Tähtitieteilijät havaitsevat tähän mennessä kaukaisimmat nopeat radiopurskeet

eso2317 — Tiedejulkaisu 19. lokakuuta 2023

Kansainvälinen tutkijaryhmä on havainnut kosmisten radioaaltojen etäräjähdyksen, joka kestää alle millisekunnin. Tämä "nopea radiopurske" (FRB) on kaukaisin koskaan havaittu. Sen lähde havaittiin Euroopan eteläisen observatorion (ESO) Very Large Telescope -teleskoopin (VLT) avulla galaksissa niin kaukana, että sen valon saapuminen meille kesti kahdeksan miljardia vuotta. FRB on myös yksi energisimmistä koskaan havaituista; sekunnin murto-osassa se vapautti vastaavan määrän Auringon säteilemän kokonaisenergia määrää 30 vuoden aikana.

Havainnekuva kaukaisesta FRB havainnosta galaksienvälisestä avaruudesta. Kuva ESO.

FRB 20220610A -nimisen purskeen löytö tehtiin viime vuoden kesäkuussa australialaisen ASKAP- radioteleskoopin [1] avulla, ja se löi tutkimusryhmän aiemman etäisyysennätyksen 50 prosentilla.

"Käyttämällä ASKAPin radioteleskooppeja pystyimme määrittämään tarkasti, mistä purkaus tuli", sanoo Australian Macquarien yliopiston tähtitieteilijä Stuart Ryder ja tänään Science -lehdessä julkaistun tutkimuksen toinen johtaja. "Sitten käytimme [ESOn VLT:tä ] Chilessä etsimään lähdegalaksia [2] ja havaitsimme sen olevan vanhempi ja kauempana kuin mikään muu FRB-lähde, joka on löydetty tähän mennessä ja todennäköisesti pienestä sulautuvien galaksien ryhmästä."

Löytö vahvistaa, että FRB:itä voidaan käyttää galaksien välisen "puuttuvan" aineen mittaamiseen, mikä tarjoaa uuden tavan "punnita" maailmankaikkeutta.

Nykyiset menetelmät maailmankaikkeuden massan arvioimiseksi antavat ristiriitaisia ​​vastauksia ja haastavat kosmologian standardimallin. "Jos laskemme yhteen maailmankaikkeuden normaalin aineen määrän – atomien, joista me kaikki koostumme –, huomaamme, että yli puolet siitä, mitä siellä pitäisi olla tänään, puuttuu", sanoo professori Ryan Shannon, Swinburnen yliopistosta. Australiassa, joka myös johti tutkimusta. "Uskomme, että puuttuva aine piileskelee galaksien välisessä tilassa, mutta se voi vain olla niin kuumaa ja hajanaista, että sitä on mahdoton nähdä normaaleilla tekniikoilla."

”Nopeat radiopurskeet tunnistavat tämän ionisoidun materiaalin. Jopa lähes täysin tyhjässä avaruudessa he voivat "nähdä" kaikki elektronit, ja sen avulla voimme mitata, kuinka paljon tavaraa on galaksien välillä", Shannon sanoo.

Kaukaisten FRB:ien löytäminen on avainasemassa universumin puuttuvan aineen tarkan mittaamisen kannalta, kuten edesmennyt australialainen tähtitieteilijä Jean-Pierre ('J-P') Macquart osoitti vuonna 2020. "J-P osoitti, että mitä kauempana nopea radiopurske on, sitä hajaantuneempaa kaasu on galaksien välistä. Tämä tunnetaan nykyään Macquart-relaationa. Jotkut viimeaikaiset nopeat radiopurskeet näyttivät rikkovan tämän suhteen. Mittauksemme vahvistavat, että Macquart-suhde kattaa yli puolet tunnetusta maailmankaikkeudesta", Ryder sanoo.

"Vaikka emme vielä tiedä, mikä aiheuttaa nämä massiiviset energiapurkaukset, tutkimus vahvistaa, että nopeat radiopurskeet ovat yleisiä tapahtumia kosmoksessa ja että voimme käyttää niitä aineen havaitsemiseen galaksien välillä ja ymmärtämään paremmin universumin galaksien rakennetta", Shannon sanoo.

Tulos edustaa nykypäivän kaukoputkella saavutettavissa olevan rajan, vaikka tähtitieteilijöillä on pian työkalut havaita jopa vanhempia ja kauempana olevia purkauksia, paikantaa niiden lähdegalaksit ja mitata maailmankaikkeudesta puuttuvaa ainetta. Kansainvälinen Square Kilometer Array Observatory rakentaa parhaillaan kahta radioteleskooppia Etelä-Afrikkaan ja Australiaan, jotka pystyvät löytämään tuhansia FRB:itä, mukaan lukien hyvin kaukaiset, joita ei voida havaita nykyisillä laitteilla. ESO:n Extremely Large Telescope , Chilen Atacaman autiomaassa rakenteilla oleva 39-metrinen teleskooppi, tulee olemaan yksi harvoista teleskoopeista, jotka pystyvät tutkimaan purkausten lähdegalaksia vielä kauempana kuin FRB 20220610A.

Huomautuksia

[1] ASKAP-teleskoopin omistaa ja sitä käyttää Australian kansallinen tiedetoimisto CSIRO Wajarri Yamajin maassa Länsi-Australiassa.

[2] Ryhmä käytti ESO:n VLT: ssä FOcal Reducerilla ja matalan dispersion Spectrograph 2:lla ( FORS2 ), X-shooterilla ja High Acuity Wide-field K-band Imager ( HAWK-I ) -instrumenteilla saatuja tietoja. Tutkimuksessa käytettiin myös Havaijilla, Yhdysvalloissa sijaitsevan Keck-observatorion tietoja.

Magnetari synnytti nopean radiopurkauksen (FRB)

Nature -tiedelehdessä on julkaistu kolme tutkimusta Linnunradassa havaitusta nopeasta radiopurkauksesta, jotka tunnetaan paremmin lyhenteellä FRB (Fast Radio Burst). Purkaus havaittiin huhtikuun 28 päivänä tänä vuonna ja se sai tunnuksekseen FRB200428. Julkaistuissa artikkeleissa vahvistettiin aikaisempi näkemys^[1], jonka mukaan radiopurkaukset syntyvät nimenomaan magnetareissa tapahtuvissa flare-purkauksissa.

Taiteilijan näkemys radiopurskeen emittoivasta magnetarista. Kuva Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF.

Huhtikuussa tapahtunut purkaus pystyi myös tunnistamaan purkauksen lähteen ja se osoittautui aikaisemman käsityksen mukaisesti magnetariksi, jonka luettelotunnus on SGR 1935 + 2154. Aikaisemmin huolimatta vahvoista viitteistä purkauksen aiheuttajasta, oli olemassa pieni epäilys purkauksen aiheuttajista.

Havaintoja purkauksesta tehtiin usealla eri menetelmällä. Yhdysvalloissa tutkijan Christopher Bochenek johtama tutkimusryhmä teki havainnot Survey for Transient Astronomical Radio Emission 2 (STARE2) -laitteistolla ja he raportoivat tutkimusta artikkelissa A fast radio burst associated with a Galactic magnetar [2]. Tässä tutkimuksessa osoitettiin magnetarin sijainti Linnunradassa. Bochenek arvioi, että purkaus oli sen verran voimakas, että tavallisella kännykällä se olisi voitu havaita, jos siinä olisi ollut havaitsemiseen soveltuva ohjelmisto!

Toinen tutkimusryhmä käytti Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME) FRB projektin laitteistoa. Tutkimusryhmä julkaisi artikkelin nimellä A bright millisecond-duration radio burst from a Galactic magnetar^[3] .

Kolmas tutkimusryhmä on kiinalainen ja se käytti extremely sensitive Five Hundred Meter Aperture Spherical Telescope (FAST) -radioteleskooppia havintoihin. Tutkiumus otsikoitiin No pulsed radio emission during a bursting phase of a Galactic magnetar^[4].

Näiden tutkimusten valossa magnetarin flaret ovat nopeiden radiopurkausten synnyttäjiä. Flaren aiheuttama shokkiaalto törmää tähteä ympäröivään väliaineeseen ja voimakkaat magneettikentät saavat hyvin nopeat elektronit ja protonit kiertoliikkeeseen ja siten säteilemään radiotaajuuksilla. Lisäksi shokkiaalto lämmittää plasmaa useiden miljoonien asteiden lämpötilaan, jolloin syntyy röntgensäteilyä ja pehmeää gammasäteilyä. Tapahtumaketjun aikana syntyy myös neutriinopurskeita.

 

Huomautukset

[1] Avaruusmagasiinissa on uutisoitu aiheesta aikaisemmin kahdessa artikkelissa:

http://avaruusmagasiini.blogspot.com/2020/05/nopeat-radiopurkaukset-magnetareista.html

http://avaruusmagasiini.blogspot.com/2017/01/tutkijat-loysivat-radiopurskeiden.html

[2] https://www.nature.com/articles/s41586-020-2872-x (maksumuurin takana) ja laaja pdf-formaattissa oleva artikkeli on osoitteessa https://arxiv.org/pdf/2005.10828.pdf.

[3] https://www.nature.com/articles/s41586-020-2863-y (maksumuuri) ja laaja pdf-formaatin raportti on osoitteessa https://arxiv.org/pdf/2005.10324.pdf.

[4] https://www.nature.com/articles/s41586-020-2839-y (maksumuuri) ja tämäkin tutkimusselostus löytyy arxiv-palvelusta mutta toisella nimellä Stringent upper limits on pulsed radio emission during an active bursting phase of the Galactic magnetar SGRJ1935+2154 https://arxiv.org/pdf/2005.11479.pdf.

Nopeat radiopurskeet magnetareista

Huhtikuun 28. päivänä havaittiin voimakas ja erittäin lyhyt radiopurske (FRB200428) Linnunradasta vain noin 30 000 valovuoden etäisyydeltä. Samasta kohteesta havaittiin myös kirkas röntgenpurkaus. Kootun datan analyysi on vielä kesken mutta tutkijat uskovat, että magnetari^[1] SGR 1935+2154 tuo ratkaisun vuodesta 2001 tutkijoita ihmetyttäneisiin nopeisiin radiopurskeisiin. Nopeita radiopurskeita^[2], FRB, on havaittu tulevan kaukaisesta maailmankaikkeudesta ja vain harvat niistä ovat olleet toistuvia.

Radiopurske magnetarista SGR 1935+2154 on merkitty kaavioon, jossa y-akselilla on voimakkuus Janskeina ja x-akselilla havaitut taajuudet. Kuva Dr. Evan Ó Catháin.

Huhtikuun lopulla havaittu radiopurskeen lähde on todettu olleen neutronitähtien muoto, jossa tähdellä on erittäin voimakas magneettikenttä. Näitä tähtiä on kutsuttu magnetareiksi. Tutkijat olettavat radiopurskeiden syntyvän magnetarin magneettikentässä tapahtuvilla flarepurkauksilla. Flarepurkaukset olisivat seurausta tähden järistyksistä. Hypoteesi on varteen otettava, mutta se vaatii tuekseen vielä runsaasti havaintoja ja tutkimusta.

Nyt havaittu purske^[3] oli niin voimakas, että jos sitä olisi havaittu kauempaa, tyypillisesti kaukaisesta avaruudesta, niin se vastaisi hyvin muita havaittuja radiopurskeita. SGR 1935+2154 sijaitsee kuitenkin niin lähellä meitä, että flarepurkauksen tuottama röntgensäteily oli myös havaittavissa. Röntgentaajuisen säteilyn havaitseminen kaukaisesta avaruudesta radiopurskeiden yhteydestä olisi erittäin vaikeaa tai jopa mahdotonta ja tiettävästi sitä ei ole koskaan tehty. 

Radiopurske magnetarista SGR 1935+2154 sijoittuu voimakkuudeltaan radiopurskeiden heikoimpiin, mutta sen läheisyys auttaa tutkijoita ymmärtämään myös voimakkaampia ja kaukaisessa avaruudessa tapahtuvia purskeita.

Huomautukset

[1] Magnetarin magneettikentän voimakkuuden arvioidaan olevan noin tuhatkertainen tavallisen neutronitähden magneettikentän voimakkuuteen verrattuna.

[2] Aihetta on myös käsitelty artikkelissa Tutkijat löysivät radiopurskeiden lähteen .

[3] Tutkimus on julkastu The Astronomers Telegram -verkkojulkaisussa.

Tutkijat löysivät radiopurskeiden lähteen

Gemini observatoriossa otettu valokuva
FRB 121102:n lähteestä. Se on kääpiögalaksi
ja sisäkuvassa se näkyy punaisella ympyröitynä
pienenä vihreänä pisteenä.
Kuva Gemini Observatory / AURA / NRC.

Tutkijat raportoivat Nature-tiedejulkaisussa^[1] löytäneensä nopeiden radiopurskeiden (fast radio burst, FRB) lähteen. Ne tulevat himmeästä, noin 2,5 miljardin valovuoden etäisyydellä olevasta kääpiögalaksista.

Lyhyet radiopurskeet ovat nimensä mukaisesti erittäin lyhyitä, vain millisekunteja kestäviä radiopulsseja, joita on onnistuttu vastaanottamaan useita kertoja viime vuosien aikana. Niiden alkuperää ei ole tiedetty ja erityistä ihmetystä on herättänyt niiden voimakkuus, sillä ne näyttivät tulevan erittäin kaukaa maailmankaikkeudesta.

Hyvin kaukaa tulevat sähkömagneettisensäteilyn purskeet sinällään eivät ole mitenkään uutta. Jo 1960-luvulla havaittiin lyhyitä gammapurkauksia jotka tulivat hyvin kaukaa. Niiden on arveltu oleva joko hypernovia tai esimerkiksi kahden neutronitähden törmäämisiä toisiinsa. Näistä ilmiöistä ei kuitenkaan FRBn selitykseksi ole, sillä ne ovat toistuvia ainakin jonkin aikaa.

Hypernovat ja neutronitähtien törmäykset ovat katalysmisiä ilmiöitä, ne siis tuhoavat säteilylähteensä ja puske on ainutkertainen. Ainakaan FRB 121102 tapahtumassa selityksenä ei voi olla tällaisesta ilmiöstä kysymys! Mikä ilmiö se voisi olla, sillä purskeen voimakkuus ja suuri etäisyys vaatii säteilylähteeltä suurta energian kulutusta.

Tutkijat käyttivät useita eri teleskooppeja niin radiotaajuuksilla kuin optisia kaukoputkia ja monen kymmenen tunnin havaintoajan jälkeen he olivat onnistuneet löytämään lähteen: pienen ja himmeän kääpiögalaksin^[2], joka sijaitsee 2,5 miljardin valovuoden etäisyydellä. Vastaanotettu radiopurske muistuttaa galaksin keskustassa olevan supermassiivisen musta aukon säteilyä, mutta ongelma vain on siinä, että kääpiögalakseissa ei tällaista mustaa aukko ole.

Tutkimusryhmän johtajan käsityksen mukaan säteilylähteen alkuperä löytyy magnetarista, neutronitähdestä, jonka voimakas magneettikenttä saa aikaa epätavallisen voimakkaan sähkömagneettisen purskeen. Purske voisi vielä vahvistua tähden ympäristössä olevasta plasmasta, joka kohdistaisi ja kirkastaisi pursketta juuri maapallon suuntaan.

Chatterjee’n käsitys ei välttämättä ole oikea, mutta tutkijat yleensä etsivät erilaisille luonnonilmiöille mahdollisimman yksinkertaista selitystä. Toki pitää kuitenkin olla voin kaikille muillekin selitysmalleille, jotta jotain tärkeää ei jäisi löytymättä ja tutkimus ei tämän vuoksi menisi hakoteille. Tieteessä muutoin usein joudutaan palaaman ”lähtöruutuun”, kun pitemmän päälle tutkimus paljastaa sellaisia havaintoja, jotka eivät sovi alkuperäisen teorian kanssa yksiin.

Huomautukset

[1] S. Chatterjee, C. J. Law, R. S. Wharton, S. Burke-Spolaor & al.   A direct localization of a fast radio burst and its host, Nature 541, 58–61, (05 January 2017).

[2] Kääpiögalaksin massa on vain noin 1 % Linnunradan massasta, siis noin 10 miljardia auringonmassaa ja jos siinä on tähti samassa suhteessa, niin tähtiä siinä olisi silloin vain 4 miljardia.