuchu radiowego znanego jako FRB 121102. FRB ten został po raz pierwszy zaobserwowany w 2012 r. Przez badaczy korzystających z radioteleskopu Arecibo w Puerto Rico, i od tego czasu potwierdzono, że pochodzi z galaktyki oddalonej o 3 miliardy lat świetlnych w kierunku gwiazdozbioru Auriga.
Od momentu wykrycia wykryto dodatkowe impulsy pochodzące z jego lokalizacji, co czyni FRB 121102 jedynym znanym przykładem powtarzającego się FRB. Ta powtarzalna natura pozwoliła również astronomom na przeprowadzenie bardziej szczegółowych badań nad nią niż jakikolwiek inny FRB. Jak powiedział profesor Loeb do Space Magazine za pośrednictwem poczty elektronicznej, te i inne powody sprawiły, że był to idealny cel do ich badań:
„FRB 121102 jest jedynym FRB, dla którego zidentyfikowano galaktykę gospodarza i odległość. Jest to również jedyne powtarzające się źródło FRB, z którego do tej pory wykryliśmy setki FRB. Widmo radiowe jego FRB jest skoncentrowane na charakterystycznej częstotliwości i nie obejmuje bardzo szerokiego pasma. Ma to istotne implikacje dla wykrywalności takich FRB, ponieważ aby je znaleźć, obserwatorium radiowe musi zostać dostosowane do ich częstotliwości. ”
Na podstawie tego, co wiadomo o FRB 121102, Fialkov i Loeb przeprowadzili szereg obliczeń, w których przyjęto, że jego zachowanie jest reprezentatywne dla wszystkich FRB. Następnie przewidzieli, ile FRB istniałoby na całym niebie i ustalili, że w obserwowalnym Wszechświecie FRB prawdopodobnie będzie się odbywać co sekundę. Fialkov wyjaśnił:
„Zakładając, że FRB są wytwarzane przez galaktyki określonego typu (np. Podobne do FRB 121102), możemy obliczyć, ile FRB musi zostać wyprodukowanych przez każdą galaktykę, aby wyjaśnić istniejące obserwacje (tj. 2000 na niebo dziennie). Mając to na uwadze, możemy wywnioskować tempo produkcji dla całej populacji galaktyk. Z tych obliczeń wynika, że FRB pojawia się co sekundę przy uwzględnianiu wszystkich słabych zdarzeń. ”
Chociaż dokładna natura i pochodzenie FRB są nadal nieznane - sugestie obejmują obracające się gwiazdy neutronowe, a nawet obcą inteligencję! - Fialkov i Loeb wskazują, że można je wykorzystać do badania struktury i ewolucji Wszechświata. Jeśli rzeczywiście występują one z taką regularną częstotliwością w całym kosmosie, wówczas bardziej odległe źródła mogłyby działać jako sondy, na których astronomowie polegaliby następnie w głębinach kosmosu.
Na przykład na ogromnych kosmicznych odległościach znajduje się znaczna ilość interweniującego materiału, który utrudnia astronomom badanie Kosmicznego Mikrofalowego Tła (CMB) - pozostałego promieniowania z Wielkiego Wybuchu. Badania tego interweniującego materiału mogą doprowadzić do nowych szacunków dotyczących tego, jak gęsta jest przestrzeń - tj. Ile składa się ze zwykłej materii, ciemnej materii i ciemnej energii - i jak szybko się rozszerza.
I jak wskazał prof. Loeb, FRB można również wykorzystać do zbadania trwałych pytań kosmologicznych, takich jak koniec „Ciemnej Ery” Wszechświata:
„FRB można wykorzystać do pomiaru kolumny wolnych elektronów w kierunku ich źródła. Można to wykorzystać do pomiaru gęstości zwykłej materii między galaktykami we współczesnym wszechświecie. Ponadto FRB we wczesnych czasach kosmicznych można wykorzystać do ustalenia, kiedy światło ultrafioletowe z pierwszych gwiazd rozbiło pierwotne atomy wodoru pozostałe z Wielkiego Wybuchu na ich składowe elektrony i protony. ”
„Dark Age”, który miał miejsce między 380 000 a 150 milionów lat po Wielkim Wybuchu, charakteryzował się „mgłą” atomów wodoru oddziałujących z fotonami. W rezultacie promieniowanie tego okresu jest niewykrywalne przez nasze obecne instrumenty. Obecnie naukowcy wciąż próbują ustalić, w jaki sposób Wszechświat dokonał przejścia między tymi „ciemnymi wiekami” a kolejnymi epokami, gdy wszechświat był wypełniony światłem.
Ten okres „reionizacji”, który miał miejsce 150 milionów do 1 miliarda lat po Wielkim Wybuchu, miał miejsce, gdy powstały pierwsze gwiazdy i kwazary. Powszechnie uważa się, że światło UV z pierwszych gwiazd we Wszechświecie podróżowało na zewnątrz, aby zjonizować gazowy wodór (usuwając w ten sposób mgłę). Ostatnie badania sugerują również, że czarne dziury, które istniały we wczesnym Wszechświecie, stworzyły niezbędne „wiatry”, które pozwoliły ujść promieniowaniu jonizującemu.
W tym celu FRB można wykorzystać do zbadania tego wczesnego okresu Wszechświata i ustalenia, co zepsuło tę „mgłę” i pozwoliło na ujście światła. Badanie bardzo odległych FRB może umożliwić naukowcom zbadanie, gdzie, kiedy i jak zachodził ten proces „reionizacji”. Patrząc w przyszłość, Fialkov i Loeb wyjaśnili, w jaki sposób przyszłe teleskopy radiowe będą w stanie odkryć wiele FRB.
„Przyszłe obserwatoria radiowe, takie jak tablica kilometrów kwadratowych, będą wystarczająco czułe, aby wykryć FRB z pierwszej generacji galaktyk na obrzeżach obserwowalnego wszechświata” - powiedział prof. Loeb. „Nasza praca zapewnia pierwsze oszacowanie liczby i właściwości pierwszych błysków fal radiowych, które wybuchły we wszechświecie niemowlęcym.”
A potem w kanadyjskim Obserwatorium Astrofizycznym Dominion Radio w Kolumbii Brytyjskiej, które niedawno rozpoczęło działalność, jest kanadyjski eksperyment mapowania intensywności wodoru (CHIME). Te i inne instrumenty będą służyć jako potężne narzędzia do wykrywania FRB, które z kolei mogą być wykorzystane do przeglądania wcześniej niewidzianych obszarów czasu i przestrzeni oraz odblokowywania niektórych z najgłębszych tajemnic kosmologicznych.
„Stwierdziliśmy, że oczekuje się, że teleskop nowej generacji (o znacznie lepszej czułości niż te istniejące) zobaczy o wiele więcej FRB niż obecnie”, powiedział dr Fialkov. „Pozwoliłoby to scharakteryzować populację FRB i określić ich pochodzenie. Zrozumienie natury FRB będzie wielkim przełomem. Po poznaniu właściwości tych źródeł FRB można wykorzystać jako kosmiczne sygnały nawigacyjne do eksploracji Wszechświata. Jednym z zastosowań jest zbadanie historii reionizacji (kosmiczne przejście fazowe, gdy między galaktyczny gaz został zjonizowany przez gwiazdy). ”
To natchniona myśl, wykorzystująca naturalne zjawiska kosmiczne jako narzędzia badawcze. Pod tym względem używanie FRB do badania najbardziej odległych obiektów w kosmosie (i tak daleko wstecz, jak to możliwe) jest trochę jak używanie kwazarów jako nawigacyjnych latarni nawigacyjnych. W końcu poszerzenie naszej wiedzy o Wszechświecie pozwala nam odkrywać więcej.
