Od 2007 roku astronomowie zarejestrowali około 20 tajemniczych impulsów radiowych spoza naszej Galaktyki. Publicysta BBC Earth postanowił dowiedzieć się więcej o tym zjawisku.
We Wszechświecie nie brakuje dziwnych i nie do końca poznanych zjawisk - od czarnych dziur po dziwaczne planety. Naukowcy mają coś do rozwiązania.
Ale jedna tajemnica ostatnio była szczególnie interesująca dla astronomów - tajemnicze wybuchy emisji radiowej w kosmosie, znane jako szybkie impulsy radiowe.
Trwają tylko kilka milisekund, ale uwalniają około miliona razy więcej energii niż Słońce wytwarza w tym samym okresie.
Od odkrycia pierwszego takiego impulsu w 2007 roku astronomom udało się zarejestrować mniej niż 20 takich przypadków - wszystkie ich źródła znajdowały się poza naszą Galaktyką i były równomiernie rozłożone na niebie.
Jednak teleskopy mają tendencję do obserwowania małych części nieba w dowolnym momencie.
Jeśli ekstrapolujemy uzyskane dane na całe niebo, to, jak zakładają astronomowie, liczba takich impulsów radiowych może sięgać 10 tysięcy dziennie.
I nikt nie zna przyczyny tego zjawiska.
Film promocyjny:
Astronomowie mają oczywiście wiele możliwych wyjaśnień, a niektóre z nich brzmią bardzo egzotycznie: zderzenia gwiazd neutronowych, eksplozje czarnych dziur, pęknięcia kosmicznych strun, a nawet wyniki aktywności pozaziemskiej inteligencji.
„Obecnie istnieje więcej teorii próbujących wyjaśnić naturę szybkich impulsów radiowych niż w rzeczywistości impulsów” - mówi Duncan Lorimer, naukowiec z Uniwersytetu Zachodniej Wirginii w Stanach Zjednoczonych i lider zespołu badawczego, który odkrył pierwszy szybki impuls radiowy (zwany także impulsem Lorimer). „To podatny grunt dla teoretyków”.
Ale nawet jeśli wyjaśnienie natury szybkich impulsów radiowych okaże się znacznie bardziej powszechne, nadal mogą one być bardzo korzystne dla nauki.
Niewątpliwie zrewolucjonizują nasze rozumienie wszechświata.
Te sygnały radiowe są jak promienie laserowe przebijające Wszechświat i napotykające na swojej drodze pola magnetyczne, plazmę i inne zjawiska kosmiczne.
Innymi słowy, po drodze przechwytują informacje o przestrzeni międzygalaktycznej i mogą stanowić unikalne narzędzie do badania Wszechświata.
„Niewątpliwie zrewolucjonizują one nasze rozumienie wszechświata, ponieważ można je wykorzystać do wykonywania bardzo dokładnych pomiarów” - mówi Peng Wee-Li, astrofizyk z University of Toronto.
Zanim to jednak nastąpi, naukowcy muszą lepiej zrozumieć naturę szybkich impulsów radiowych.
Astronomowie poczynili obiecujące postępy w tej dziedzinie w ciągu ostatnich kilku miesięcy.
Pierwszą rzeczą, która uderzyła Lorimera w odkrytym pulsie, była jego intensywność.
Lorimer i jego koledzy przejrzeli archiwalne zbiory danych zebrane przez Parks Radio Telescope w Australii. Poszukiwali impulsów radiowych, takich jak te emitowane przez szybko obracające się gwiazdy neutronowe, tak zwane pulsary.
Tej nocy byłem tak podekscytowany, że nie mogłem spać
Matthew Bales, astronom
Gwiazdy te, każda o średnicy dużego miasta, mają gęstość jądra atomowego i mogą obracać się z prędkością przekraczającą 1000 obrotów na sekundę.
Jednocześnie emitują wąsko ukierunkowane strumienie emisji radiowej, w związku z czym nazywane są również latarniami kosmicznymi.
Sygnały radiowe emitowane przez pulsary wyglądają jak pulsacje dla obserwatora z Ziemi.
Ale sygnał wykryty przez zespół Lorimera był bardzo dziwny.
„To było tak intensywne, że przytłoczyło elektroniczne komponenty teleskopu” - wspomina Lorimer. „Jest to niezwykle niezwykłe w przypadku źródła radiowego”.
Impuls trwał około 5 milisekund, po czym jego intensywność spadła.
„Pamiętam pierwszy raz, kiedy zobaczyłem diagram pędu” - powiedział członek zespołu Lorimera, Matthew Bales, astronom z Swinburne University of Technology w Australii. „Tej nocy byłem tak podekscytowany, że nie mogłem spać”.
Przez około pięć lat po odkryciu impulsu Lorimera pozostał on niewyjaśnioną anomalią.
Niektórzy uczeni uważali, że to tylko instrumentalna ingerencja. A w opracowaniu opublikowanym w 2015 roku mówi się, że podczas pracy mikrofal zainstalowanych w części gospodarczej Obserwatorium Parków rejestrowane są impulsy o podobnych parametrach.
Ich źródła znajdują się poza naszą Galaktyką, prawdopodobnie miliardy lat świetlnych od Ziemi.
Jednak od 2012 roku astronomowie pracujący na innych teleskopach wykryli kilka więcej podobnych impulsów radiowych, potwierdzając w ten sposób, że sygnały faktycznie pochodzą z kosmosu.
I to nie tylko z kosmosu - ich źródła znajdują się poza naszą Galaktyką, prawdopodobnie miliardy lat świetlnych od Ziemi. Założenie to przyjęto na podstawie pomiarów zjawiska znanego jako efekt dyspersji.
Podczas swojej podróży po Wszechświecie fale radiowe oddziałują z elektronami plazmy, które napotykają na swojej drodze. Ta interakcja powoduje spowolnienie propagacji fal, w zależności od częstotliwości sygnału radiowego.
Fale radiowe o wyższej częstotliwości docierają do obserwatora nieco szybciej niż fale radiowe o niższej częstotliwości.
Mierząc różnicę w tych wartościach, astronomowie mogą obliczyć, ile plazmy musiał przejść sygnał do obserwatora, co daje im przybliżony obraz odległości źródła impulsów radiowych.
Fale radiowe docierające do nas z innych galaktyk nie są niczym nowym. Tyle, że przed odkryciem szybkich impulsów radiowych naukowcy nie obserwowali sygnałów o tak dużej intensywności.
Istnienie sygnału, którego intensywność jest milion razy większa niż czegokolwiek wcześniej wykrytego, pobudza wyobraźnię
Tak więc kwazary - aktywne jądra galaktyk, w których, jak sądzą naukowcy, znajdują się masywne czarne gwiazdy - emitują ogromne ilości energii, w tym w zakresie radiowym.
Ale kwazary znajdujące się w innych galaktykach są tak daleko od nas, że odbierane od nich sygnały radiowe są wyjątkowo słabe.
Bailes zauważa, że można je łatwo zagłuszyć nawet sygnałem radiowym z telefonu komórkowego umieszczonego na powierzchni księżyca.
Szybkie impulsy radiowe to inna sprawa. „Istnienie sygnału, który jest milion razy silniejszy niż cokolwiek wcześniej wykrytego, jest ekscytujące” - mówi Bales.
Zwłaszcza biorąc pod uwagę fakt, że szybkie impulsy radiowe mogą wskazywać na nowe, niezbadane zjawiska fizyczne.
Jedno z najbardziej kontrowersyjnych wyjaśnień ich pochodzenia dotyczy tak zwanych kosmicznych strun - hipotetycznych jednowymiarowych fałdów czasoprzestrzeni, które mogą rozciągać się na co najmniej kilkadziesiąt parseków.
Niektóre z tych strun mogą być nadprzewodzące i może przez nie przepływać prąd elektryczny.
Zgodnie z hipotezą wysuniętą w 2014 r. Kosmiczne struny czasami pękają, powodując wybuch promieniowania elektromagnetycznego.
Albo, mówi Penh, wyjaśnieniem tych wybuchów mogą być eksplozje czarnych dziur.
Pole grawitacyjne czarnej dziury jest tak masywne, że nawet wpadające do niego światło nie jest w stanie uciec.
Jeśli przyjmiemy, że na wczesnym etapie rozwoju Wszechświata powstały w nim małe czarne dziury, to teraz mogą po prostu wyparować
Jednak w latach 70. słynny brytyjski fizyk teoretyczny Stephen Hawking zasugerował, że energia może odparować z powierzchni starzejących się czarnych dziur.
Jeśli przyjmiemy, że na wczesnym etapie rozwoju Wszechświata powstały w nim małe czarne dziury, to teraz mogą one po prostu wyparować i ostatecznie eksplodować, co prowadzi do natychmiastowej emisji emisji radiowej.
W lutym 2016 roku astronomowie ogłosili, że być może dokonali przełomu w badaniach.
Zespół naukowców pod kierownictwem Evana Keehana pracujący w siedzibie interferometru radiowego Square Kilometer Array w brytyjskim Centrum Astrofizycznym Jodrell Bank przeanalizował parametry jednego szybkiego impulsu radiowego zarejestrowanego w kwietniu 2015 roku.
Według wniosków astronomów źródło impulsu radiowego znajdowało się w galaktyce znajdującej się 6 miliardów lat świetlnych od nas i składającej się ze starych gwiazd.
W tym przypadku parametry obserwowanego impulsu radiowego wskazywały na prawdopodobieństwo co najmniej jednego scenariusza: zderzeń sparowanych gwiazd neutronowych
Po raz pierwszy naukowcom udało się określić lokalizację źródła emisji radiowej z dokładnością do galaktyki, co w środowisku naukowym zostało odebrane jako niezwykle ważne odkrycie.
„Identyfikacja galaktyki zawierającej źródło szybkiego impulsu radiowego to element układanki” - mówi Bailes, który również pracował nad zespołem Kiana. „Jeśli możemy określić galaktykę, możemy dowiedzieć się, jak daleko od nas jest źródło”.
Następnie możesz dokładnie zmierzyć ilość energii impulsu i zacząć odrzucać najbardziej nieprawdopodobne teorie dotyczące jej pochodzenia.
W tym przypadku parametry obserwowanego impulsu radiowego wskazywały na prawdopodobieństwo co najmniej jednego scenariusza: zderzeń sparowanych gwiazd neutronowych krążących wokół siebie.
Wydawało się, że tajemnica natury szybkich impulsów radiowych została prawie rozwiązana. „Byłem bardzo podekscytowany wynikami tego badania” - mówi Lorimer.
Ale zaledwie kilka tygodni później naukowcy Edo Berger i Peter Williams z Uniwersytetu Harvarda zakwestionowali tę teorię.
Wnioski zespołu Keehan oparto na obserwacji zjawiska, które naukowcy zinterpretowali jako osłabienie sygnału radiowego po zakończeniu szybkiego impulsu radiowego.
Źródło zanikającego sygnału zostało niezawodnie zlokalizowane w galaktyce znajdującej się 6 miliardów lat świetlnych od Ziemi, a naukowcy wierzyli, że stamtąd pochodzi szybki impuls radiowy.
Jednak według Bergera i Williamsa to, co Kian wziął za szczątkowy - zanikający - sygnał radiowy nie miało nic wspólnego z szybkim impulsem radiowym.
Dokładnie przeanalizowali charakterystykę sygnału szczątkowego, kierując amerykański radioteleskop Very Large Array na odległą galaktykę.
Zderzenia gwiazd neutronowych występują o kilka rzędów wielkości rzadziej niż prawdopodobna częstotliwość szybkich impulsów radiowych, tak więc wszystkich zarejestrowanych przypadków nie można wyjaśnić samym tym zjawiskiem.
Stwierdzono, że mówimy o odrębnym zjawisku wywołanym fluktuacjami jasności samej galaktyki ze względu na fakt, że w jej centrum znajduje się supermasywna czarna dziura, pochłaniająca kosmiczne gazy i pył.
Innymi słowy, migocząca galaktyka nie była miejscem, z którego wyemitowano szybki impuls radiowy. Tyle, że akurat znajdował się w polu widzenia teleskopu - albo za prawdziwym źródłem, albo przed nim.
A jeśli impuls radiowy nie został wysłany z tej galaktyki, to być może nie był spowodowany zderzeniem dwóch gwiazd neutronowych.
Scenariusz dotyczący neutronów ma inny słaby punkt. „Częstotliwość emisji szybkich impulsów radiowych jest znacznie wyższa niż częstotliwość promieniowania oczekiwana w wyniku zderzeń gwiazd neutronowych” - mówi Maxim Lyutikov z American University of Purdue.
Ponadto zderzenia gwiazd neutronowych występują o kilka rzędów wielkości rzadziej niż prawdopodobna częstotliwość szybkich impulsów radiowych, tak więc wszystkich zarejestrowanych przypadków nie można wyjaśnić samym tym zjawiskiem.
Wkrótce nowe dowody naukowe jeszcze bardziej zmniejszyły prawdopodobieństwo takiego wyjaśnienia.
W marcu 2016 roku grupa astronomów zgłosiła oszałamiające odkrycie. Badali impuls radiowy zarejestrowany w 2014 roku przez Obserwatorium Arecibo w Puerto Rico. Okazało się, że nie było to jednorazowe wydarzenie - impuls powtórzył się 11 razy w ciągu 16 dni.
„To było największe odkrycie od czasu pierwszej szybkiej serii radiowej” - mówi Penh. „To kładzie kres ogromnej liczbie zaproponowanych do tej pory hipotez”.
Wszystkie zarejestrowane wcześniej szybkie impulsy radiowe były pojedyncze - powtórzenia sygnałów z tego samego sektora nieba nie były rejestrowane.
Dlatego naukowcy założyli, że mogą być konsekwencją kosmicznych kataklizmów, w każdym przypadku występujących tylko raz - na przykład eksplozje czarnych dziur czy zderzenia gwiazd neutronowych.
Jednak teoria ta nie wyjaśnia możliwości (w niektórych przypadkach) powtarzania impulsów radiowych w krótkich odstępach czasu. Niezależnie od przyczyny takiej serii impulsów, warunki ich wystąpienia muszą być utrzymywane przez pewien czas.
Ta okoliczność znacznie zawęża listę możliwych hipotez.
Jeden z nich, który bada Buttercup, mówi, że młode pulsary - gwiazdy neutronowe obracające się z prędkością do jednego obrotu na milisekundę - mogą być źródłem szybkich impulsów radiowych.
Jaskier nazywa takie obiekty pulsarami na sterydach.
Z biegiem czasu rotacja pulsarów zwalnia, a część energii rotacyjnej może zostać wyrzucona w przestrzeń kosmiczną w postaci emisji radiowej.
Nie jest do końca jasne, jak dokładnie pulsary mogą emitować szybkie impulsy radiowe, ale wiadomo, że są one w stanie emitować krótkie impulsy fal radiowych.
Zatem pulsar znajdujący się w Mgławicy Krab ma przypuszczalnie około 1000 lat. Jest stosunkowo młody i jest jednym z najpotężniejszych znanych nam pulsarów.
Im młodszy pulsar, tym szybciej się obraca i tym więcej ma energii. Buttercup nazywa takie obiekty „pulsarami na sterydach”.
I chociaż pulsar w Mgławicy Krab nie ma teraz wystarczającej energii, aby emitować szybkie impulsy radiowe, możliwe, że mógłby to zrobić natychmiast po jego pojawieniu się.
Inna hipoteza mówi, że źródłem energii dla szybkich impulsów radiowych nie jest rotacja gwiazdy neutronowej, ale jej pole magnetyczne, które może być tysiąc bilionów razy silniejsze niż ziemskie.
Gwiazdy neutronowe o niezwykle silnych polach magnetycznych, tak zwane magnetary, mogą emitować szybkie impulsy radiowe w procesie podobnym do tego, który powoduje rozbłyski słoneczne.
We Wszechświecie jest dużo magnetarów
Gdy magnetar się obraca, pola magnetyczne w jego koronie - cienkiej zewnętrznej warstwie atmosfery - zmieniają konfigurację i stają się niestabilne.
W pewnym momencie linie tych pól zachowują się tak, jakbyś kliknął biczem. Uwalniany jest strumień energii, który przyspiesza naładowane cząstki, które emitują impulsy radiowe.
„We wszechświecie jest dużo magnetarów” - mówi Bailes. „Są niestabilne, co prawdopodobnie wyjaśnia występowanie szybkich impulsów radiowych”.
Hipotezy dotyczące gwiazd neutronowych są bardziej konserwatywne i oparte na stosunkowo dobrze zbadanych zjawiskach, dlatego wydają się bardziej prawdopodobne.
„Wszystkie hipotezy dotyczące występowania szybkich impulsów radiowych, które uważam za poważne i które poważnie omawiam z kolegami, dotyczą gwiazd neutronowych” - mówi Bales.
Przyznaje jednak, że takie podejście może być nieco jednostronne. Wielu astronomów badających szybkie impulsy radiowe bada również gwiazdy neutronowe, więc ich tendencja do patrzenia na te pierwsze przez pryzmat tych drugich jest zrozumiała.
Być może mamy do czynienia z niezbadanymi aspektami fizyki
Są też bardziej niekonwencjonalne wyjaśnienia. Na przykład wielu badaczy zasugerowało, że szybkie impulsy radiowe powstają w wyniku zderzeń pulsarów z asteroidami.
Możliwe, że jednocześnie jest prawdziwych kilka hipotez, a każda z nich wyjaśnia pewien przypadek wystąpienia szybkich impulsów radiowych.
Możliwe, że niektóre impulsy się powtarzają, a inne nie, co nie wyklucza całkowicie hipotezy o zderzeniach gwiazd neutronowych i innych kataklizmach o kosmicznej skali.
„Może się okazać, że odpowiedź jest bardzo prosta” - mówi Ljutikow. "Ale może się również zdarzyć, że mamy do czynienia z niezbadanymi aspektami fizyki, z nowymi zjawiskami astrofizycznymi."
Bez względu na to, jak w rzeczywistości okazują się szybkie impulsy radiowe, mogą przynieść ogromne korzyści nauce o kosmosie.
Na przykład mogą służyć do pomiaru objętości materii we wszechświecie.
Jak już wspomniano, fale radiowe napotykają na swojej drodze międzygalaktyczną plazmę, która zwalnia ich prędkość w zależności od częstotliwości fali.
Oprócz możliwości pomiaru odległości do źródła sygnału, różnica prędkości fal daje również wyobrażenie o tym, ile elektronów znajduje się między naszą galaktyką a źródłem promieniowania.
„Fale radiowe są kodowane z informacjami o elektronach tworzących wszechświat” - mówi Bailes.
Wcześniej naukowcy zajmowali się tym tematem głównie w wolnym czasie od badań podstawowych.
Daje to naukowcom możliwość z grubsza oszacowania ilości zwykłej materii w kosmosie, co pomoże im w przyszłości przy obliczaniu modeli pojawiania się Wszechświata.
Wyjątkowość szybkich impulsów radiowych polega na tym, że są one rodzajem kosmicznych wiązek laserowych, mówi Pen.
Przebijają przestrzeń w określonym kierunku i są wystarczająco intensywne, aby zapewnić najwyższą dokładność pomiaru.
„To najdokładniejsze dostępne narzędzie pomiarowe do badania odległych obiektów w zasięgu wzroku” - wyjaśnia.
Tak więc, według niego, szybkie impulsy radiowe mogą powiedzieć o budowie plazmy i pól magnetycznych w pobliżu źródła promieniowania.
Podczas przechodzenia przez plazmę impulsy radiowe mogą migotać - podobnie jak gwiazdy migoczą, gdy są oglądane przez atmosferę ziemską.
Pomiar charakterystyk tej scyntylacji pozwoli astronomom na zmierzenie wielkości obszarów plazmy z dokładnością do kilkuset kilometrów Ze względu na duży potencjał naukowy, a przede wszystkim ze względu na niewytłumaczalność zjawiska, w ostatnich latach zainteresowanie naukowców szybkimi impulsami radiowymi znacznie wzrosło.
„Wcześniej naukowcy zajmowali się tym tematem głównie w czasie wolnym od badań głównego nurtu” - mówi Lorimer.
Obecnie astronomowie intensywnie poszukują szybkich impulsów radiowych w jeszcze niezbadanych obszarach nieba i kontynuują obserwację sektorów nieba, w których te zjawiska zostały już zarejestrowane - w nadziei na ich zarejestrowanie.
Jednocześnie wykorzystywane są moce teleskopów na całym świecie, ponieważ gdy jeden impuls jest obserwowany z kilku obserwatoriów, prawdopodobieństwo dokładniejszego obliczenia współrzędnych źródła znacznie wzrasta.
Tak więc w ciągu najbliższych kilku lat teleskopy radiowe, takie jak kanadyjski CHIME (Canadian Hydrogen Intensive Mapping Experiment, czy Canadian Hydrogen Intensive Mapping Experiment), będą w stanie obserwować rozległe obszary nieba i rejestrować setki szybkich impulsów radiowych.
Im więcej zebranych danych, tym bardziej zrozumiałe będzie zjawisko szybkich impulsów radiowych. Być może pewnego dnia ich tajemnica zostanie ujawniona.