Bilim insanları hızlı radyo patlamasının kökenini belirledi

Hızlı radyo patlamaları, nötron yıldızları ve muhtemelen kara delikler gibi son derece kompakt nesnelerden yayılan radyo dalgalarının kısa ve parlak patlamalarıdır. Bu kısacık havai fişekler saniyenin binde biri kadar sürüyor ve kısa süreliğine tüm galaksileri gölgede bırakacak kadar muazzam miktarda enerji taşıyabilir.

İlk hızlı radyo patlamasının (FRB) 2007 yılında keşfedilmesinden bu yana gökbilimciler, konumları kendi galaksimizin içinden 8 milyar ışıkyılı uzaklığa kadar değişen binlerce FRB tespit etti. Bu kozmik radyo işaret fişeklerinin tam olarak nasıl fırlatıldığı oldukça tartışmalı bir bilinmiyor.

Şimdi MIT’deki gökbilimciler, diğer FRB’ler için de aynısını yapabilecek yeni bir teknik kullanarak en az bir hızlı radyo patlamasının kökenini belirlediler. Yeni çalışmalarında, görünen dergide DoğaEkip, daha önce keşfedilen ve yaklaşık 200 milyon ışıkyılı uzaklıktaki bir galaksiden tespit edilen bir hızlı radyo patlaması olan FRB 20221022A’ya odaklandı.

Ekip, gece gökyüzünde yıldızların parıldamasına benzer şekilde radyo sinyalinin “parıldamasını” analiz ederek kesin konumunu belirlemek için daha da yoğunlaştı. Bilim insanları FRB’nin parlaklığındaki değişiklikleri incelediler ve patlamanın, bazı modellerin öngördüğü gibi çok daha uzaktan değil, kaynağın hemen yakınında meydana gelmiş olması gerektiğini belirlediler.

Ekip, FRB 20221022A’nın dönen bir nötron yıldızına son derece yakın, en fazla 10.000 kilometre uzaktaki bir bölgeden patladığını tahmin ediyor. Bu New York ile Singapur arasındaki mesafeden daha az. Bu kadar yakın mesafede, patlama muhtemelen nötron yıldızının manyetosferinden (ultra kompakt yıldızı hemen çevreleyen oldukça manyetik bir bölge) ortaya çıkmıştır.

Ekibin bulguları, hızlı bir radyo patlamasının, son derece kompakt bir nesneyi hemen çevreleyen yüksek derecede manyetik ortam olan manyetosferden kaynaklanabileceğine dair ilk kesin kanıtı sağlıyor.

MIT’nin Kavli Astrofizik ve Uzay Araştırmaları Enstitüsü’nde doktora sonrası araştırmacı olan baş yazar Kenzie Nimmo, “Nötron yıldızlarının olduğu bu ortamlarda, manyetik alanlar gerçekten de evrenin üretebileceği sınırların altındadır” diyor. “Bu parlak radyo emisyonunun aşırı plazmadan kaçıp kaçamayacağı konusunda pek çok tartışma oldu.”

MIT fizik profesörü Kiyoshi Masui, “Magnetar olarak da bilinen bu son derece manyetik nötron yıldızlarının çevresinde atomlar var olamaz; yalnızca manyetik alanlar tarafından parçalanırlar” diyor.

“Burada heyecan verici olan şey, kaynağa yakın olan bu manyetik alanlarda depolanan enerjinin, evrenin yarısını görebildiğimiz radyo dalgaları olarak yayınlanabilecek şekilde büküldüğünü ve yeniden yapılandırıldığını bulmamızdır.”

Çalışmanın MIT ortak yazarları arasında Adam Lanman, Shion Andrew, Daniele Michilli ve Kaitlyn Shin’in yanı sıra birçok kurumdan işbirlikçileri yer alıyor.

Patlama boyutu

Kanada Hidrojen Yoğunluğu Haritalama Deneyi (CHIME) sayesinde hızlı radyo patlamalarının tespitleri son yıllarda arttı. Radyo teleskop dizisi, hızlı radyo patlamalarına son derece duyarlı bir aralıktaki radyo emisyonlarını tespit etmek üzere ayarlanmış, her biri yarım boru şeklinde dört büyük, sabit alıcıdan oluşur.

2020’den bu yana CHIME, evrenin her yerinden binlerce FRB tespit etti. Bilim adamları genellikle patlamaların son derece kompakt nesnelerden kaynaklandığı konusunda hemfikir olsa da, FRB’leri çalıştıran kesin fizik belirsizdir.

Bazı modeller, hızlı radyo patlamalarının kompakt bir nesneyi hemen çevreleyen türbülanslı manyetosferden gelmesi gerektiğini öngörürken, diğerleri patlamaların, merkezi nesneden uzağa yayılan bir şok dalgasının parçası olarak çok daha uzaktan kaynaklanması gerektiğini öngörüyor.

İki senaryo arasında ayrım yapmak ve hızlı radyo patlamalarının nerede ortaya çıktığını belirlemek için ekip, sintilasyonu (yıldız gibi küçük ve parlak bir kaynaktan gelen ışığın galaksinin gazı gibi bir ortamdan filtrelendiğinde ortaya çıkan etki) değerlendirdi.

Yıldız ışığı gazın içinden süzülürken, uzaktaki bir gözlemciye sanki yıldız parlıyormuş gibi görünecek şekilde bükülüyor. Bir nesne ne kadar küçükse veya ne kadar uzaktaysa o kadar çok parıldar. Kendi güneş sistemimizdeki gezegenler gibi daha büyük veya daha yakın nesnelerden gelen ışık daha az bükülmeye maruz kalır ve bu nedenle parıldamıyor gibi görünür.

Ekip, bir FRB’nin ışıldama derecesini tahmin edebilirlerse, FRB’nin kaynaklandığı bölgenin göreceli boyutunu belirleyebileceklerini düşündü. Bölge ne kadar küçük olursa patlama kaynağına o kadar yakın olur ve manyetik olarak türbülanslı bir ortamdan gelmiş olma ihtimali de o kadar artar. Bölge ne kadar büyük olursa patlama da o kadar uzak olur ve bu da FRB’lerin çok uzaktaki şok dalgalarından kaynaklandığı fikrini destekler.

Pırıltı deseni

Fikirlerini test etmek için araştırmacılar, 2022 yılında CHIME tarafından tespit edilen hızlı bir radyo patlaması olan FRB 20221022A’ya baktılar. Sinyal yaklaşık iki milisaniye sürüyor ve parlaklığı açısından nispeten sıradan bir FRB.

Ancak ekibin McGill Üniversitesi’ndeki işbirlikçileri, FRB 20221022A’nın göze çarpan bir özellik sergilediğini buldu. Patlamadan gelen ışık oldukça polarize edilmişti ve polarizasyon açısı düzgün bir S şeklinde eğri çiziyordu. Bu model, FRB emisyon bölgesinin dönmekte olduğunun kanıtı olarak yorumlanıyor; bu, daha önce yüksek derecede mıknatıslanmış, dönen nötron yıldızları olan pulsarlarda gözlemlenen bir özelliktir.

Hızlı radyo patlamalarında da benzer bir kutuplaşmanın görülmesi bir ilkti; bu da sinyalin bir nötron yıldızının yakın çevresinden gelmiş olabileceğini akla getiriyordu. McGill ekibinin sonuçları: rapor edildi bir tamamlayıcı makalede Doğa.

MIT ekibi, FRB 20221022A’nın bir nötron yıldızına yakın bir yerden kaynaklanmış olması durumunda bunu sintilasyon kullanarak kanıtlayabilmeleri gerektiğini fark etti.

Yeni çalışmalarında Nimmo ve meslektaşları, CHIME’den gelen verileri analiz ettiler ve parlaklıktaki keskin değişimleri gözlemlediler; bu da sintilasyona işaret ediyordu; başka bir deyişle, FRB parlıyordu. Teleskop ile FRB arasında bir yerde radyo dalgalarını büken ve filtreleyen bir gaz olduğunu doğruladılar.

Ekip daha sonra bu gazın nerede bulunabileceğini belirledi ve gözlemlenen sintilasyonun bir kısmından FRB’nin ev sahibi galaksisindeki gazın sorumlu olduğunu doğruladı. Bu gaz doğal bir mercek görevi görerek araştırmacıların FRB bölgesine yakınlaşmasına ve patlamanın yaklaşık 10.000 kilometre genişliğinde olduğu tahmin edilen son derece küçük bir bölgeden kaynaklandığını belirlemesine olanak tanıdı.

Nimmo, “Bu, FRB’nin muhtemelen kaynaktan yüzbinlerce kilometre uzakta olduğu anlamına geliyor” diyor. “Bu çok yakın. Karşılaştırma yapmak gerekirse, eğer sinyal bir şok dalgasından kaynaklanıyorsa, sinyalin on milyonlarca kilometreden daha uzakta olmasını beklerdik ve hiçbir sintilasyon görmezdik.”

Masui, “200 milyon ışıkyılı uzaklıktan 10.000 kilometrelik bir bölgeye yakınlaşmak, ay yüzeyinde yaklaşık 2 nanometre genişliğindeki bir DNA sarmalının genişliğini ölçebilmek gibi” diyor. “İlgili inanılmaz bir ölçek aralığı var.”

Ekibin sonuçları, McGill ekibinin bulgularıyla birleştiğinde, FRB 20221022A’nın kompakt bir nesnenin eteklerinden ortaya çıkma olasılığını dışlıyor. Bunun yerine, çalışmalar ilk kez hızlı radyo patlamalarının oldukça kaotik manyetik ortamlarda bir nötron yıldızına çok yakın bir yerden kaynaklanabileceğini kanıtlıyor.

Masui, “Bu patlamalar her zaman oluyor ve CHIME günde birkaç tane tespit ediyor” diyor. “Bunların nasıl ve nerede meydana geldiği konusunda çok fazla çeşitlilik olabilir ve bu sintilasyon tekniği, bu patlamaları tetikleyen çeşitli fiziğin çözülmesine yardımcı olmada gerçekten yararlı olacaktır.”

Bu hikaye MIT News’in izniyle yeniden yayınlanmıştır (web.mit.edu/newsoffice/MIT araştırması, inovasyonu ve öğretimi ile ilgili haberleri kapsayan popüler bir site.