Astronomer oppdager mystiske gjentatte utbrudd av radiobølger fra verdensrommet

I radioastronomi er en rask radioutbrudd (FRB) en forbigående radiopuls med lengde fra en brøkdel av et millisekund til noen få millisekunder, forårsaket av en mystisk høyenergi-astrofysisk prosess som ennå ikke er oppdaget. Astronomer anslår at den gjennomsnittlige FRB frigjør like mye energi i løpet av et millisekund (ett tusendels sekund) som solen sender ut på 3 dager (som er over 250 000 sekunder).

Duncan Lorimer og hans student David Narkevic oppdaget den første FRB i 2007, og den er vanligvis kjent som Lorimer Burst. Siden den gang mange andre FRB-er har vært oppdaget. En av disse, FRB 180916er ekstremt mystisk fordi det pulserer på en regelmessig hver 16.35 dag.

Nå har astronomer bare funnet det andre eksemplet på en svært aktiv, repeterende rask radioutbrudd med en kompakt kilde til svakere, men vedvarende radiostråling mellom utbruddene. Oppdagelsen reiser nye spørsmål om naturen til disse mystiske objektene og også om deres nytte som verktøy for å studere naturen til det intergalaktiske rommet. Forskerne brukte National Science Foundations Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) og andre teleskoper for å studere objektet, først oppdaget i 2019.

Objektet, kalt FRB 190520, ble funnet av det fem hundre meter lange Aperture Spherical radioteleskopet (FAST) i Kina. Et utbrudd fra objektet skjedde 20. mai 2019, og ble funnet i data fra det teleskopet i november samme år. Oppfølgingsobservasjoner med FAST viste at den, i motsetning til mange andre FRB-er, sender ut hyppige, gjentatte utbrudd av radiobølger.

Observasjoner med VLA i 2020 avslørte objektets plassering, og det tillot observasjoner av synlig lys med Subaru-teleskopet på Hawaii å vise at det er i utkanten av en dverggalakse nesten 3 milliarder lysår fra Jorden. VLA-observasjonene fant også at objektet konstant sender ut svakere radiobølger mellom utbruddene.

“Disse egenskapene gjør at denne ligner mye på den første FRB hvis stilling ble bestemt – også av VLA – tilbake i 2016,” sa Casey Law, fra Caltech. Denne utviklingen var et stort gjennombrudd, og ga den første informasjonen om miljøet og avstanden til en FRB. Imidlertid satte kombinasjonen av gjentatte utbrudd og vedvarende radioemisjon mellom utbrudd, som kommer fra et kompakt område, 2016-objektet, kalt FRB 121102, bortsett fra alle andre kjente FRB-er, til nå.

“Nå har vi to slike, og det reiser noen viktige spørsmål,” sa Law. Law er en del av et internasjonalt team av astronomer som rapporterer funnene sine i tidsskriftet Natur.

Forskjellene mellom FRB 190520 og FRB 121102 og alle de andre styrker en tidligere antydet mulighet for at det kan være to forskjellige typer FRB.

«Er de som gjentar seg forskjellige fra de som ikke gjør det? Hva med den vedvarende radiostrålingen – er det vanlig?” sa Kshitij Aggarwal, en doktorgradsstudent ved West Virginia University (WVU).

Astronomene antyder at det enten kan være to forskjellige mekanismer som produserer FRB-er, eller at objektene som produserer dem kan virke annerledes på forskjellige stadier av utviklingen. Ledende kandidater for kildene til FRB er de supertette nøytronstjernene som er igjen etter at en massiv stjerne eksploderer som en supernova, eller nøytronstjerner med ultrasterke magnetiske felt, kalt magnetarer.

Et kjennetegn ved FRB 190520 setter spørsmålstegn ved nytten av FRB som verktøy for å studere materialet mellom dem og jorden. Astronomer analyserer ofte effekten av intervenerende materiale på radiobølgene som sendes ut av fjerne objekter for å lære om selve det tynne materialet. En slik effekt oppstår når radiobølger passerer gjennom rom som inneholder frie elektroner. I så fall beveger bølger med høyere frekvens seg raskere enn bølger med lavere frekvens.

Denne effekten, kalt spredning, kan måles for å bestemme tettheten av elektroner i rommet mellom objektet og jorden, eller, hvis elektrontettheten er kjent eller antatt, gi et grovt estimat av avstanden til objektet. Effekten brukes ofte til å gjøre avstandsestimater til pulsarer.

Det fungerte ikke for FRB 190520. En uavhengig måling av avstanden basert på Doppler-forskyvningen av galaksens lys forårsaket av utvidelsen av universet plasserte galaksen i nesten 3 milliarder lysår fra Jorden. Imidlertid viser utbruddets signal en mengde spredning som vanligvis vil indikere en avstand på omtrent 8 til 9,5 milliarder lysår.

“Dette betyr at det er mye materiale i nærheten av FRB som ville forvirre ethvert forsøk på å bruke det til å måle gassen mellom galakser,” sa Aggarwal. “Hvis det er tilfelle med andre, så kan vi ikke regne med å bruke FRB-er som kosmiske målestokker,” la han til.

Astronomene spekulerte i at FRB 190520 kan være en “nyfødt”, fortsatt omgitt av tett materiale som ble kastet ut av supernovaeksplosjonen som etterlot[{” attribute=””>neutron star. As that material eventually dissipates, the dispersion of the burst signals also would decline. Under the “newborn” scenario, they said, the repeating bursts also might be a characteristic of younger FRBs and dwindle with age.

“The FRB field is moving very fast right now and new discoveries are coming out monthly. However, big questions still remain, and this object is giving us challenging clues about those questions,” said Sarah Burke-Spolaor, of WVU.

Reference: “A repeating fast radio burst associated with a persistent radio source” 8 June 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04755-5

The National Radio Astronomy Observatory is a facility of the National Science Foundation, operated under cooperative agreement by Associated Universities, Inc.