Fast radio bursts (FRBs) are one of space’s great mysteries. Discovered for the first time only in 2007, they are massively powerful bursts of radio waves that last for just a fraction of a second. The vast majority of these signals occur once, and then never happen again – making them especially hard to track and study. Scientists know that whatever produces the FRBs must be a highly energetic event, but without knowing where these busts come from, the actual creation of these brilliant flashes remains unknown.
In 2017, researchers tracked one burst, called FRB 121102, to a tiny yet active galaxy. But that was an even rarer repeating FRB, which gave scientists multiple tries at pinning down its location.
Now, astronomers using Australia’s Square Kilometer Array Pathfinder radio observatory (ASKAP) have managed to zero in on the location of a non-repeating burst, FRB 180924. Finding it was a much tougher challenge. They discovered that the FRB came from a quiet galaxy entirely unlike that of the repeating burst, making the finding both exciting and unexpected. The research, led by Keith Bannister from Australia’s Commonwealth Science and Industrial Research Organization (CSIRO), was published Thursday in the journal Science.
Instant Replay
For a dozen years, astronomers have been drawn to FRBs by their extremely bright and mysterious nature. “If you put one of these at the sun, you could pop popcorn on Neptune,” Bannister says. “They’re amazingly bright.”
And while there are something like 1,000 FRBs every day, astronomers can’t watch the whole sky all at once. Most FRBs flash for a few milliseconds and then never again, so catching one is a matter of luck and patience.
The ASKAP array has been at the forefront of this FRB search. Made of 36 telescopes spread over nearly four miles, the observatory has discovered almost one-third of the 86 known FRBs. Most of the time, the 36 telescopes spread their gaze across the sky, looking at a wide field. But for this latest discovery, the telescopes happened to be pointing in the roughly same direction, observing an area that covered just one-tenth of one percent of the sky.
That tiny slice makes it less likely to catch an FRB. But it also meant that when the signal arrived, the network had 36 different telescopes observing it. The system is set to automatically identify a FRB within a half second, at which point every receiver freezes and sends the last three seconds of observations, which researchers can then comb over like referees checking 36 separate instant replay devices.
The radio waves traveled very slightly different distances to reach each telescope, so they struck each receiver at a different time and angle. That let astronomers triangulate the FRB’s origin.
Researchers then used data from some of the world’s largest optical telescopes — Keck in Hawaii and Gemini South and the European Southern Observatory’s Very Large Telescope, both in Chile — to image the region and learn more about the FRB’s home.
Astronomers found that this FRB came from a quiet, elderly galaxy nearly 4 billion light-years away, designated only as DES J214425.25−405400.81. Nearly the size of the Milky Way, this galaxy doesn’t have much gas – the fuel for star formation – and seems to be mostly finished making new stars. That rules out a lot of possibilities for what might cause a FRB, since young stellar populations are where astronomers usually see exciting, high-energy events like supernovas that might plausibly make a FRB.
Even more interestingly, they traced the FRB to the outskirts of the galaxy, some 13,000 light-years from its center. That matters because the supermassive black holes that reside at the center of most large galaxies were thought to be another possible way to fire off an FRB. But it’s not possible in this case, thanks to the large offset from the galaxy’s center.
Past to Present
The only other FRB to ever be traced to its source was a repeating burst, one of only two so far discovered. Scientists aren’t sure if repeaters are caused by the same kind of event as these solo bursts, but the two examples they have – one repeating, one not – are as different as can be.
In 2017, researchers traced the repeating FRB to a tiny dwarf galaxy one thousand times smaller than the Milky Way, which churns out new stars at a high rate. What’s more, even when this prior FRB source is quiet, its galaxy sends out a persistent, though quieter, radio signal that matches up with the location of the FRB.
“When we look,” Bannister says of his new lone FRB, “there’s no persistent radio source.”
About the only thing the two sources have in common is that they’re short, bright radio bursts, and that they’re coming from outside the Milky Way. “It’s either, there’s a huge continuum … or they’re just a different class of object entirely,” says Bannister of the two FRBs.
One of the mechanisms still on the table for creating FRBs is the creation of a magnetar, the dense core leftover after the death of a massive star that sends out powerful magnetic signals. They usually happen at the end of a large star’s (short) lifetime, but they can also form when two white dwarfs – the remnant cores of two smaller, longer-lived stars – collide with one another. That scenario is more likely in the older galaxy hosting Bannister’s FRB. But it’s still just a theory. “There’s not a lot of strong models saying it has to be this or that,” Bannister says.
The Future of FRBs
One of the reasons researchers are so interested in FRBs is their use in cosmology. The universe has a missing matter problem. Astronomers can’t account for all the normal matter – gas, dust, and stars – that should be in the cosmos.
This is entirely separate from the dark matter problem, which is about material only detectable through gravity, or the dark energy problem, which says some poorly understood type of force is pushing the cosmos apart.
Instead, the missing matter problem is simply that, according to cosmological tests, including observations by the Planck telescope, the universe should contain more material than scientists can measure by tallying up all the stars, dust, and gas they can see.
They strongly suspect it’s simply cold gas lurking between galaxies, called the intergalactic medium, or IGM. Because this gas doesn’t light up and isn’t especially dense, it’s hard to trace. But astronomers know some of it’s out there, because it absorbs light passing through it.
The perfect investigative tool would be a bright flash from a long distance. Astronomers could use it to probe the material between the source and its arrival on Earth. FRBs provide exactly that tool, if researchers can figure out where they come from.
In this case, the astronomers can account for the gas the FRB traveled through as it zipped through the Milky Way, and they can see that there’s not much gas in the FRB’s home galaxy. That leaves the IGM it traveled through on its way.
But that’s just one measurement. Many more will be needed to truly get a handle on the missing mass problem, and that means better understanding what causes FRBs and how they can be traced.
Now, scientists have to be patient, and wait for more of these bright flashes. And their telescopes are still watching the skies.
Pământul este permanent bombardat cu explozii puternice, dar misterioase, de unde radio. Cercetătorii, folosind o matrice de telescoape radio din Australia, au studiat în cele din urmă prima explozie unică care a venit înspre galaxia noastră.
Exploziile rapide de unde radio (FRB) sunt una dintre marile mistere ale spațiului. Descoperite pentru prima dată abia în 2007, sunt explozii masive de unde radio, care durează doar o fracțiune de secundă. Marea majoritate a acestor semnale apar o dată și apoi nu se mai repetă niciodată – făcându-le mai greu de urmărit și studiat. Oamenii de știință știu că ceea ce produce FRB-urile trebuie să fie un eveniment extrem de energic, dar fără să știe de unde provine aceste busturi, iar sursa reală a acestor explozii radio strălucitoare rămâne necunoscută.
În 2017, cercetătorii au urmărit o explozie radio, numită FRB 121102, într-o mică galaxie activă. Dar aceasta a avut o repetare mai rară de FRB, care le-a oferit oamenilor de știință mai multe șanse pentru fixarea locației sale.
Acum, astronomii care folosesc observatorul radio american Kilometry Array Pathfinder (ASKAP) din Australia au reușit să afle locația unei explozii radio nerepetate, FRB 180924. Localizarea a fost o provocare mult mai dificilă. Ei au descoperit că FRB provenea dintr-o galaxie liniștită, total diferită de aceea a exploziei repetate FRB 121102, făcând descoperirea atât de interesantă, cât și de neașteptată. Cercetarea, condusa de Keith Bannister de la Organizatia de Cercetare si Cercetare Industriala din Australia (CSIRO), a fost publicată joi in revista Science.
Reluare instantanee
Timp de mai mulți ani, astronomii au fost atrași de FRB prin natura lor extrem de strălucitoare și misterioasă. „Parcă te-ai uita la soare, ai putea face popcorn pe Neptun”, spune Bannister. „este uimitor de strălucitoare”.
Și, în timp ce există în jur de 1.000 de FRB-uri în fiecare zi, astronomii nu pot privi întregul cer dintr-o dată. Majoritatea FRB-urilor se aprind câteva milisecunde și apoi niciodată din nou, astfel că a capta unul este o chestie de noroc și răbdare.
Gama ASKAP a fost în fruntea acestei căutări FRB. Făcut din 36 de telescoape răspândite pe aproape patru mile, observatorul a descoperit aproape o treime din cele 86 de FRB-uri cunoscute. De cele mai multe ori, cele 36 de telescoape își întinse privirea peste cer, privind un câmp larg. Dar pentru această descoperire recentă, telescoapele se întâmplau a fi în aproximativ aceeași direcție, observând o zonă care acoperă doar o zecime dintr-un procent din cer.
Această felie mică face mai puțin probabil să prindă un FRB. Dar, de asemenea, a însemnat că, atunci când semnalul a sosit, rețeaua avea 36 de telescoape diferite observând-o. Sistemul este setat să identifice automat un FRB într-o jumătate de secundă, moment în care fiecare receptor îngheață și trimite ultimele trei secunde de observații, pe care cercetătorii îl pot apoi studia apoi verificând 36 de dispozitive separate de replay instant.
Undele radio au parcurs distanțe foarte diferite pentru a ajunge la fiecare telescop, astfel încât au lovit fiecare receptor într-un timp și în unghi diferit. Acest lucru lasă loc astronomilor să trianguleze originea FRB.
Cercetătorii au folosit date de la unele dintre cele mai mari telescoape optice din lume – Keck în Hawaii și Gemini South și Telescopul foarte mare al Observatorului European de Sud, ambele în Chile – pentru a imagina regiunea și pentru a afla mai multe despre casa FRB.
Astronomii au descoperit că acest FRB provenea dintr-o galaxie liniștită, în vârstă, la aproape 4 miliarde de ani-lumină distanță, desemnată doar ca DES J214425.25-405400.81. Aproape de mărimea Căii Lactee, această galaxie nu are prea mult gaz – combustibilul pentru formarea stelelor – și se pare că deja este în mare parte terminat. Aceasta exclude o mulțime de posibilități pentru ceea ce ar putea provoca un FRB, deoarece populațiile tinere stelare sunt acolo unde astronomii văd de obicei evenimente incitante, cu energie înaltă, cum ar fi supernovele, care ar putea face plauzibil un FRB.
Chiar mai interesant, au urmărit FRB-ul la marginea galaxiei, la aproximativ 13 000 de ani-lumină de la centrul său. Acest lucru contează deoarece găurile negre supermassive care se află în centrul celor mai multe galaxii mari au fost considerate a fi o altă posibilă cale de a trage un FRB. Dar nu este posibil în acest caz, grație compensării mari din centrul galaxiei.
Până în prezent
Singurul alt FRB care a fost vreodată urmărit la sursa sa a fost o explozie repetată, una dintre cele două descoperite până acum. Oamenii de știință nu sunt siguri dacă repetoarele sunt cauzate de același tip de eveniment ca și aceste explozii solo, dar cele două exemple pe care le au – una repetată, una nu – sunt complet diferite.
În 2017, cercetătorii au trasat FRB repetat al unei galaxii pitice, de o mie de ori mai mică decât Calea Lactee, care creează stele noi pe bandă rulantă. Mai mult, chiar și atunci când această sursă FRB anterioară este liniștită, galaxia însăși trimite un semnal radio persistent, deși mai silențios, care se potrivește cu locația FRB.
„Când ne uităm”, spune Bannister despre noul său FRB singur, „nu există nici o sursă radio continuă”.
Singurul lucru pe care le au în comun cele două surse este faptul că acestea sunt explozii scurte, luminoase, de unde radio și că vin din afara Căii Lactee. „It’s either, there’s a huge continuum … sau sunt doar o clasă diferită de obiect în întregime”, spune Bannister despre cele două FRB-uri.
Unul dintre mecanismele luat în calcul pentru crearea FRB-urilor este crearea unui magnetar, restul de nucleu dens după moartea unei stele masive care trimite semnale magnetice puternice. Aceasta se întâmplă de obicei la sfârșitul vieții scurte a unei stele mari, dar se pot forma și atunci când două pitice albe – nucleele rămase ale două stele mai mici și mai lungi – se ciocnesc unul cu celălalt. Acest scenariu este mai probabil în galaxia veche care găzduiește FRB-ul lui Bannister. Dar este totuși doar o teorie. „Nu există multe modele puternice care să spună că trebuie să fie așa sau altfel”, spune Bannister.
Viitorul FRB
Unul dintre motivele pentru care cercetătorii sunt atât de interesați de FRB este utilizarea lor în cosmologie. Universul are o problemă a lipsei de materie. Astronomii nu pot explica toată materia normală – gazul, praful și stelele – care ar trebui să fie în cosmos.
Acest lucru este complet separat de problema materiei întunecate, care se referă la materialul detectabil doar prin gravitație, sau la problema energiei întunecată, care spune că un tip de forță (greșit înțeleasă) produce expansiunea universului.
În schimb, problema materiei dispărute este pur și simplu că, în conformitate cu testele cosmologice, inclusiv observațiile telescopului Planck, universul ar trebui să conțină mai mult material decât pot detecta oamenii de știință prin măsurarea tuturor stelelor, prafului și gazului pe care le pot vedea.
Ei bănuiesc foarte mult că este pur și simplu un gaz rece care străbate între galaxii, numit mediul intergalactic sau IGM. Deoarece acest gaz nu se aprinde și nu este foarte dens, este greu de urmărit. Dar astronomii știu că el este acolo, deoarece absoarbe lumina care trece prin el.
Instrumentul perfect de investigație ar fi un fulger strălucitor de la distanță. Astronomii l-ar putea folosi pentru a cerceta materialul dintre sursă și sosirea lui pe Pământ. FRB-urile oferă exact acest instrument, dar doar dacă cercetătorii pot să-și dea seama de unde provine.
În acest caz, astronomii pot să contabilizeze gazele pe care le-a străbătut FRB, în timp ce traversează Calea Lactee, constatând că nu există prea mult gaz în galaxia de emisie a FRB. Asta din cauza IGM prin care a călătorit pe drum.
Dar asta e doar un aspect. Multe dintre altele vor fi necesare pentru a obține o soluționare reală a problemei de masă lipsă, ceea ce înseamnă o mai bună înțelegere a ceea ce cauzează FRB-urile și modul în care acestea pot fi urmărite.
Acum, oamenii de știință trebuie să fie răbdători și să aștepte mai multe dintre aceste explozii radio strălucitoare. Iar telescoapele lor privesc încă cerul.
…
Mihail stories 
Good
ApreciazăApreciat de 1 persoană