Daleko poza granicami Drogi Mlecznej dochodzi do erupcji nagłych, krótkich, acz niesłychanie intensywnych błysków w zakresie radiowym. Po kilkunastu latach obserwacji, geneza FRB wciąż pozostaje owiana tajemnicą.

Zda­rze­nie było tak jasne, że nie mogliśmy go po prostu zigno­ro­wać.

Duncan Lorimer

“Jasny milisekundowy wybuch radiowy”

Praca radio­astro­no­mów przy­po­mina błą­dze­nie po ciemnym lesie. Ze wszyst­kich kie­run­ków docie­rają do nas róż­no­rodne szmery, trzaski i pohu­ki­wa­nia, których źródła naj­czę­ściej leżą poza zasię­giem wzroku. Wystar­czy odpo­wied­nio dostroić sprzęt, aby prze­ko­nać się, że w kosmosie o ciszy nie ma mowy. Jednak naj­bar­dziej intry­gu­jące i zarazem nie­po­ko­jące są nagłe hałasy gwał­tow­nie prze­ła­mu­jące zwy­czajny szum tła.

Tego rodzaju nie­spo­dzie­wany ryk w 2007 roku zanie­po­koił Duncana Lorimera. Nie wyobra­żaj­cie sobie jednak dra­ma­tycz­nej sceny godnej Hol­ly­wood, w której leżący pod gwiaz­dami nauko­wiec z zało­żo­nymi słu­chaw­kami zostaje pode­rwany nagłym sygnałem i w pod­nie­ce­niu alarmuje swoich współ­pra­cow­ni­ków. Rze­czy­wi­stość była bardziej pro­za­iczna. Lorimer dokonał odkrycia siedząc za biurkiem, mozolnie wertując zapisy wie­lo­let­nich nasłu­chów pro­wa­dzo­nych w wysłu­żo­nym austra­lij­skim Obser­wa­to­rium Parkes. Przed­mio­tem jego dociekań były radiowe odciski pozo­sta­wiane przez pulsary i magne­tary. Jego wzrok zatrzy­mał się na jednej ze stron raportu z 2001 roku, gdzie dostrzegł wyraźną anomalię. Radio­te­le­skop odno­to­wał silny sygnał o spe­cy­ficz­nym profilu, raczej nie­pa­su­jący do śladu gwiazdy neu­tro­no­wej. Jed­no­ra­zowy strzał, którego źródło leżało poza naszą galak­tyką. Zaska­ku­jąco wyraźny, ale odosob­niony i trwający zaledwie ułamek sekundy.

Maura McLau­gh­lin i Duncan Lorimer na szczycie Green Bank Tele­scope.

Bry­tyj­ski uczony był szczerze zakło­po­tany. Z jednej strony rzecz doty­czyła jakiejś poje­dyn­czej aber­ra­cji, z drugiej jednak miał przed oczami zapis czegoś o energii setek milionów Słońc. Po kon­sul­ta­cjach ze swoim zespołem, w listo­pa­do­wym numerze Science pojawił się artykuł A Bright Mil­li­se­cond Radio Burst of Extra­ga­lac­tic Origin. Śro­do­wi­sko naukowe usły­szało o potężnym impulsie, który dobiegł z okolic kon­ste­la­cji Tukana i ucichł po zaledwie 0,005 sekundy. Autorzy publi­ka­cji pozwo­lili sobie na przy­pusz­cze­nie, że dostrze­żone zjawisko wcale nie jest uni­ka­towe i może zwia­sto­wać odkrycie nowej klasy zdarzeń astro­no­micz­nych. W ten sposób roz­po­częła się wielka dyskusja o sygna­łach FRB, czyli Fast Radio Burst.

Kłopotliwa mikrofalówka

Sygnał Lorimera narobił trochę zamie­sza­nia, ale spora część śro­do­wi­ska pod­cho­dziła (i nadal pod­cho­dzi) do sprawy z uza­sad­nio­nym dystan­sem. Trudno sku­tecz­nie badać coś, co zdarzyło się tylko raz, wzięło się nie wiadomo skąd i nie pozo­sta­wiło po sobie śladów. Aby ruszyć dalej z tematem konieczne były nowe dane.

Tu pojawia się naj­bar­dziej komiczny, choć istotny rozdział tej historii. W 2010 roku dok­to­rantka Sarah Burke-Spolaor, wzorem swojego poprzed­nika, raz jeszcze prze­ko­pała archiwum Obser­wa­to­rium Parkes. Poszu­ki­wa­nia okazały się naprawdę owocne i przy­nio­sły całą serię 16 nowych sygnałów. Dość podob­nych, choć nie iden­tycz­nych ze zda­rze­niem zare­je­stro­wa­nym w 2001 roku. Różnica polegała na tym, że z jakiegoś powodu nikt nie potrafił zlo­ka­li­zo­wać źródła błysków Burke-Spolaor na nie­bo­skło­nie, tak jak gdyby każdy dobiegał z wielu kie­run­ków. Dla uczonych sta­no­wiło to prze­słankę pozwa­la­jącą domnie­my­wać, że emitery FRB wcale nie leżą miliardy lat świetl­nych od Ziemi, lecz tuż pod nosem obser­wa­to­rów.

64-metrowy radio­te­le­skop w Parkes.

W istocie, źródłem sygnałów Burke-Spolaor okazała się… mikro­fa­lówka. Po dość długim “docho­dze­niu” sko­ja­rzono, że czas emisji impulsów podej­rza­nie pokrywa się z porą lunchu. Za każdym razem kiedy jakiś wygłod­niały pra­cow­nik placówki otwierał drzwiczki kuchenki mikro­fa­lo­wej przed zakoń­cze­niem pod­grze­wa­nia, ultra­czuła apa­ra­tura reje­stro­wała błysk.

FRB to nie wyjątek

Możemy się śmiać, ale powta­rza­jąc tę anegdotę należy pamiętać o dwóch szcze­gó­łach. Po pierwsze, naukowcy wykazali się czuj­no­ścią i niemal od razu wycią­gnęli słuszny wniosek, szukając poza­ko­smicz­nego źródła pro­mie­nio­wa­nia. Sam fakt, że wino­wajcą okazało się coś tak pro­za­icz­nego jak sprzęt kuchenny, a nie np. zjawisko atmos­fe­ryczne – nie ma w tym przy­padku więk­szego zna­cze­nia. Po drugie, cała sprawa nie pozo­stała bez kon­se­kwen­cji, rzucając cień podej­rze­nia również na zna­le­zi­sko Lorimera. Odkrycia bronił jeden problem: w tamtym przy­padku źródło impulsu zaj­mo­wało kon­kretną pozycję na nie­bo­skło­nie. Czy doszło do jakiejś pomyłki w analizie? Awarii sprzętu? Gdyby już nigdy później nie zare­je­stro­wano czegoś podob­nego, nale­ża­łoby rozważyć przy­ję­cie któregoś z tych wsty­dli­wych wyja­śnień.

Jednak historia w końcu się powtó­rzyła. W kwietniu 2014 roku nie­mieccy radio­astro­no­mo­wie poin­for­mo­wali o zna­le­zie­niu bliź­nia­czego szyb­kiego błysku radio­wego pocho­dzą­cego z kon­ste­la­cji Woźnicy. Tak jak w przy­padku sygnału Lorimera, wybuch FRB 121102 trwał ułamek sekundy i miał pocho­dze­nie poza­ga­lak­tyczne. Ale co naj­waż­niej­sze z badaw­czego punktu widzenia – odkrycia dokonano w Obser­wa­to­rium Arecibo, co wyklu­czało tezę o ewen­tu­al­nej usterce apa­ra­tury w Parkes.

Tym razem nie ma mowy, żeby była to kuchenka mikro­fa­lowa.

~ Matthew Bailes

W chwili gdy czytacie ten tekst posia­damy już kil­ka­dzie­siąt innych udo­ku­men­to­wa­nych kan­dy­da­tów na impulsy klasy FRB. Ana­lo­giczne wyniki dały nasłuchy pro­wa­dzone m.in. przez austra­lij­skie radio­te­le­skopy ATCA, UTMOST, ASKAP i MOST (tak, dużo tam tego mają), kana­dyj­ski CHIME oraz włoski SRT. Dzięki temu wiemy już, że mamy do czy­nie­nia ze zja­wi­skiem powta­rzal­nym. Z kolei fakt, że impulsy docie­rały z przy­pad­ko­wych kie­run­ków (a nie wyłącz­nie z zatło­czo­nej płasz­czy­zny Drogi Mlecznej), dodat­kowo umocniło tezę o ich poza­ga­lak­tycz­nym pocho­dze­niu.

Nowe kosmiczne monstra

Jednak mimo upływu lat, wciąż nie zgro­ma­dzi­li­śmy dosta­tecz­nej liczby danych, aby sfor­mu­ło­wać rzetelną teorię tłu­ma­czącą genezę szybkich błysków radio­wych. Pewnie dlatego temat elek­try­zuje, a media ochoczo infor­mują o każdym kolejnym zło­wio­nym sygnale. Wszakże mowa o czymś potężnym i nie­zna­nym, a to nie­za­wod­nie pobudza wyobraź­nię i pozwala na rzucenie obo­wiąz­ko­wej sugestii o śladzie obcej cywi­li­za­cji (nawet w New Scien­tist pojawił się swego czasu artykuł Kosmiczne radio gra melodię obcych. Jednak wbrew tytułowi, autor wyliczał głównie argu­menty prze­czące temu pomy­słowi).

Oczy­wi­ście FRB nie są pierwszą hiper­ener­ge­tyczną nie­spo­dzianką spre­zen­to­waną nam przez wszech­świat. Naj­bli­żej spo­krew­nione z nimi wydają się GRB (Gamma Ray Burst), czyli reje­stro­wane od lat 60. roz­bły­ski gamma. Uchwy­cony przez kosmiczny teleskop Swift wybuch GRB 090429B trwał niecałe pięć sekund, został wyemi­to­wany 13 miliar­dów lat świetl­nych stąd i przez krótką chwilę zaświe­cił tysiące razy inten­syw­niej od prze­cięt­nej galak­tyki (jak również silniej od sygnału Lorimera). Był to zde­cy­do­wa­nie jeden z naj­bar­dziej ener­ge­tycz­nych i jed­no­cze­śnie naj­bar­dziej odda­lo­nych feno­me­nów zaob­ser­wo­wa­nych przez czło­wieka.

Roz­bły­ski gamma mają wiele pod­ga­tun­ków, ale co do zasady towa­rzy­szą hiper­no­wym, kolizjom pulsarów i innym szcze­gól­nie dra­ma­tycz­nym aktom z życia masyw­nych ciał nie­bie­skich. Czy podobnie jest z FRB? Mecha­ni­zmy na pewno nie są iden­tyczne, skoro mamy do czy­nie­nia z impul­sami o różnej długości fali. Nie wyklucza to jednak, że wciąż mogą one pozo­sta­wać związane z gwiaz­dami i ich pozo­sta­ło­ściami. Zwrócę uwagę na dwie moż­li­wo­ści, moim zdaniem naj­cie­kaw­sze i co najmniej praw­do­po­dobne.

Pierwsza hipoteza wiąże FRB z magne­ta­rami, czyli kuzynami pulsarów o rekor­do­wych wła­ści­wo­ściach magne­tycz­nych. Jak twierdzą m.in. Kiyoshi Masui czy Andrei Belo­bo­ro­dov, młody magnetar umiej­sco­wiony wewnątrz mgławicy mógłby joni­zo­wać opa­da­jącą nań materię, przy okazji emitując gwał­towne impulsy radiowe. Wiele w tym przy­padku zale­ża­łoby nie tylko od wła­ści­wo­ści magne­tara, ale również jego oto­cze­nia.

Opcja druga zakłada, że FRB stanowią pierwszy trop pro­wa­dzący do nie­ob­ser­wo­wa­nych dotąd blit­za­rów. To dzi­waczna kreatura, która utknęła gdzieś pomiędzy gwiazdą neu­tro­nową a czarną dziurą. Obiekt tego rodzaju miałby posiadać wystar­cza­jącą masę aby ufor­mo­wać czarną dziurę, lecz jed­no­cze­śnie wiro­wałby z takim impetem, że siła odśrod­kowa chro­ni­łaby go przed zapad­nię­ciem. Przy­naj­mniej na jakiś czas. Wraz z wytra­ca­niem energii blitzar roto­wałby coraz wolniej, musząc w końcu ustąpić miaż­dżą­cej sile gra­wi­ta­cji. W tym momencie doszłoby do rap­tow­nego kolapsu, eks­plo­zji i – zdaniem nie­któ­rych astro­fi­zy­ków – emisji krót­kiego błysku radio­wego.

Regularne FRB

Jesteśmy na wczesnym etapie, gdzie kon­cep­cja goni kon­cep­cję i trudno wyro­ko­wać, która okaże się strzałem w dzie­siątkę, a która zaraz wyląduje w śmiet­niku. Poza magne­ta­rami i blit­za­rami w grze wciąż pozo­stają czarne dziury, pulsary, spe­cy­ficzne wybuchy super­no­wych i wiele innych.

Radio­te­le­skop CHIME (Canadian Hydrogen Inten­sity Mapping Expe­ri­ment) to naj­lep­sze współ­cze­sne narzę­dzie do nasłu­chów FRB.

A może istnieje kilka popraw­nych odpo­wie­dzi? Od 2015 roku radio­astro­no­mo­wie odno­to­wują już nie tylko samotne strzały, lecz również całe serie FRB. Taki cha­rak­ter miał ostatni złapany sygnał, ozna­czony jako FRB 180916, opisany w publi­ka­cji ze stycznia 2020 roku. Położone w zachod­niej Kanadzie obser­wa­to­rium CHIME odno­to­wało ciąg krótkich błysków powta­rza­ją­cych się mniej więcej co godzinę przez cztery dni, po czym nastą­piła 12-dniowa przerwa i powtórka. Wzór okazał się regu­larny. Kto wie, może to mru­gnię­cia magne­tara okrą­ża­ją­cego jakiś obiekt i cyklicz­nie zni­ka­ją­cego nam z pola widzenia?

W każdym razie, wiele wskazuje na to, że mamy do czy­nie­nia z co najmniej dwoma rodza­jami błysków FRB: jed­no­ra­zo­wymi oraz powta­rzal­nymi. I całkiem możliwe, że stoją za nimi odmienne, choć równie inte­re­su­jące zjawiska.

Literatura uzupełniająca:
E. Gibney, Why ultra-powerful radio bursts are the most perplexing mystery in astronomy, [online: www.nature.com/news/why-ultra-powerful-radio-bursts-are-the-most-perplexing-mystery-in-astronomy‑1.20175];
E. Gibney, Astronomers closer to cracking mystery of fast radio bursts, [online: www.nature.com/articles/d41586-019–02455‑1];
G. Schilling, Mysterious radio bursts originate outside the Milky Way, [online: www.sciencemag.org/news/2017/01/mysterious-radio-bursts-originate-outside-milky-way];
A. Mann, Fast Radio Bursts from a Spiral Galaxy Challenge Theorists, [online: www.scientificamerican.com/article/fast-radio-bursts-from-a-spiral-galaxy-challenge-theorists];
S. Scoles, Is this ET? Mystery of strange radio bursts from space, [online: www.newscientist.com/article/mg22630153-600-is-this-et-mystery-of-strange-radio-bursts-from-space];
L. Spitler, J. Cordes, J. Hessels, Fast Radio Burst Discovered in the Arecibo Pulsar ALFA Survey, “The Astrophysical Journal”, vol. 790, nr 2, lipiec 2014;
K. Masui, H. Lin, J. Sievers, Dense magnetized plasma associated with a fast radio burst, “Nature”, vol. 528, grudzień 2015.