NCU News
Exact sciences
Kosmiczna zagadka błysków radiowych
Fenomen szybkich błysków radiowych jest jedną z największych tajemnic współczesnej astrofizyki. Do tej pory sądzono, że ich źródłem są magnetary. Najnowsze odkrycie, w którym duży udział miał dr Marcin Gawroński z Instytutu Astronomii UMK, może zrewidować ten pogląd.
Szybkie błyski radiowe (FRB – z ang. Fast Radio Bursts) to trwające milisekundy wybuchy promieniowania rejestrowane na falach radiowych. Są niezwykle silne – dla przykładu: w czasie jednego z najjaśniejszych błysków trwającego pięć milisekund wypromieniowana zostaje taka energia, jaką nasze Słońce generuje w ciągu miesiąca. Skala zjawiska jest trudna do wyobrażenia.
Pierwsze błyski radiowe "odkryto" ledwie 15 lat temu. Do kwietnia 2020 r. wszystkie FRB, zaobserwowane przez astronomów, pochodziły z kosmologicznych odległości, liczących się w setkach milionów lat świetlnych. Dopiero dwa lata temu udało im się namierzyć błyski pochodzące z naszej Galaktyki. Należy podkreślić, że ze względu na uwarunkowania sprzętowe i związaną z tym granicę czułości naukowcy są w stanie zaobserwować tylko najjaśniejsze obiekty we Wszechświecie, te najmocniejsze błyski.
FRB są obecnie jednym z najgorętszych tematów we współczesnej astrofizyce. Odkryte przypadkowo w 2007 r. podczas przeglądu archiwalnych danych, a obecnie intensywnie obserwowane, cały czas są wielką zagadką – tłumaczy dr Marcin Gawroński z Instytutu Astronomii na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK. - Zebrane do tej pory wyniki pozwalają już podzielić zjawiska FRB na różne klasy, jednak cały czas nie wiemy, czy są one emanacją jednego czy wielu osobnych procesów fizycznych.
Kosmiczny połów
Badacze nie są też stuprocentowo pewni, co jest przyczyną rozbłysków. Astrofizycy mają wiele hipotez, które mogą tłumaczyć ich powstawanie, łącznie z istnieniem cywilizacji pozaziemskich. Do tej pory jednak uznawano, że źródłem FRB są magnetary.
Magnetary są gwiazdami neutronowymi o niezwykle silnych polach magnetycznych, powstają po wybuchach supernowych - mówi dr Gawroński. - Dotąd naukowcy byli zgodni, że to właśnie one odpowiadają za FRB. Dlaczego? Ponieważ, żeby wyprodukować FRB, trzeba mieć potężny zasób energii, z którego w krótkim czasie da się ją uwolnić i spożytkować w różnego typu procesach. Jedynymi znanymi nam tego typu źródłami są pola magnetyczne podgrupy gwiazd neutronowych – owych magnetarów – albo energia grawitacyjna czarnych dziur.
Mimo że astronomowie zgadzają się co do tego, że szybkie błyski radiowe są wynikiem gwałtownych procesów zachodzących w najbliższym otoczeniu wysoce namagnetyzowanych gwiazd neutronowych, to nadal nie jest jasne, dlaczego większość z nich pojawia się jako pojedyncze sygnały, podczas gdy inne źródła da się zaobserwować na falach radiowych wielokrotnie. W niektórych zaś przypadkach dodatkowo wybuchy charakteryzują się okresową aktywnością, tj. występują w powtarzających się regularnie odcinkach czasu, jednak to tylko pomaga przy planowaniu obserwacji.
Jest też sporo trudności, z którymi muszą radzić sobie astronomowie w obserwacjach FRB.
- Badanie aktywności źródeł FRB jest bardzo trudne, ponieważ rozbłyski są zjawiskami losowymi. To trochę jak łowienie ryb – zarzucamy wędkę i czekamy. Tak i my ustawiamy radioteleskopy i musimy uzbroić się w cierpliwość – mówi dr Gawroński. – Problemem jest też to, że radioteleskopy "widzą" dość duże pole nieba, np. nasz w Piwnicach obejmuje obszar wielkości połowy tarczy Księżyca dla pasma radiowego, które najczęściej wykorzystujemy do obserwacji FRB. Na tak dużym obszarze znajduje się wiele obiektów, więc trudno wskazać jeden konkretny, z którego pochodzi dany błysk. Dopiero używając sieci radioteleskopów połączonych w tzw. interferometr można rekonstruować mapy radiowe z dużą rozdzielczością obrazu, co umożliwia wyznaczanie dokładnych pozycji wybranych obiektów.
Kolejną sprawa jest ogromna ilość danych, które podczas takich obserwacji zbierają naukowcy – potrafią nagrywać nawet do czterech gigabitów danych na sekundę, potrzebują więc bardzo dużych pojemności dyskowych. Dane te muszą więc na bieżąco przerabiać, analizować i kasować, by zrobić miejsce na następne.
Jak widać zagadek i trudności związanych z szybkimi błyskami radiowymi jest wiele. Astrofizycy opracowują modele starające się wyjaśnić to zjawisko, jednak ostatnie odkrycie, w którym duży udział ma też dr Marcin Gawroński, wprowadza spore zamieszanie, dokładając kolejną tajemnicę do rozwikłania.
Kosmiczna inkwizycja
W ubiegłym roku międzynarodowa grupa astronomów, do której należy także dr Gawroński, skierowała radioteleskopy w stronę galaktyki spiralnej Messier 81 (M81).
- To duża i bliska nam galaktyka, podobna do Drogi Mlecznej – znajduje się ok. 12 mln lat świetlnych od nas, przy dobrej pogodzie można dojrzeć ją przez zwykłą lornetkę, a np. teleskop Hubble'a jest w stanie obserwować w niej pojedyncze gwiazdy – tłumaczy dr Gawroński. – Naukowcy z kanadyjskiego projektu CHIME przekazali nam, że w okolicach tej galaktyki znajduje się źródło szybkich błysków radiowych, a co więcej pewne jego właściwości wskazują, że ten obiekt powiązany jest z M81. Stwierdziliśmy, że to świetna okazja, by spróbować sprawdzić, co konkretnie generuje FRB.
Obserwacjami zajęli się naukowcy skupieni przede wszystkim w konsorcjum PRECISE .
- Jest to zespół badaczy, którego głównym zadaniem jest lokalizacja źródeł FRB, szacowanie odległości do nich oraz badanie właściwości środowiska, w którym FRB są umieszczone. W ten sposób można spróbować coś powiedzieć o ewolucji źródeł szybkich błysków i samych procesach, w których obiekty FRB powstają – mówi dr Gawroński. - Działamy w pewnym sensie równolegle do EVN (europejska sieć radiowej interferometrii wielkobazowej – przyp. red.), gdyż staramy się zbierać europejskie radioteleskopy poza czasem przeznaczonym do standardowych obserwacji w ramach tego konsorcjum, do którego należy też oczywiście IA UMK wraz z radioteleskopem RT4.
Naukowcy mogą mówić o ogromnym szczęściu. Już przy pierwszym skierowaniu radioteleskopów na okolice galaktyki M81 natrafili na serię czterech błysków. W niedługim zaś czasie uchwycili kolejne dwa. Jednak to, co udało się ustalić z pomocą nowych obserwacji, wywołało wśród badaczy ogromne zaskoczenie.
Gdy zobaczyliśmy pierwsze wyniki, nie uwierzyliśmy, początkowo myśleliśmy nawet, że popełniliśmy jakiś błąd w obliczeniach. Okazało się, że jednak nie. Było jak w skeczu Monty Pythona "Nikt nie spodziewa się hiszpańskiej inkwizycji". Bo czegoś takiego nikt z nas nie zakładał – mówi dr Gawroński.
Młodzik wśród starców?
Po pierwsze: błysk pochodził z gromady kulistej. Początkowo przyszedł więc pierwszy zawód – gromada tego typu składa się z ogromnej liczby gęsto ułożonych gwiazd, nie było więc można wskazać konkretnego obiektu, który jest źródłem FRB, nawet z pomocą orbitalnego teleskopu Hubble'a. Jeszcze ciekawsze jest to, że gromady kuliste składają się z bardzo starych, powstałych nawet 10 miliardów lat temu, gwiazd – są najstarszymi systemami gwiezdnymi w galaktykach. Próżno szukać więc tam "młodziutkich" magnetarów.
- Pytań przyszło nam do głowy wiele: skąd wziął się tam magnetar? Tak założyliśmy, kierując się tym, że to one muszą być źródłem błysków. Przecież właściwie nie ma prawa go tam być. A jeśli jest, to nie mógł powstać klasycznie, czyli po wybuchu masywnej gwiazdy – wyjaśnia dr Gawroński – Takie masywne gwiazdy żyją bardzo krótko i w czasie szacowanym na kilkadziesiąt milionów lat po narodzeniu kończą żywot w postaci bardzo efektownego zjawiska, zwanego wybuchem supernowej. Wiadomo bowiem, że w gromadach kulistych już od dawna nie tworzą się gwiazdy, więc też nie mogą tam powstać żadne nowe magnetary podczas zjawiska supernowej.
Jeśli odrzucić tłumaczenie, że całkiem niedaleko nas odbywają się gwiezdne wojny, w których niszczone są planety – a taka hipoteza wcale nie musi być rodem z filmów science fiction, ponieważ wielu naukowców bierze pod uwagę, że FRB mogą być technosygnaturami – to jest kilka innych hipotez.
- Teoretycznie nowy magnetar mógł się narodzić ze starej gwiazdy, a dokładnie z wybuchu białego karła. Może dojść do takiego zjawiska w układzie podwójnym, w którym biały karzeł "zjada" powoli swojego towarzysza i w pewnym momencie przekracza masę, dla której może istnieć jego stabilna struktura. Wtedy ów niestabilny karzeł wybucha w termojądrowej eksplozji, podczas której też może powstać gwiazda neutronowa, taka jak magnetar – tłumaczy dr Gawroński. – Nie jest to jednak takie proste wyjaśnienie: jeśli w gromadzie kulistej doszło do wybuchu supernowej (ale innego typu niż śmierć masywnych gwiazd), to przecież musiało nastąpić to nie tak dawno temu w skali kosmicznej. Według obowiązujących teraz teorii magnetary są aktywne bardzo krótko po narodzeniu, zaledwie przez kilka milionów lat. Efekty czy pozostałości takiego wybuchu powinny być zauważalne dla nas, ale na razie nic nie udało się zaobserwować.
Drugim możliwym wytłumaczeniem jest zlanie dwóch zwartych, starych gwiazd - białych karłów i/lub gwiazd neutronowych oraz utworzenie młodego obiektu w zjawisku tzw. kilonowej. Prawdopodobieństwo zaistnienia takiego wydarzenia w naszym "lokalnym" Wszechświecie jest jednak znikome.
Nature oddaje łamy
Odkrycie astronomów jest równie ciekawe, co tajemnicze. Na razie pewne jest jedno - rozbłyski są efektem jakiegoś nierozpoznanego jeszcze zjawiska. Praca astrofizyków może przyczynić się do jego opisania i zbadania. Wyniki opublikowało 23 lutego 2022 r. cenione czasopismo "Nature". Artykuł "A repeating fast radio burst source in a globular cluster", którego współautorem jest dr Marcin Gawroński, jest tematem nr jeden najnowszego numeru periodyku. Tego samego dnia ukazał się także drugi tekst, mówiący o zagadkowych obserwacjach astronomów : "Burst timescales and luminosities as links between young pulsars and fast radio bursts", tym razem na łamach "Nature Astronomy".
Jak wyglądały obserwacje FRB?
Naukowcy korzystają z infrastruktury EVN, przede wszystkim z olbrzymich pojemności dyskowych, które przeznaczono grupie PRECISE.
- Sprawdzamy, które radioteleskopy są w danym czasie dostępne i aplikujemy o czas – organizujemy to właściwie ad hoc, z trzy-, czterotygodniowym wyprzedzeniem – mówi dr Marcin Gawroński. - Musimy zgrać ze sobą co najmniej pięć radioteleskopów, tworząc sieć. W obserwacjach, o których mowa, korzystaliśmy z największych europejskich radioteleskopów: o 100-metrowej czaszy w Effelsbergu w Niemczech oraz 60-metrowego na Sardynii. Są duże, mają więc znaczą powierzchnię zbierającą, dlatego dane zgromadzone przez nie analizowaliśmy w pierwszej kolejności.
Po wykonaniu kolejnych bloków obserwacyjnych naukowcy muszą jak najszybciej przeszukać zarejestrowany sygnał pod kątem obecności FRB i poinformować stacje EVN, że można kasować wybrane dane jako nieistotne.
W ostatnim czasie system obserwacji, zbierania i analizy danych został ulepszony. Po pierwsze angielska sieć radioteleskopów e-MERLIN przyznał aż 400 godzin dostępności swoich instrumentów dla PRECISE. Po drugie, nie mniej istotne, dzięki inwestycjom w sprzęt ze środków Uniwersyteckiego Centrum Doskonałości "Astrofizyka i Astrochemia", w Piwnicach naukowcy mają możliwości samodzielnego przetwarzania i przeszukiwania nagranego sygnału przez nasz radioteleskop.
- Można powiedzieć, że daję teraz nieźle w kość niektórym serwerom, gdyż pracują one praktycznie non-stop, przetwarzając olbrzymie ilości danych – mówi dr Gawroński. - Oprócz projektu PRECISE istnieje dodatkowo nasza wewnętrzna grupa naukowa służąca do monitoringu znanych źródeł FRB. Obserwacje prowadzimy przy pomocy trzech radioteleskopów: nasz RT-4 z podtoruńskich Piwnic, holenderski Westerbork oraz szwedzki z Onsali. Dzięki tym dodatkowym obserwacjom badamy aktywność znanych źródeł FRB na częstotliwościach powyżej 1.4 GHz. Dołożenie lokalnego węzła obliczeniowego powinno znacznie rozszerzyć możliwości naszej grupy badawczej.
O obserwacjach szybkich błysków radiowych, w których bierze udział dr Marcin Gawroński, pisze też serwis Nauka w Polsce
