Een team van astronomen, waaronder onderzoekers van het MIT, heeft een nieuwsgierige, herhalend ritme van snelle radio-uitbarstingen afkomstig van een onbekende bron buiten onze melkweg, 500 miljoen lichtjaar verwijderd.

Snelle radio-uitbarstingen, of FRB's, zijn kort, intense flitsen van radiogolven waarvan wordt gedacht dat ze het product zijn van kleine, afstandelijk, extreem dichte objecten, maar wat die objecten precies zouden kunnen zijn, is een al lang bestaand mysterie in de astrofysica. FRB's duren meestal een paar milliseconden, gedurende welke tijd ze hele sterrenstelsels kunnen overtreffen.

Sinds de eerste FRB werd waargenomen in 2007, astronomen hebben meer dan 100 snelle radio-uitbarstingen gecatalogiseerd van verre bronnen verspreid over het universum, buiten ons eigen melkwegstelsel. Voor het grootste gedeelte, deze detecties waren eenmalig, kort knipperen voordat het geheel verdwijnt. In een handvol gevallen astronomen observeerden meerdere keren snelle radio-uitbarstingen van dezelfde bron, hoewel zonder waarneembaar patroon.

Deze nieuwe FRB-bron, die het team heeft gecatalogiseerd als FRB 180916.J0158+65, is de eerste die een periodieke, of cyclisch patroon van snelle radioflitsen. Het patroon begint met een luidruchtig, vierdaags venster, waarbij de bron willekeurige uitbarstingen van radiogolven uitzendt, gevolgd door een periode van 12 dagen radiostilte.

De astronomen merkten op dat dit 16-daagse patroon van snelle radio-uitbarstingen zich consequent herhaalde gedurende 500 dagen van waarnemingen. "Deze FRB die we nu rapporteren is als een uurwerk, " zegt Kiyoshi Masui, assistent-professor natuurkunde aan het Kavli Institute for Astrophysics and Space Research van MIT. "Het is het meest definitieve patroon dat we van een van deze bronnen hebben gezien. En het is een grote aanwijzing die we kunnen gebruiken om de fysica op te sporen van wat deze heldere flitsen veroorzaakt, die niemand echt begrijpt."

Masui is lid van de CHIME/FRB-samenwerking, een groep van meer dan 50 wetenschappers onder leiding van de University of British Columbia, McGill-universiteit, Universiteit van Toronto, en de Nationale Onderzoeksraad van Canada, die de gegevens van het Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment exploiteert en analyseert, of BEL, een radiotelescoop in British Columbia die als eerste signalen van de nieuwe periodieke FRB-bron oppikte.

De CHIME/FRB-samenwerking heeft vandaag de details van de nieuwe waarneming in het tijdschrift gepubliceerd Natuur .

Een radioweergave

in 2017, CHIME werd opgericht in het Dominion Radio Astrophysical Observatory in British Columbia, waar het snel snelle radio-uitbarstingen van sterrenstelsels in het heelal begon te detecteren, miljarden lichtjaren van de aarde.

CHIME bestaat uit vier grote antennes, elk ongeveer de grootte en vorm van een snowboard halfpipe, en is ontworpen zonder bewegende delen. In plaats van te draaien om te focussen op verschillende delen van de lucht, CHIME staart strak naar de hele lucht, met behulp van digitale signaalverwerking om het gebied in de ruimte te lokaliseren waar inkomende radiogolven vandaan komen.

Van september 2018 tot februari 2020, CHIME heeft 38 snelle radio-uitbarstingen van een enkele bron uitgekozen, FRB 180916.J0158+65, die de astronomen hebben getraceerd naar een ster-karnend gebied aan de rand van een enorm spiraalstelsel, 500 miljoen lichtjaar van de aarde. De bron is de meest actieve FRB-bron die CHIME tot nu toe heeft gedetecteerd, en tot voor kort was het de dichtstbijzijnde FRB-bron bij de aarde.

Terwijl de onderzoekers elk van de 38 bursts in de loop van de tijd uitzetten, een patroon begon te ontstaan:een of twee uitbarstingen zouden plaatsvinden gedurende vier dagen, gevolgd door een periode van 12 dagen zonder uitbarstingen, waarna het patroon zich zou herhalen. Deze cyclus van 16 dagen vond steeds weer plaats gedurende de 500 dagen dat ze de bron observeerden.

"Deze periodieke uitbarstingen zijn iets dat we nog nooit eerder hebben gezien, en het is een nieuw fenomeen in de astrofysica, ' zegt Masui.

Cirkelscenario's

Welk fenomeen er precies achter dit nieuwe extragalactische ritme zit, is een grote onbekende, hoewel het team enkele ideeën verkent in hun nieuwe paper. Een mogelijkheid is dat de periodieke uitbarstingen afkomstig kunnen zijn van een enkel compact object, zoals een neutronenster, dat is zowel draaien als wiebelen - een astrofysisch fenomeen dat bekend staat als precessie. Ervan uitgaande dat de radiogolven afkomstig zijn van een vaste locatie op het object, als het object langs een as draait en die as alleen om de vier van de 16 dagen in de richting van de aarde wijst, dan zouden we de radiogolven waarnemen als periodieke uitbarstingen.

Een andere mogelijkheid betreft een binair systeem, zoals een neutronenster die om een ​​andere neutronenster of een zwart gat draait. Als de eerste neutronenster radiogolven uitzendt, en bevindt zich in een excentrische baan die het kort dichtbij het tweede object brengt, de getijden tussen de twee objecten kunnen sterk genoeg zijn om de eerste neutronenster te laten vervormen en kort te laten barsten voordat hij wegzwaait. Dit patroon zou zich herhalen wanneer de neutronenster terugzwaait langs zijn baan.

De onderzoekers beschouwden een derde scenario, met een radio-emitterende bron die een centrale ster omcirkelt. Als de ster wind uitstraalt, of gaswolk, dan elke keer dat de bron door de wolk gaat, het gas uit de wolk kan periodiek de radio-emissies van de bron vergroten.

"Misschien geeft de bron altijd deze uitbarstingen af, maar we zien ze alleen als het door deze wolken gaat, omdat de wolken als een lens werken, ' zegt Masui.

Misschien wel de meest opwindende mogelijkheid is het idee dat deze nieuwe FRB, en zelfs degenen die niet periodiek of zelfs herhalend zijn, kan afkomstig zijn van magnetars - een type neutronenster waarvan wordt gedacht dat deze een extreem krachtig magnetisch veld heeft. De bijzonderheden van magnetars zijn nog steeds een beetje een mysterie, maar astronomen hebben waargenomen dat ze af en toe enorme hoeveelheden straling afgeven over het elektromagnetische spectrum, inclusief energie in de radioband.

"Mensen hebben gewerkt aan het maken van deze magnetars om snelle radio-uitbarstingen uit te zenden, en deze periodiciteit die we hebben waargenomen, is sindsdien in deze modellen verwerkt om erachter te komen hoe dit allemaal in elkaar past, ' zegt Masui.

Zeer onlangs, dezelfde groep deed een nieuwe waarneming die het idee ondersteunt dat magnetars in feite een levensvatbare bron kunnen zijn voor snelle radio-uitbarstingen. Eind april, CHIME pikte een signaal op dat leek op een snelle radio-uitbarsting, afkomstig van een affakkelende magnetar, zo'n 30, 000 lichtjaar van de aarde. Als het signaal wordt bevestigd, dit zou de eerste FRB zijn die in onze eigen melkweg wordt gedetecteerd, evenals het meest overtuigende bewijs van magnetars als bron van deze mysterieuze kosmische vonken.