Μια Ανακάλυψη Έκπληξη δείχνει την πηγή των γρήγορων ραδιοφωνικών εκρήξεων

Το πρωί της 28ης Απριλίου, ένα νεότευκτο ραδιοτηλεσκόπιο παρακολουθούσε τον ήσυχο ουρανό πάνω από τη Βρετανική Κολομβία όταν έπιασε το φλας που θα άλλαζε τα πάντα. Ένα από τα καθήκοντα του τηλεσκοπίου ήταν να αναζητήσει γρήγορες ραδιοεκρήξεις — εκρήξεις μήκους χιλιοστού του δευτερολέπτου που, μέχρι τότε, πάντα προέρχονταν από μακρινούς γαλαξίες. Κανείς δεν ήξερε με βεβαιότητα τι θα μπορούσε να δημιουργήσει τόσο σύντομες εκρήξεις ραδιοκυμάτων, κάνοντας τις γρήγορες ραδιοφωνικές εκρήξεις ένα από τα πιο συναρπαστικά παζλ στην αστροφυσική.

Το Καναδικό Πείραμα Χαρτογράφησης Έντασης Υδρογόνου, ή CHIME, είχε ήδη εντοπίσει εκατοντάδες γρήγορες ραδιοφωνικές εκρήξεις από τότε που κυκλοφόρησε στο διαδίκτυο τον Ιούλιο του 2018. Μια συνηθισμένη έκρηξη μπορεί να φανεί από δύο έως πέντε από τις κεραίες του οργάνου. Αυτή η έκρηξη πυροδότησε το 93. «Φώτισε το τηλεσκόπιό μας σαν χριστουγεννιάτικο δέντρο», είπε ο Paul Scholz, αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο και μέλος της ομάδας CHIME.

Ο Scholz και οι συνεργάτες του συνειδητοποίησαν γρήγορα ότι η έκρηξη πρέπει να είναι κοντά, και όχι μόνο επειδή το φλας ήταν τόσο φωτεινό. Η φωτοβολίδα φάνηκε να προέρχεται από ένα μέρος του ουρανού όπου ένα αντικείμενο στον Γαλαξία μας έβγαζε ακτίνες Χ. Η σύμπτωση ήταν ισχυρή και, αν επιβεβαιωθεί, θα επέτρεπε στους αστρονόμους να καταλάβουν τι προκαλεί τις γρήγορες ραδιοφωνικές εκρήξεις.

Υπήρχε πρόβλημα όμως. Η έκρηξη ήταν μακριά από το μέρος του ουρανού που παρακολουθούσε άμεσα το CHIME εκείνη τη στιγμή. Εξαιτίας αυτού, η ομάδα δεν μπόρεσε να διαβάσει με ακρίβεια την απόλυτη φωτεινότητά της. Χωρίς αυτές τις πληροφορίες, δεν μπορούσαν να πουν αμέσως εάν η έκρηξη ήταν αρκετά ισχυρή ώστε να χαρακτηριστεί ως μια πραγματική γρήγορη ραδιοφωνική έκρηξη. Σίγουρα, ήταν σύντομο και λαμπερό — αλλά η φωτεινότητά του ήταν αναμενόμενη αφού ήταν τόσο κοντά. Θα μπορούσε απλώς να είναι ένα συνηθισμένο ρέψιμο χαμηλής ενέργειας, που δεν προσφέρει ενδείξεις για τις μεγάλες εκρήξεις.

Ο Scholz κατέθεσε αμέσως ένα μήνυμα στο The Astronomer’s Telegram για να ειδοποιήσει άλλα τηλεσκόπια σε όλο τον κόσμο. Οι αστρονόμοι που εδρεύουν στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια είδαν την ειδοποίηση και πραγματοποίησαν μια γρήγορη σάρωση των δεδομένων τους. Σε αντίθεση με το CHIME, το οποίο κοιτάζει μικρά κομμάτια του ουρανού ανά πάσα στιγμή, το τηλεσκόπιο Caltech's Survey for Transient Astronomical Radio Emission 2 (STARE2) παρατηρεί ολόκληρο τον ουρανό ταυτόχρονα, γεγονός που επέτρεψε στην ομάδα του Caltech να επιβεβαιώσει γρήγορα ότι η έκρηξη ήταν εξαιρετικά ισχυρή. Για ένα σύντομο κλάσμα του δευτερολέπτου, τα ραδιοκύματα που εκπέμπονταν από την πηγή ήταν τόσο φωτεινά όσο εκείνα του ήλιου. Αυτό επέτρεψε στους ερευνητές να κάνουν έναν γρήγορο υπολογισμό στο πίσω μέρος του φακέλου και να επιβεβαιώσουν ότι η έκρηξη ήταν συγκρίσιμη με εξωγαλαξιακές γρήγορες ραδιοφωνικές εκρήξεις.

Στη συνέχεια, οι αστρονόμοι στράφηκαν προς την προηγουμένως γνωστή πηγή:μια εξαιρετικά πυκνή, ταχέως περιστρεφόμενη και εξαιρετικά μαγνητισμένη σκόνη ενός αστρικού πυρήνα που ονομάζεται μαγνήτης. Με μια μόνο τυχερή ανακάλυψη, το μυστήριο από πού προέρχονται οι γρήγορες ραδιοφωνικές εκρήξεις φάνηκε να έχει λυθεί. «Δεν είναι τόσο συχνά που λαμβάνετε μια ιδέα που είναι τόσο εντυπωσιακή που φαίνεται να λύνει ξαφνικά ένα μεγάλο κομμάτι του παζλ», δήλωσε ο Jason Hessels του Ολλανδικού Ινστιτούτου Ραδιοαστρονομίας και του Πανεπιστημίου του Άμστερνταμ. "Κανονικά, παραμερίζουμε το πρόβλημα σε αντίθεση με το να κάνουμε ένα τόσο τεράστιο άλμα προς τα εμπρός."

Έχοντας τον ένοχο στο χέρι, οι αστρονόμοι μπορούν τώρα να επικεντρωθούν στον εντοπισμό της σκληρής φυσικής που παίζει. Τον περασμένο μήνα, εμφανίστηκε μια πλημμύρα από χαρτιά καθώς οι θεωρητικοί υποθέτουν πώς τα μαγνητάρια θα μπορούσαν να εκτοξεύσουν τέτοιες λαμπρές λάμψεις ραδιοκυμάτων. Είναι πιθανό ότι το magnetar ξεκινά τη διαδικασία ανατινάζοντας φορτισμένα σωματίδια σε μια ισχυρή έκρηξη. Αλλά οι αστροφυσικοί συζητούν ακριβώς πώς αυτή η έκλαμψη παράγει την έκρηξη των ραδιοκυμάτων. Είναι παρόμοιο με το να αναγνωρίζεις έναν μάγο, είπε ο Hessels, και μετά να προσπαθείς να αποκρυπτογραφήσει τα μυστικά πίσω από το κόλπο του.

Πώς σκάει μια έκρηξη

Οι αστρονόμοι έχουν συγκεντρώσει περίπου 50 ξεχωριστές θεωρίες για να εξηγήσουν τις γρήγορες ραδιοφωνικές εκρήξεις - ένας απολογισμός που μέχρι πρόσφατα ήταν μεγαλύτερος από τα γεγονότα. Οι ιδέες περιλαμβάνουν μια ποικιλία από άγρια ​​σενάρια που περιλαμβάνουν την εξάτμιση μαύρων τρυπών, το κόψιμο κοσμικών χορδών, ακόμη και τα συστήματα πρόωσης εξωγήινων πολιτισμών.

Αλλά καθώς ο αριθμός των ανιχνεύσεων αυξανόταν, οι επιστήμονες άρχισαν να προτιμούν μια εξήγηση πάνω από τις υπόλοιπες:τα μαγνητάρια. «Υπήρχαν απλώς ορισμένες ιδιότητές τους που πραγματικά φώναζαν ότι προέρχονταν από κάποιο είδος μαγνητισμένου άστρου νετρονίων», δήλωσε ο Μπράιαν Μέτζγκερ, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια. Για παράδειγμα, τα κύματα μιας γρήγορης ραδιοφωνικής έκρηξης είναι πολύ πολωμένα, γεγονός που υποδηλώνει ότι προέρχονται από ένα έντονο μαγνητικό πεδίο. Η σύντομη διάρκειά τους συνεπάγεται ότι προέρχονται από ένα σχετικά μικρό αστροφυσικό αντικείμενο. Και πρέπει να τροφοδοτούνται από μια σημαντική δεξαμενή ενέργειας.

Οι σκεπτικιστές, ωστόσο, έχουν υποστηρίξει ότι αν τα μαγνητάρια ήταν η πηγή, θα πρέπει να βλέπουμε γρήγορες ραδιοεκρήξεις μέσα στον δικό μας γαλαξία. Με αυτή την έκρηξη, έχουμε. «Κατά κάποιους τρόπους, είναι μια μεγάλη ανακούφιση», είπε ο Metzger, ο οποίος έχει εργαστεί σε μοντέλα magnetar. "Σημαίνει ότι δεν έχω πετάξει πολλά χρόνια δουλειάς."

Το καθήκον τώρα είναι να εντοπίσουμε ακριβώς πώς ένα μαγνητάρι δημιουργεί τη σύντομη έκρηξη ραδιοκυμάτων. Πολλές ιδέες ξεκινούν με ένα μαγνητάρι που εκτοξεύει μια έκρηξη ενέργειας, συχνά με τη μορφή ζευγών ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων. Αυτές οι εκλάμψεις μπορούν στη συνέχεια να παράγουν ραδιοκύματα μέσω ενός από δύο ευρείες μηχανισμούς — έναν που εμφανίζεται μέσα στη μαγνητόσφαιρα (το έντονο μαγνητικό πεδίο που περιβάλλει το μαγνητάρι) και έναν που εμφανίζεται πολύ πέρα. Στο πρώτο σενάριο, η έκλαμψη ενέργειας παραμένει αγκυρωμένη στον φλοιό του άστρου μέσω γραμμών μαγνητικού πεδίου. Καθώς ο φλοιός κινείται συνεχώς, αυτά τα μαγνητικά πεδία συστρέφονται και περιστρέφονται μέχρι να έλθουν σε απλούστερη κατάσταση, απελευθερώνοντας αμέσως μια λάμψη ραδιοκυμάτων σαν λέιζερ.

Στο δεύτερο σενάριο, το οποίο ο Metzger και οι συνάδελφοί του δημοσίευσαν πέρυσι, η έκρηξη ενέργειας διαφεύγει από τη μαγνητόσφαιρα και διανύει μεγάλη απόσταση — έως και 1 εκατομμύριο φορές την ακτίνα του μαγνήτη. Εδώ οργώνει στα παλαιότερα συντρίμμια που περιβάλλουν το magnetar και δημιουργεί ένα ωστικό κύμα. Αυτό το σοκ κινείται προς τα έξω, συμπιέζοντας το μαγνητισμένο πλάσμα μπροστά του και δημιουργώντας ένα μαγνητικό πεδίο πίσω του. Στη συνέχεια, καθώς τα ηλεκτρόνια παρασύρονται από το μέτωπο κρούσης, αρχίζουν να περιστρέφονται γύρω από το μαγνητικό πεδίο - ένας χορός που εκπέμπει μια άλλη λάμψη ραδιοκυμάτων σαν λέιζερ. Αυτό το μοντέλο κάνει μια κρίσιμη πρόβλεψη. Το ίδιο σοκ που προκαλεί τη ραδιοεκπομπή θα πρέπει επίσης να θερμάνει τα ηλεκτρόνια, προκαλώντας τους να εκπέμπουν ακτίνες Χ. Στην πραγματικότητα, η έκρηξη θα πρέπει να απελευθερώσει 100.000 φορές περισσότερη ενέργεια στις ακτίνες Χ από ότι στα ραδιοκύματα.

Αλλά όταν οι μόνες γρήγορες ραδιοφωνικές εκρήξεις προέρχονται από μακρινούς γαλαξίες, είναι αδύνατο να ελέγξουμε αυτήν την πρόβλεψη. Ο απλός λόγος; Τα τηλεσκόπια ακτίνων Χ δεν είναι τόσο ευαίσθητα όσο τα ραδιοτηλεσκόπια. Ακόμη και όλη αυτή η ενέργεια των ακτίνων Χ θα ήταν ακόμα αόρατη σε εμάς.

Όχι όταν η έκρηξη είναι στην κοσμική μας αυλή. Μια πλήρης ανάλυση ακτίνων Χ αυτής της νέας έκρηξης διαπίστωσε ότι απελευθέρωσε μια κολοσσιαία ποσότητα ακτινοβολίας ακτίνων Χ - που ταιριάζει απόλυτα με την πρόβλεψη του Metzger. «Είμαι έκπληκτος πόσο καλά λειτουργεί το μοντέλο», είπε ο Metzger. "Σας δίνει μια μικρή κλωτσιά και λέει, "Ίσως αξίζει τον χρόνο μου."

Η έλξη Magnetar

Ενώ ένα μεμονωμένο γεγονός δεν μπορεί να αποδείξει ότι όλες οι γρήγορες ραδιοεκρήξεις προέρχονται από μαγνητάρια, ο Vikram Ravi, αστρονόμος στο Caltech, δεν βλέπει κανένα λόγο να επικαλεστεί άλλα αντικείμενα για να εξηγήσει την ποικιλία της πιθανής συμπεριφοράς έκρηξης. Και δεδομένου του όγκου των αποδεικτικών στοιχείων που έδειχναν μαγνητάρια ακόμη και πριν από αυτήν την ανακάλυψη, ο Metzger σημειώνει ότι είναι εύλογο να υποθέσουμε ότι διαφορετικοί τύποι μαγνηταριών μπορούν να εξηγήσουν τους πολλούς τύπους γρήγορων ραδιοφωνικών εκρήξεων που βλέπουμε. Για παράδειγμα, γρήγορες ραδιοφωνικές εκρήξεις που επαναλαμβάνονται θα μπορούσαν να προέρχονται από νεαρούς, ενεργούς μαγνήτες των οποίων τα μαγνητικά πεδία είναι πολύ ισχυρότερα από αυτά του γαλαξία μας.

Ο σύνδεσμος σημαίνει ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε γρήγορες ραδιοεκρήξεις για να αναγνωρίσουμε μαγνήτες στο μακρινό σύμπαν, επιτρέποντας στους επιστήμονες να δημιουργήσουν μια απογραφή αυτών των ακραίων αντικειμένων και να εξηγήσουν καλύτερα την προέλευσή τους. Στον γαλαξία μας, υποπτευόμαστε ότι οι μαγνήτες σχηματίζονται σε λαμπρές εκρήξεις σουπερνόβα. Αλλά αν αρχίσουμε να τα βλέπουμε σε γαλαξίες χωρίς τεράστια αστέρια, αυτό μπορεί να δείχνει πιο εξωτικούς τρόπους δημιουργίας ενός μαγνήτη, όπως η σύγκρουση δύο αστέρων νετρονίων.

Αλλά πρώτα, οι επιστήμονες θα παρακολουθήσουν τα κοντινά μαγνητάρια με την ελπίδα να δουν μια άλλη συγκλονιστικά κοντινή έκρηξη. Αν και η σύνδεση μαγνητάρι δεν ήταν μια απόλυτη έκπληξη, θα ήθελαν να τη δουν να επιβεβαιώνεται από πολλά περισσότερα παραδείγματα. «Ακόμα προκαλεί σοκ με την έννοια «Θεέ μου, είναι πραγματικά αλήθεια», είπε ο Hessels. "Υπάρχει τεράστια διαφορά μεταξύ ορισμένων εξισώσεων σε ένα κομμάτι χαρτί και μετά να αντιμετωπιστεί ότι είναι πραγματικά αληθινό, ότι μόλις το αποδείξαμε."

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στις  Wired.com .