Gdy wszechświat wrzeszczy, a my nie wiemy dlaczego – zagadka FRB

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

Sygnał FRB wykrył 64-metrowy radioteleskop w Parkes w Australii
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. Dzięki badaniom dr Shivani Bhandari z CSIRO wiemy już, że źródłami sygnałów nie są serca galaktyk i okolice supermasywnych czarnych dziur. 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.

Blitzar

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
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.
Kura domowa, która odkryła wszechświat 5 rzeczy, które powinieneś wiedzieć o (zakończonej) misji sondy Cassini Ted Kaczynski i jego manifest – “Śmierć nauce”