Astronomen van het MIT en elders hebben een vreemd en aanhoudend radiosignaal gedetecteerd van een ver sterrenstelsel dat met verrassende regelmaat lijkt te flitsen.

Het signaal wordt geclassificeerd als een snelle radio-uitbarsting, of FRB - een intens sterke uitbarsting van radiogolven van onbekende astrofysische oorsprong, die doorgaans maximaal enkele milliseconden duurt. Dit nieuwe signaal houdt echter tot drie seconden aan, ongeveer 1000 keer langer dan de gemiddelde FRB. Binnen dit venster detecteerde het team uitbarstingen van radiogolven die zich elke 0,2 seconden herhalen in een duidelijk periodiek patroon, vergelijkbaar met een kloppend hart.

De onderzoekers hebben het signaal FRB 20191221A gelabeld en het is momenteel de langstdurende FRB, met het duidelijkste periodieke patroon dat tot nu toe is gedetecteerd.

De bron van het signaal ligt in een ver sterrenstelsel, enkele miljarden lichtjaren van de aarde. Wat die bron precies is, blijft een mysterie, hoewel astronomen vermoeden dat het signaal afkomstig kan zijn van een radiopulsar of een magnetar, beide typen neutronensterren - extreem dichte, snel ronddraaiende ingestorte kernen van gigantische sterren.

"Er zijn niet veel dingen in het universum die strikt periodieke signalen uitzenden", zegt Daniele Michilli, een postdoc aan het Kavli Institute for Astrophysics and Space Research van MIT. "Voorbeelden die we kennen in ons eigen melkwegstelsel zijn radiopulsars en magnetars, die roteren en een stralingsbundel produceren die lijkt op een vuurtoren. En we denken dat dit nieuwe signaal een magnetar of pulsar op steroïden zou kunnen zijn."

Het team hoopt meer periodieke signalen van deze bron te detecteren, die dan als een astrofysische klok kunnen worden gebruikt. De frequentie van de uitbarstingen, en hoe ze veranderen als de bron zich van de aarde verwijdert, zou bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt om de snelheid te meten waarmee het universum uitdijt.

De ontdekking wordt vandaag gerapporteerd in het tijdschrift Nature , en is geschreven door leden van de CHIME/FRB-samenwerking, waaronder MIT-co-auteurs Calvin Leung, Juan Mena-Parra, Kaitlyn Shin en Kiyoshi Masui aan het MIT, samen met Michilli, die de ontdekking eerst leidde als onderzoeker aan de McGill University , en daarna als postdoc aan het MIT.

"Boom, boem, boem"

Sinds de eerste FRB in 2007 werd ontdekt, zijn er honderden soortgelijke radioflitsen in het heelal gedetecteerd, meest recentelijk door het Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment, of CHIME, een interferometrische radiotelescoop bestaande uit vier grote parabolische reflectoren die zich in de Dominion bevindt. Radio Astrophysical Observatory in British Columbia, Canada.

CHIME observeert continu de lucht terwijl de aarde draait, en is ontworpen om radiogolven op te vangen die door waterstof worden uitgezonden in de allereerste stadia van het universum. De telescoop is toevallig ook gevoelig voor snelle radio-uitbarstingen en sinds hij in 2018 de lucht begon te observeren, heeft CHIME honderden FRB's gedetecteerd die uit verschillende delen van de lucht komen.

De overgrote meerderheid van de tot nu toe waargenomen FRB's zijn eenmalige - ultraheldere uitbarstingen van radiogolven die een paar milliseconden duren voordat ze uitgaan. Onlangs ontdekten onderzoekers de eerste periodieke FRB die een regelmatig patroon van radiogolven leek uit te zenden. Dit signaal bestond uit een vierdaags venster van willekeurige bursts die vervolgens elke 16 dagen werden herhaald. Deze cyclus van 16 dagen duidde op een periodiek activiteitspatroon, hoewel het signaal van de feitelijke radio-uitbarstingen eerder willekeurig dan periodiek was.

Op 21 december 2019 ontving CHIME een signaal van een potentiële FRB, wat onmiddellijk de aandacht trok van Michilli, die de binnenkomende gegevens aan het scannen was.

"Het was ongebruikelijk", herinnert hij zich. "Het duurde niet alleen erg lang, ongeveer drie seconden, maar er waren periodieke pieken die opmerkelijk nauwkeurig waren en elke fractie van een seconde - boem, boem, boem - als een hartslag uitzonden. Dit is de eerste keer dat het signaal zelf periodiek is ."

Briljante uitbarstingen

Bij het analyseren van het patroon van de radio-uitbarstingen van FRB 20191221A, vonden Michilli en zijn collega's overeenkomsten met emissies van radiopulsars en magnetars in onze eigen melkweg. Radiopulsars zijn neutronensterren die bundels radiogolven uitzenden, die lijken te pulseren terwijl de ster draait, terwijl een vergelijkbare emissie wordt geproduceerd door magnetars vanwege hun extreme magnetische velden.

Het belangrijkste verschil tussen het nieuwe signaal en de radio-emissies van onze eigen galactische pulsars en magnetars is dat FRB 20191221A meer dan een miljoen keer helderder lijkt te zijn. Michilli zegt dat de lichtflitsen afkomstig kunnen zijn van een verre radiopulsar of magnetar die normaal gesproken minder helder is als hij draait en om een ​​onbekende reden een reeks schitterende flitsen uitwierp, in een zeldzaam venster van drie seconden dat CHIME gelukkig kon opvangen.

"CHIME heeft nu veel FRB's met verschillende eigenschappen gedetecteerd", zegt Michilli. "We hebben sommigen gezien die in wolken leven die erg turbulent zijn, terwijl anderen eruit zien alsof ze zich in een schone omgeving bevinden. Uit de eigenschappen van dit nieuwe signaal kunnen we zeggen dat er rond deze bron een wolk plasma is die moet worden extreem turbulent."

De astronomen hopen extra uitbarstingen van de periodieke FRB 20191221A te vangen, wat kan helpen om hun begrip van de bron en van neutronensterren in het algemeen te verfijnen.

"Deze detectie roept de vraag op wat dit extreme signaal kan veroorzaken dat we nog nooit eerder hebben gezien, en hoe we dit signaal kunnen gebruiken om het universum te bestuderen", zegt Michilli. "Toekomstige telescopen beloven duizenden FRB's per maand te ontdekken, en op dat moment kunnen we nog veel meer van deze periodieke signalen vinden." + Verder verkennen

Snelle radio-uitbarstingen waarvan is aangetoond dat ze radiogolven met een lagere frequentie bevatten dan eerder gedetecteerd