Με μια δεύτερη επαναλαμβανόμενη ραδιοφωνική έκρηξη, οι αστρονόμοι κλείνουν σε μια εξήγηση
Μεταξύ αυτών των περασμένων Χριστουγέννων και της Πρωτοχρονιάς, ο Brian Metzger συνειδητοποίησε ότι είχε το σπίτι του για τον εαυτό του - δεν έρχονται μηνύματα ηλεκτρονικού ταχυδρομείου, δεν υπάρχουν μαθήματα για διδασκαλία - και ίσως, απλώς ίσως, η λάμψη μιας απάντησης σε ένα από τα πιο επίμονα μυστήρια της αστρονομίας.
Κυνήγησε σκληρά μετά το προβάδισμα, ανησύχησε ότι ένα μικρό λάθος θα μπορούσε να ξεδιαλύνει τα πάντα ή ότι κάποιος άλλος θα έφτιαχνε πρώτα τα ίδια κομμάτια. «Τροπολογείτε λίγο ενάντια στον χρόνο, γιατί πιθανώς και άλλοι άνθρωποι το βλέπουν αυτό», είπε ο Metzger, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο Columbia. "Μπορεί να γίνει κάπως καταναλωτική."
Μαζί με πολλούς άλλους ερευνητές σε όλο τον κόσμο, ο Metzger πέρασε τα τελευταία χρόνια αναζητώντας τρόπους κατανόησης των γρήγορων ραδιοφωνικών εκρήξεων (FRB). Αυτές είναι εκρήξεις μήκους χιλιοστού του δευτερολέπτου έντονων και ανεξήγητων ραδιοφωνικών σημάτων που αναδύονται σε όλο τον ουρανό, ξεπερνώντας προσωρινά τα ραδιοπάλσαρ στον γαλαξία μας, παρόλο που είναι ίσως ένα εκατομμύριο φορές πιο μακριά. Πριν από το 2013, πολλοί αστροφυσικοί αμφέβαλλαν για την ύπαρξη τους. Στα χρόνια που πέρασαν, οι ερευνητές έχουν εφεύρει δεκάδες πιθανές εξηγήσεις για το τι μπορεί να τις προκαλεί. Ένας κατάλογος μετράει 48 ξεχωριστές θεωρίες, αριθμός που μέχρι πρόσφατα ξεπερνούσε τα ίδια τα γεγονότα.
Μια θεωρία FRB χρειάζεται δύο μέρη, περίπου παρόμοια με έναν ύποπτο και ένα όπλο σε ένα κοσμικό παιχνίδι Clue. Ο ύποπτος είναι ένα αστροφυσικό θηρίο που μπορεί να απελευθερώσει τεράστια ποσά ενέργειας. Το όπλο είναι κάτι που θα μετατρέψει αυτή την ενέργεια σε ένα φωτεινό, ασυνήθιστο ραδιοφωνικό σήμα.
Τώρα ο Metzger και οι συνεργάτες του πιστεύουν ότι έχουν ανακατασκευάσει τον τόπο του εγκλήματος. Νωρίτερα αυτό το μήνα κυκλοφόρησαν μια εργασία στον επιστημονικό ιστότοπο προεκτύπωσης arxiv.org που σκιαγράφησε έναν τρόπο για να προκύψουν οι FRB από εκρήξεις σε περιοχές του διαστήματος γεμάτες με πυκνά σύννεφα σωματιδίων και μαγνητικά πεδία.
Το μοντέλο ευνοεί, αλλά δεν απαιτεί, ένα μαγνητάρι ως πηγή των εκρήξεων. Ένα μαγνητάρι είναι ένα νεαρό αστέρι νετρονίων που μερικές φορές εκτοξεύει φορτισμένα σωματίδια σε μια υπερμεγέθη εκδοχή των στεφανιαίων εκτινάξεων μάζας που εκρήγνυνται στον ήλιο. Κάθε νέα έκρηξη πέφτει στη γύρω ακαταστασία. Όταν συμβαίνει, δημιουργεί ένα κρουστικό κύμα, το οποίο με τη σειρά του εκπέμπει μια σύντομη λάμψη ραδιοκυμάτων σαν λέιζερ στα μισά του σύμπαντος.
«Με πολύ γενικούς όρους, αυτό είναι πολύ λογικό», είπε ο Τζέιμς Κόρντες, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο Κορνέλ, προσθέτοντας ότι, ενώ πρέπει να διερευνηθούν περαιτέρω λεπτομέρειες, «θα έλεγα ότι είναι ένα καλό άλογο για να στοιχηματίσετε».
Αυτό που αρέσει πραγματικά στους αστρονόμους, ωστόσο, είναι ότι η θεωρία του Metzger δημιουργεί πολύ συγκεκριμένες προβλέψεις για το πώς θα πρέπει να είναι οι μελλοντικοί FRB, προβλέψεις που σύντομα θα τεθούν σε δοκιμές make-or-break. Ένα νέο καναδικό ραδιοτηλεσκόπιο που ονομάζεται CHIME αναμένεται να βρίσκει από ένα έως 10 FRB κάθε μέρα αφού τεθεί πλήρως σε λειτουργία αργότερα φέτος. Κατά τη διάρκεια των αρχικών δοκιμών το περασμένο καλοκαίρι, εντόπισε τις ντουζίνες ενός αρτοποιού, αποτελέσματα που δημοσιεύθηκαν τον Ιανουάριο. "Πιστεύω ότι τον επόμενο χρόνο περίπου θα είμαστε σε θέση να το δοκιμάσουμε πολύ καλά", δήλωσε ο Shriharsh Tendulkar, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο McGill και μέλος της ομάδας FRB του CHIME.
Σε ταχύτητα κρουστικού κύματος
Η θεωρία που αναπτύχθηκε από τον Metzger και τους συναδέλφους του Ben Margalit και Lorenzo Sironi βασίζεται στο μεγαλύτερο σπάσιμο στην υπόθεση FRB μέχρι στιγμής. Το 2016, μια ομάδα με επικεφαλής τη Laura Spitler στο Ινστιτούτο Max Planck για τη Ραδιοαστρονομία στη Βόννη της Γερμανίας, δημοσίευσε τα αποτελέσματά της στο πρώτο FRB που είναι γνωστό ότι επαναλαμβάνεται. Προηγουμένως, κάθε εκδήλωση ήταν εφάπαξ. Ως αποτέλεσμα, οι αστρονόμοι δεν μπόρεσαν να εντοπίσουν πού βρίσκονταν στον ουρανό, οπότε ενώ υποψιάζονταν ότι οι FRB προέρχονταν από πολύ πέρα από τον γαλαξία μας, δεν ήξεραν τίποτα για το πού. Αλλά αυτό ακούγεται έκρηξη μετά από αινιγματική έκρηξη σε απρόβλεπτα διαστήματα.
Οι αστρονόμοι του ραδιοφώνου σύντομα εντόπισαν την προέλευσή του σε έναν μικρό, δύσμορφο νάνο γαλαξία. Προσπαθώντας να αποσπάσουν κάθε ένδειξη από αυτά τα ραδιοφωνικά σήματα, διαπίστωσαν ότι προερχόταν από μια πυκνή περιοχή πλάσματος που πιάστηκε από ακραία μαγνητικά πεδία. Διαπίστωσαν επίσης ότι η έκρηξη περιβαλλόταν από μια πιο αμυδρή, συνεχή λάμψη ραδιοφώνου. Και τον περασμένο Νοέμβριο, ο αστρονόμος Jason Hessels (με τον Spitler και άλλους) παρατήρησε κάτι άλλο περίεργο:Κάθε έκρηξη κλασμάτων του δευτερολέπτου περιέχει στην πραγματικότητα μερικές υποεκρήξεις που, χωρίς αποτυχία, μετατοπίζονται προς τα κάτω από υψηλότερες σε χαμηλότερες ραδιοσυχνότητες.
Στην ομάδα του Metzger, αυτή η τελευταία ένδειξη φαινόταν παράξενα γνώριμη. Στη δεκαετία του 1950, οι φυσικοί μελέτησαν τα κύματα έκρηξης των πυρηνικών όπλων για να εκτιμήσουν την απόδοσή τους. Σε αυτά τα μοντέλα, τα μέτωπα κρούσης από πυρηνικές εκρήξεις σαρώνουν περισσότερο αέριο καθώς διαστέλλονται προς τα έξω. Αυτό το επιπλέον βάρος επιβραδύνει το σοκ και επειδή επιβραδύνει, η ακτινοβολία που εκλύεται από το μέτωπο του κραδασμού μετατοπίζεται προς τα κάτω σε συχνότητα χάρη στο φαινόμενο Doppler.
Ο Metzger είχε σκεφτεί ότι αυτό το φαινόμενο του κύματος έκρηξης μπορεί να υπαινίσσεται την πραγματική φύση των FRBs όταν ξαφνικά, στις αρχές Ιανουαρίου, η έλξη από το τηλεσκόπιο CHIME περιλάμβανε ένα άλλο επαναλαμβανόμενο γεγονός. Τα επαναλαμβανόμενα σήματα ραδιοφώνου αυτού έδειξαν την ίδια ολίσθηση συχνότητας προς τα κάτω. "Η ιδέα ήταν εκεί με τον πρώτο επαναλήπτη", είπε ο Metzger, "αλλά βλέποντας αυτό το χαρακτηριστικό των FRB ενίσχυσε κάπως με έβαλε σε υπερβολική κίνηση."
Τώρα οι Metzger, Margalit και Sironi κυκλοφόρησαν το πλήρες μοντέλο τους, βασισμένο κυρίως στην εξήγηση των εννοιών του πρώτου επαναλήπτη. Φανταστείτε ένα μαγνητάρι, ένα αστέρι νετρονίων στο μέγεθος της πόλης που σφυρηλατήθηκε σε μια σουπερνόβα μόλις λίγα χρόνια ή δεκαετίες νωρίτερα, με την επιφάνειά του να κυλάει και να αναδεύεται. Όπως ο ήλιος σε μια κακή μέρα, αυτό το νεαρό μαγνητάρι απελευθερώνει περιστασιακές εκλάμψεις που εκτοξεύουν ηλεκτρόνια, ποζιτρόνια και ίσως βαρύτερα ιόντα με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός.
Όταν αυτό το υλικό εκτοξεύεται, τρέχει σε παλαιότερα σωματίδια που έχουν βγει από εμετό κατά τη διάρκεια προηγούμενων εκλάμψεων. Όπου η νέα εκτίναξη συναντά τα παλαιότερα συντρίμμια, συσσωρεύεται σε ένα σοκ, μέσα στο οποίο τα μαγνητικά πεδία εκτινάσσονται στα ύψη. Καθώς το σοκ πιέζεται προς τα έξω, τα ηλεκτρόνια στο εσωτερικό περιστρέφονται γύρω από τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου και αυτή η κίνηση παράγει μια έκρηξη ραδιοκυμάτων. Αυτό το σήμα στη συνέχεια μετατοπίζεται από υψηλότερες σε χαμηλότερες συχνότητες καθώς το σοκ επιβραδύνεται. (Και πιθανώς, πολύ μακριά και αιώνες αργότερα, οι αστρονόμοι της Γης λαμβάνουν μια πολύ συναρπαστική ειδοποίηση μέσω email από ραδιοτηλεσκόπια.)
Όλα αυτά είναι ακόμα αδύναμα, αλλά η ιδέα είναι έτοιμη να περάσει ή να φύγει με βάση το τι θα συμβεί στη συνέχεια στην ιστορία του FRB. Είναι το πιο ποσοτικό, βαθιά μελετημένο σενάριο μέχρι σήμερα. «Έκαναν τους πιο λεπτομερείς υπολογισμούς και μπόρεσαν να κάνουν τις πιο συγκεκριμένες παρατηρητικές προβλέψεις», είπε ο Σπίτλερ.
Το μοντέλο του Metzger προβλέπει μια σειρά από συγκεκριμένα χαρακτηριστικά που θα πρέπει να μοιράζονται τα μελλοντικά FRB. Για ένα:Όλα τα μελλοντικά FRB θα πρέπει να ακολουθούν την ίδια προς τα κάτω μετατόπιση στη συχνότητα. Μπορεί να δείχνουν εκπομπή ακτίνων γάμμα ή ακτίνων Χ, την οποία αστρονόμοι όπως ο Σπίτλερ έχουν ήδη αρχίσει να αναζητούν. Θα πρέπει να ζουν σε γαλαξίες που σχηματίζουν πολλά νέα αστέρια και παράγουν φρέσκους μαγνήτες. Και όταν επαναλαμβάνονται, θα πρέπει να κάνουν διαλείμματα από την έκρηξη αφού οι αστρονόμοι παρατηρήσουν μια μεγάλη έκλαμψη. Σε εκείνο το σημείο, το σύστημα είναι τόσο πνιγμένο από υλικό που τα επόμενα φλας δεν μπορούν να το διακρίνουν.
Το μοντέλο του Metzger αντιμετωπίζει τώρα ένα πλήθος από άλλες, ακόμα βιώσιμες θεωρίες. Τα FRB θα μπορούσαν να είναι συνέπεια της συγχώνευσης άστρων νετρονίων, τα οποία φώτισαν τόσο τηλεσκόπια όσο και ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων για πρώτη φορά το 2017. Τα αστέρια νετρονίων μπορεί επίσης να δημιουργήσουν FRB όταν συγκρούονται με άλλα αντικείμενα όπως μαύρες τρύπες ή λευκούς νάνους, όταν τα ίδια καταρρέουν σε μαύρες τρύπες ή όταν οι γραμμές του μαγνητικού τους πεδίου μαδούνται από έντονους ανέμους πλάσματος.
Και δεν είναι καν σαφές εάν τα FRB προέρχονται όλα από ένα μόνο είδος εκδήλωσης. Ενώ το μοντέλο του Metzger έχει «ασφυξία» στις παρατηρήσεις του πρώτου επαναλήπτη, είπε η αστροφυσικός Victoria Kaspi, επίσης στο McGill, «Προσωπικά είμαι πάντα λίγο νευρικός όταν κάτι είναι τόσο προσαρμοσμένο σε μια πηγή». Σε σύγκριση με τους επαναλήπτες, ίσως οι μεμονωμένες εκρήξεις προέρχονται από εντελώς διαφορετικές πηγές. Ή, όπως επεσήμαναν ο Spitler και άλλοι τον περασμένο Νοέμβριο, όλα τα FRB μπορεί να επαναληφθούν εάν οι αστρονόμοι περίμεναν μόνο για αρκετό καιρό.
Τα δεδομένα πρόκειται να εισέλθουν, έτοιμα να περιορίσουν το πεδίο. Τους τελευταίους πέντε μήνες, ενώ το CHIME βρισκόταν σε φάση ανάθεσης, οι ερευνητές βρήκαν περισσότερες εκρήξεις που δεν έχουν δημοσιοποιήσει. Τα μέλη της ομάδας ελπίζουν να ξεκινήσουν την επίσημη πορεία παρατήρησης τον Απρίλιο. Το Australian Square Kilometer Array, ένα δίκτυο 36 ραδιοφωνικών πιάτων στη δυτική Αυστραλία, αναζητά επίσης περισσότερα παραδείγματα και εργάζεται για να εντοπίσει τα ακριβή σπίτια τους. Και μέσα σε λίγα χρόνια, το ίδιο θα κάνει και το HIRAX:μια σειρά από πιάτα στη Νότια Αφρική, τη Μποτσουάνα και τη Ρουάντα που θα κυνηγούν FRB σε ένα περιβάλλον απαλλαγμένο από ραδιοφωνικά σήματα περιβάλλοντος.
Μετά από χρόνια αραιών δεδομένων και θεωρητικής αφηρημάδας, μια λύση φαίνεται επιτέλους εφικτή. Στα μέσα Φεβρουαρίου, οι περίεργοι αστρονόμοι του FRB συναντήθηκαν στο Άμστερνταμ για να μοιραστούν νέες ανακαλύψεις, παρακαλώ-μην-αναρτήσετε αυτό στο Twitter και να συζητήσουν την ιδέα ότι τα αστέρια νετρονίων είναι κατά κάποιο τρόπο υπεύθυνα. «Αυτό είναι πολύ ωραίο με τη θεωρία του που κυκλοφόρησε πρόσφατα», έγραψε σε ένα email η Amanda Weltman, θεωρητική αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Κέιπ Τάουν. «Είναι μια τέλεια στιγμή». Οι ερευνητές συζήτησαν το μοντέλο του Metzger, που παρουσιάστηκε στη συνάντηση από τη συν-συγγραφέα του Margalit, αλλά δεν δεσμεύτηκαν ακόμη σε αυτό. «Είμαστε στα πρόθυρα σύγκλισης», είπε ο Tendulkar. "Ας το θέσω έτσι."
Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στις Wired.com .
