Şaşırtıcı bir kaynaktan son derece hızlı radyo sinyalleri. Sarmal gökada Messier 81’e (M81) yakın bir antik yıldız kümesi (solda), olağanüstü parlak ve kısa radyo sinyallerinin kaynağıdır. Görüntü, bir flaşın parlaklığının sadece onlarca mikrosaniye boyunca nasıl değiştiğini gösteren mavi-beyaz bir grafiği gösterir. Kredi bilgileri: Danielle Futselaar, artsource.nl
Hızlı Radyo Patlamaları (FRB’ler), radyo dalgaları üzerinde kaydedilen milisaniye uzunluğundaki radyasyon patlamalarıdır. Son derece güçlüdürler – örneğin, beş milisaniye süren en parlak flaşlardan birinde, Güneşimizin bir ayda ürettiği kadar enerji yayılır. Fenomenin ölçeğini hayal etmek zor.
İlk radyo patlamaları ancak 15 yıl önce “keşfedildi”. Nisan 2020’ye kadar, gökbilimciler tarafından gözlemlenen tüm FRB’ler, yüz milyonlarca ışıkyılı kozmolojik mesafelerden geldi. Sadece iki yıl önce Galaksimizden kaynaklanan flaşları da takip etmeyi başardılar. Ekipman ve ilgili hassasiyet sınırı nedeniyle, araştırmacıların yalnızca Evrendeki en parlak nesneleri, en güçlü patlamaları gözlemleyebildiğini belirtmek önemlidir.
“İlk sonuçları gördüğümüzde inanamadık ve ilk başta bir hesap hatası yaptığımızı bile düşündük.” – Marcin Gawronski
“FRB’ler şu anda çağdaş astrofizikteki en sıcak konulardan biri. 2007 yılında arşiv verilerinin gözden geçirilmesi sırasında tesadüfen keşfedilen ve şu anda yoğun bir gözlem altında olan bunlar hala büyük bir gizemdir” diye açıklıyor Nicolaus Copernicus Üniversitesi Fizik, Astronomi ve Bilişim Fakültesi Astronomi Enstitüsü’nden Dr. Marcin Gawronski (Torun, Polonya). “Şimdiye kadar toplanan sonuçlar, FRB fenomenini farklı sınıflara ayırmayı mümkün kılıyor, ancak bunların bir veya daha fazla ayrı fiziksel sürecin yayılımları olup olmadığını hala bulamadık.”
kozmik yakalama
Araştırmacılar, patlamalara neyin sebep olduğundan yüzde 100 emin değiller. Astrofizikçilerin, dünya dışı medeniyetlerin varlığı da dahil olmak üzere, oluşumlarını açıklayabilecek çeşitli hipotezleri vardır. Ancak şimdiye kadar magnetarların FRB’lerin kaynağı olduğu düşünülmüştür.
Gizemli radyo sinyallerinin kaynağı: sarmal gökada Messier 81’e (M81) yakın bir antik yıldız kümesinde (kırmızı renkte) bir sanatçının bir magnetar izlenimi. Kredi bilgileri: Danielle Futselaar, artsource.nl
Dr. Gawronski, “Magnetarlar son derece güçlü manyetik alanlara sahip nötron yıldızlarıdır, süpernova patlamalarından sonra oluşurlar” diyor. “Şimdiye kadar, bilim adamları FRB’lerden sorumlu olduklarını kabul ettiler. Niye ya? Çünkü bir FRB üretebilmek için hızlı bir şekilde serbest bırakılabilen ve çeşitli işlemlerde kullanılabilen çok büyük miktarda enerjiye sahip olmak gerekir. Bildiğimiz bu türden tek kaynak, ya bir nötron yıldızı kümesinin manyetik alanları – bu magnetarlar – ya da kara deliklerin yerçekimi enerjisi.”
Gökbilimciler, hızlı radyo flaşlarının, yüksek oranda manyetize edilmiş nötron yıldızlarının yakın çevresinde meydana gelen şiddetli süreçlerin sonucu olduğu konusunda hemfikir olsalar da, bunların çoğunun neden tek bir sinyal olarak göründüğü hala belirsizken, diğer kaynaklar radyo dalgalarında tekrar tekrar gözlemlenebilir. Bazı durumlarda, patlamalar ek olarak periyodik aktivite ile karakterize edilir, yani düzenli zaman aralıklarında meydana gelirler. Ancak bu, yalnızca gözlemlerin planlanmasında yardımcı olur.
Ayrıca astronomların FRB gözlemlerinde uğraşmak zorunda oldukları birkaç zorluk vardır. “FRB etkinliğini incelemek çok zordur çünkü flaşlar rastgele olaylardır. Biraz balık tutmaya benziyor – bir olta atıyoruz ve bekliyoruz. Bu yüzden radyo teleskopları kurduk ve sabırla beklememiz gerekiyor” diyor Dr. Gawronski. “Başka bir problem, radyo teleskoplarının gökyüzünün oldukça geniş bir alanını “görmesi”, örneğin, Piwnice’deki bizimki, genellikle FRB gözlemleri için kullandığımız radyo bandında Ay’ın diskinin yarısı büyüklüğünde bir alanı kaplar. Bu kadar geniş bir alanda birçok nesne var, bu nedenle belirli bir flaşı tam olarak belirlemek zor. Başka bir konu da, bu tür gözlemler sırasında topladığımız muazzam miktarda veridir – saniyede 4 gigabit’e kadar veri kaydedebiliriz, bu nedenle çok büyük depolama kapasitelerine ihtiyacımız var. Dolayısıyla, bir sonrakine yer açmak için bu verileri sürekli olarak işlememiz, analiz etmemiz ve silmemiz gerekiyor.”
Marcin Gawronski, Nicolaus Copernicus Üniversitesi Fizik, Astronomi ve Bilişim Fakültesi Astronomi Enstitüsü’nden (Torun, Polonya). Kredi bilgileri: Andrzej Romanski/NCU, Torun, Polonya
Gördüğünüz gibi, hızlı radyo patlamalarıyla bağlantılı birçok bulmaca ve zorluk var. Astrofizikçiler bu fenomeni açıklamak için modeller üzerinde çalışıyorlar, ancak Dr. Marcin Gawroñski’nin de katıldığı son keşif, çözülmesi gereken başka bir gizemi daha getiriyor.
kozmik engizisyon
Geçen yıl, aralarında Dr. Gawronski’nin de bulunduğu uluslararası bir gökbilimciler grubu, radyo teleskoplarını M81 galaksisine yöneltti.
“Bize çok yakın ve büyük bir galaksi,[{” attribute=””>Milky Way — it is located about 12 million light-years away from us, in summer when the weather is good you can see it with a regular set of binoculars, and e.g., with the Hubble telescope you can observe single stars in it,” explains Dr. Gawronski. “Canadians from the CHIME project told us that there was a source of fast radio bursts in the vicinity of this galaxy, and what’s more, some of its properties indicated that this object was related to the M81. We thought it would be a great opportunity to try to find out what specifically generated the FRBs.”
The observations were made by researchers working primarily in the PRECISE consortium.
“This is a team of researchers whose main objective is to locate FRB sources, estimate the distances to them, and study the properties of the environment in which FRBs are placed. In this way, we can try to say something about the evolution of the sources of fast bursts and the very processes in which FRB objects are generated,” says Dr. Gawronski. “In a sense, we act in parallel to EVN (European Very Long Baseline Interferometry Network), as we try to gather European radio telescopes outside the time allocated for standard observations within this consortium, to which, of course, the NCU Institute of Astronomy belongs together with the RT4 radio telescope.”
Dr. Marcin Gawronski from the Institute of Astronomy at the Faculty of Physics, Astronomy and Informatics Nicolaus Copernicus University (Torun, Poland). “In these observations, we used the largest European radio telescopes: a 100-meter dish in Effelsberg, Germany, and a 60-meter dish on Sardinia and RT4 in Piwnice,” says Dr. Gawronski. Credit: Andrzej Romanski/NCU, Torun, Poland
The researchers are very lucky. The first time they pointed their radio telescopes at the vicinity of the M81 galaxy, they found a series of four bursts. It wasn’t long before they caught two more. However, the new findings came as a surprise to the researchers.
“When we saw the first results, we could not believe it, and at first, we even thought that we had made a calculation error. It turned out that we had not. It was like in the Monty Python’s sketch ‘Nobody expects the Spanish Inquisition.’ Because none of us expected such a thing,” says Dr. Gawronski.
A young one among the old?
Firstly, the burst came from a globular cluster. So, the first disappointment came at the beginning — a cluster of this type consists of a huge number of densely packed stars, so it was impossible to pinpoint the specific object that was the source of the FRB, even with the help of the Hubble orbiting telescope. More interestingly, globular clusters are composed of very old stars, formed up to 10 billion years ago — they are the oldest star systems in the galaxies. It is therefore futile to look for “young” magnetars there.
“Many questions came to our minds: where did the magnetar come from there? We assumed that it must have been the source of the bursts. In fact, the magnetar could not have been there. And if it was, it could not have been formed in a classical way, i.e., following an explosion of a massive star,” explains Dr. Gawronski. “Such massive stars live for a very short time and within an estimated time of several tens of millions of years after their formation they end their lives in a very impressive phenomenon, called a supernova explosion. It is known that stars do not form in globular clusters for a long time, so no new magnetars can form there during a supernova phenomenon.”
Çok yakınımızda gezegenlerin yok edildiği yıldız savaşları olma olasılığını reddedersek – ve birçok bilim adamı FRB’lerin tekno-imza olabileceğini hesaba kattığı için böyle bir hipotez doğrudan bilim kurgu filmlerinden çıkmayabilir – o zaman orada diğer birkaç hipotezdir.
“Teorik olarak, eski bir yıldızdan ya da daha doğrusu bir yıldız patlamasından yeni bir magnetar doğabilirdi. Beyaz cüce. Böyle bir fenomen, beyaz bir cücenin yoldaşını yavaş yavaş “yediği” ve bir noktada kararlı yapısının var olabileceği kütleyi aştığı ikili bir sistemde meydana gelebilir. Sonra bu kararsız cüce bir termonükleer patlamada patlar. nötron yıldızı bir magnetar gibi de oluşabilir” diye açıklıyor Dr. Gawronski. “Ancak, bu o kadar basit bir açıklama değil: eğer küresel bir kümede bir süpernova patlaması olduysa (ama büyük yıldızların ölümünden farklı bir tür), çok uzun zaman önce kozmik ölçekte gerçekleşmiş olmalı. Mevcut teorilere göre, magnetarlar doğumdan sonra sadece birkaç milyon yıl aktiftir. Böyle bir patlamanın etkileri veya kalıntıları bizim için fark edilebilir olmalı, ancak şu ana kadar hiçbir şey gözlemlenmedi.”
Diğer olası açıklama, iki kompakt, eski yıldızın – beyaz cüceler ve/veya nötron yıldızları – ve sözde kilonova fenomeninde genç bir nesnenin oluşumudur. Ancak, “yerel” Evrenimizde böyle bir olayın meydana gelme şansı oldukça zayıftır.
Gökbilimcilerin keşfi gizemli olduğu kadar ilginç. Şimdilik kesin olan bir şey var – patlamalar henüz tanınmayan bazı fenomenlerin sonucudur. Astrofizikçilerin çalışmaları, onun tanımlanmasına ve araştırılmasına katkıda bulunabilir. Sonuçlar prestijli dergide yayınlandı Doğa. Dr. Marcin Gawroñski’nin astronomların en son keşfiyle ilgili yazdığı “Küresel bir kümede tekrar eden hızlı bir radyo patlaması kaynağı” makalesi konu no. Derginin son sayısında 1.
FRB gözlemleri nasıldı?
Araştırmacılar, öncelikle PRECISE konsorsiyumuna ayrılmış devasa disk kapasiteleri olmak üzere EVN altyapısını kullanıyor.
Dr. Marcin Gawronski, “Belirli bir zamanda hangi radyo teleskoplarının müsait olduğunu kontrol ediyoruz ve zaman için başvuruyoruz – bu geçici, yaklaşık 3-4 hafta önceden organize ediyoruz” diyor. “En az beş radyo teleskopunu birbirine bağlayarak bir ağ oluşturmalıyız. Bu gözlemlerde Avrupa’nın en büyük radyo teleskoplarını kullandık: Almanya Effelsberg’de 100 metrelik bir çanak ve Sardunya’da 60 metrelik bir çanak. Büyükler ve bu nedenle önemli bir toplama alanına sahipler, bu yüzden önce onlar tarafından toplanan verileri analiz ettik.”
Daha fazla gözlem serisini tamamladıktan sonra, araştırmacılar daha sonra FRB’lerin varlığı için kaydedilen sinyali mümkün olan en kısa sürede incelemeli ve EVN istasyonlarını seçilen verilerin alakasız olarak silinebileceğini bildirmelidir.
Son zamanlarda, gözlem, veri toplama ve analiz sistemi geliştirildi. İlk olarak, İngiliz e-MERLIN radyo teleskop ağı, PRECISE’e aletlerinin 400 saate kadar kullanılabilirliğini sağlamıştır. İkincisi ve daha az önemli olmayan, Üniversite Mükemmellik Merkezi “Astrofizik ve Astrokimya” dan ekipman yatırımları sayesinde Piwnice’deki araştırmacılar, kaydedilen sinyali radyo teleskopları aracılığıyla otonom olarak işleme ve inceleme olanağına sahipler.
Dr. Gawronski, “Bazı sunucular neredeyse hiç durmadan çalıştıkları ve büyük miktarda veriyi işledikleri için zor zamanlar geçirdiğimi söyleyebilirsiniz” diyor. PRECISE projesinin yanı sıra, bilinen FRB kaynaklarını izleyen dahili araştırma ekibimiz de var. Üç radyo teleskopu aracılığıyla gözlemler yapıyoruz: Torun yakınlarındaki Piwnice’den RT-4’ümüz, Hollanda Westerbork ve İsveç Onsala. Bu ek gözlemler sayesinde, bilinen FRB kaynaklarının 1.4 GHz üzerindeki frekanslardaki aktivitelerini inceliyoruz. Yerel bir bilgi işlem düğümünün eklenmesi, araştırma ekibimizin yeteneklerini büyük ölçüde genişletmelidir.”
Referanslar:
F. Kirsten, B. Marcote, K. Nimmo, JWT Hessels, M. Bhardwaj, SP Tendulkar, A. Keimpema, J. Yang, MP Snelders, P. Scholz, “Bir küresel kümede tekrar eden hızlı radyo patlaması kaynağı”, AB Pearlman, CJ Law, WM Peters, M. Giroletti, Z. Paragi, C. Bassa, DM Hewitt, U. Bach, V. Bezrukovs, M. Burgay, ST Buttaccio, JE Conway, A. Corongiu, R. Feiler, O. Forssén, MP Gawronski, R. Karuppusamy, MA Kharinov, M. Lindqvist, G. Maccaferri, A. Melnikov, OS Ould-Boukattine, A. Possenti, G. Surcis, N. Wang, J. Yuan, K. Aggarwal , R. Anna-Thomas, GC Bower, R. Blaauw, S. Burke-Spolaor, T. Cassanelli, TE Clarke, E. Fonseca, BM Gaensler, A. Gopinath, VM Kaspi, N. Kassim, TJW Lazio, C. Leung, DZ Li, HH Lin, KW Masui, R. Mckinven, D. Michilli, AG Mikhailov, C. Ng, A. Orbidans, UL Pen, E. Petroff, M. Rahman, SM Ransom, K. Shin, KM Smith , IH Merdivenleri ve W. Vlemmings, 23 Şubat 2022, Doğa.
DOI: 10.1038/s41586-021-04354-w
K. Nimmo, JWT Hessels, F. Kirsten, A. Keimpema, JM Cordes, MP Snelders, DM Hewitt, R. Karuppusamy, AM Archibald, V. Bezrukovs tarafından “Genç pulsarlar ve hızlı radyo patlamaları arasındaki bağlantılar olarak patlama zaman ölçekleri ve parlaklıklar” , M. Bhardwaj, R. Blaauw, ST Buttaccio, T. Cassanelli, JE Conway, A. Corongiu, R. Feiler, E. Fonseca, O. Forssén, M. Gawronski, M. Giroletti, MA Kharinov, C. Leung, M. Lindqvist, G. Maccaferri, B. Marcote, KW Masui, R. Mckinven, A. Melnikov, D. Michilli, AG Mikhailov, C. Ng, A. Orbidans, OS Ould-Boukattine, Z. Paragi, AB Pearlman, E. Petroff, M. Rahman, P. Scholz, K. Shin, KM Smith, IH Stairs, G. Surcis, SP Tendulkar, W. Vlemmings, N. Wang, J. Yang ve JP Yuan, 23 Şubat 2022, Doğa Astronomi.
DOI: 10.1038/s41550-021-01569-9