Szybkie błyski radiowe należą do najbardziej zagadkowych sygnałów docierających do Ziemi z odległego kosmosu. Astronomowie właśnie zidentyfikowali najdalszy z nich – FRB 20240304B. Sygnał trwał zaledwie około jednej tysięcznej sekundy, ale podróżował przez Wszechświat ponad 10 miliardów lat. Jeszcze większym zaskoczeniem okazała się jego galaktyka macierzysta. Zamiast dużego, rozwiniętego układu gwiazd naukowcy znaleźli niewielką galaktykę karłowatą, w której większość gwiazd powstała stosunkowo niedawno.
Szybkie błyski radiowe – czym są tajemnicze sygnały z kosmosu?
Wszechświat nieustannie wysyła w naszym kierunku promieniowanie elektromagnetyczne. Część tego promieniowania dociera do Ziemi w postaci fal radiowych, które astronomowie rejestrują za pomocą ogromnych radioteleskopów.
Niektóre sygnały są jednak wyjątkowo trudne do wyjaśnienia.
Do tej grupy należą szybkie błyski radiowe, określane skrótem FRB, pochodzącym od angielskiego Fast Radio Bursts.
Są to bardzo krótkie, ale niezwykle intensywne impulsy fal radiowych. Najczęściej trwają zaledwie kilka milisekund, czyli tysięcznych części sekundy.
Mimo tak krótkiego czasu trwania potrafią uwalniać ogromne ilości energii.
Pierwszy szybki błysk radiowy odkryto w 2007 roku. Od tego momentu astronomowie próbują ustalić, jakie obiekty i procesy odpowiadają za powstawanie tych sygnałów.
Problem polega na tym, że wiele FRB pojawia się tylko raz.
Zanim teleskopy zdążą skierować się w odpowiedni fragment nieba, błysk już dawno znika.
FRB 20240304B pobił rekord odległości
Międzynarodowy zespół astronomów przeanalizował niezwykły sygnał oznaczony jako FRB 20240304B.
Został on wykryty 4 marca 2024 roku przez południowoafrykański radioteleskop MeerKAT.
Pomiary wskazywały, że impuls pochodzi z wyjątkowo odległego obszaru Wszechświata.
Dalsze obserwacje potwierdziły, że jest to najodleglejszy szybki błysk radiowy, którego galaktykę macierzystą udało się dotąd zidentyfikować.
Promieniowanie zostało wyemitowane ponad 10 miliardów lat temu, gdy Wszechświat miał zaledwie około 3 miliardów lat.
Oznacza to, że sygnał przemierzył większą część historii kosmosu, zanim dotarł do naszych instrumentów.
Wyniki międzynarodowego badania opublikowano w czasopiśmie „Science”.
Astronomowie zajrzeli w epokę kosmicznego południa
Okres, z którego pochodzi rekordowy sygnał, nazywany jest przez astronomów kosmicznym południem.
Był to jeden z najbardziej intensywnych etapów rozwoju Wszechświata.
Galaktyki produkowały wówczas ogromne ilości nowych gwiazd, a tempo ich powstawania osiągało maksimum.
Właśnie z tej epoki dotarł do nas FRB 20240304B.
To szczególnie interesujące, ponieważ większość dobrze poznanych szybkich błysków radiowych pochodzi z późniejszych etapów historii kosmosu.
Odkrycie pokazuje, że mechanizmy odpowiedzialne za takie impulsy działały również wtedy, gdy Wszechświat był znacznie młodszy.
MeerKAT wykrył błysk trwający ułamek sekundy
Pierwszym instrumentem, który zarejestrował sygnał, był MeerKAT w Republice Południowej Afryki.
To rozbudowana sieć 64 anten radiowych, umożliwiająca niezwykle precyzyjne obserwowanie odległych źródeł promieniowania.
Dzięki tym możliwościom astronomowie mogli określić kierunek, z którego dotarł błysk.
Kolejnym zadaniem było znalezienie galaktyki, w której doszło do emisji.
To niezbędny krok, jeżeli chcemy zrozumieć, co właściwie wytworzyło sygnał.
Początkowo zadanie wydawało się stosunkowo proste.
Rzeczywistość szybko zweryfikowała te oczekiwania.
Największe teleskopy naziemne nie zobaczyły niczego
Astronomowie skierowali w miejsce pochodzenia sygnału dwa bardzo czułe teleskopy naziemne.
Spodziewali się znaleźć galaktykę, której światło pozwoliłoby ustalić odległość i właściwości źródła.
Mimo głębokich obserwacji nie udało się jednak wykryć oczekiwanego obiektu.
Nie oznaczało to, że sygnał przyleciał z pustej przestrzeni.
Bardziej prawdopodobne było to, że jego galaktyka macierzysta jest wyjątkowo słaba i odległa.
Potrzebny był instrument zdolny zobaczyć obiekty niewidoczne dla zwykłych obserwatoriów optycznych.
Wybór padł na Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba.
Teleskop Jamesa Webba odkrył zaskakująco małą galaktykę
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, czyli JWST, jest szczególnie skuteczny w obserwacjach odległych galaktyk dzięki swojej czułości na promieniowanie podczerwone.
Astronomowie wykorzystali jego możliwości, aby zbadać miejsce pochodzenia FRB 20240304B.
Wreszcie udało się znaleźć galaktykę macierzystą.
Jednak odkryty obiekt był zupełnie inny, niż przewidywali badacze.
Zamiast dużej galaktyki zawierającej rozbudowaną populację gwiazd znaleziono niewielką galaktykę karłowatą, w której intensywnie powstają nowe gwiazdy.
Według autorów masa gwiazdowa tego obiektu była nawet około 1000 razy mniejsza od oczekiwanej.
To jeden z najbardziej zaskakujących wyników całego badania.
Aż 90 procent gwiazd powstało w ostatnich 30 milionach lat
Niewielka masa nie była jedyną niezwykłą cechą odkrytej galaktyki.
Analiza jej populacji gwiazd wykazała, że około 90 procent masy gwiazdowej powstało w ciągu ostatnich 30 milionów lat przed momentem, w którym obserwujemy galaktykę.
W skali astronomicznej jest to bardzo krótki okres.
Oznacza to, że galaktyka przechodziła niezwykle intensywny etap tworzenia gwiazd.
Ta informacja może być kluczowa dla wyjaśnienia pochodzenia szybkiego błysku radiowego.
Niektóre proponowane źródła FRB są bowiem związane z młodymi, masywnymi gwiazdami i pozostałościami po ich gwałtownej śmierci.
Magnetar może być źródłem tajemniczego sygnału
Jednym z najważniejszych kandydatów na źródło szybkich błysków radiowych są magnetary.
To szczególny rodzaj gwiazd neutronowych.
Powstają one w wyniku gwałtownych procesów towarzyszących końcowym etapom życia niektórych masywnych gwiazd.
Magnetary wyróżniają się ekstremalnie silnymi polami magnetycznymi – należącymi do najpotężniejszych znanych we Wszechświecie.
Choć ich rozmiary są niewielkie, zawierają ogromną ilość materii skoncentrowanej w bardzo małej objętości.
Tak silne pola magnetyczne mogą magazynować i gwałtownie uwalniać energię.
Właśnie dlatego magnetary od lat są uważane za jednych z najbardziej prawdopodobnych sprawców szybkich błysków radiowych.
Młoda galaktyka wzmacnia hipotezę magnetara
Odkrycie niewielkiej, aktywnie tworzącej gwiazdy galaktyki jest zgodne z hipotezą magnetara.
Takie obiekty mogą powstawać stosunkowo szybko po narodzinach masywnych gwiazd.
Jeśli więc galaktyka w ciągu ostatnich 30 milionów lat intensywnie produkowała gwiazdy, mogła również wytworzyć młode magnetary.
Badacze zwracają uwagę, że galaktyka jest także uboga w metale, czyli pierwiastki cięższe od helu w astronomicznym znaczeniu tego słowa.
Takie środowisko może sprzyjać powstawaniu bardzo masywnych gwiazd.
Wszystko to sprawia, że magnetar staje się szczególnie interesującym kandydatem.
Nie jest to jednak ostateczny dowód.
Astronomowie nadal nie ustalili jednoznacznie, co spowodowało FRB 20240304B.
A może zderzyły się dwie gwiazdy neutronowe?
Jedna z alternatywnych teorii zakłada, że szybkie błyski radiowe mogą powstawać podczas zderzeń zwartych obiektów, takich jak gwiazdy neutronowe.
Gdy dwie gwiazdy neutronowe krążą wokół siebie, stopniowo tracą energię orbitalną.
Z czasem mogą zbliżyć się na tyle, że dochodzi do katastrofalnego zderzenia.
Taki proces może zakończyć się powstaniem czarnej dziury lub bardzo masywnej gwiazdy neutronowej.
Problem polega na tym, że niektóre układy podwójne gwiazd neutronowych potrzebują bardzo dużo czasu, zanim dojdzie do ich połączenia.
W przypadku wyjątkowo młodej galaktyki macierzystej FRB 20240304B scenariusz wymagający miliardów lat byłby trudniejszy do pogodzenia z obserwacjami.
Nie wyklucza to wszystkich możliwych scenariuszy zderzeniowych, ale dodatkowo wzmacnia zainteresowanie magnetarami.
Szybkie błyski radiowe pomagają badać niewidzialną materię
Najciekawsze jest to, że FRB mają wartość naukową nawet wtedy, gdy nie znamy dokładnego mechanizmu ich powstawania.
W trakcie podróży przez Wszechświat fale radiowe przechodzą przez rozległe obszary wypełnione bardzo rozrzedzonym gazem.
Część tego gazu jest zjonizowana, co oznacza, że zawiera swobodne elektrony i naładowane cząstki.
Taki ośrodek wpływa na rozchodzenie się fal radiowych.
Poszczególne częstotliwości nie docierają do obserwatora dokładnie w tym samym momencie.
Dzięki temu astronomowie mogą analizować materię znajdującą się pomiędzy źródłem sygnału a Ziemią.
Fale o niższej częstotliwości docierają później
W zjonizowanym gazie fale radiowe o niższych częstotliwościach doświadczają większego opóźnienia niż fale o wyższych częstotliwościach.
Zjawisko to nazywa się dyspersją.
Im więcej swobodnych elektronów znajduje się na trasie sygnału, tym większa może być obserwowana różnica czasu dotarcia poszczególnych częstotliwości.
Astronomowie potrafią wykorzystać ten efekt do szacowania ilości materii napotkanej przez impuls.
Szybki błysk radiowy staje się więc czymś w rodzaju kosmicznej sondy.
Nie trzeba wysyłać żadnego urządzenia w odległe rejony Wszechświata.
Wystarczy dokładnie zbadać sygnał, który sam do nas dotarł.
Sygnał przeszedł przez nieznaną grupę galaktyk
FRB 20240304B dostarczył również informacji o strukturach znajdujących się na drodze jego promieniowania.
Analiza wykazała ślady oddziaływania sygnału z materią związaną z grupą galaktyk położoną około 3,5 miliarda lat świetlnych od Ziemi.
W ten sposób rozbłysk pomógł ujawnić strukturę, której obecność nie była wcześniej rozpoznana w ten sposób.
To przykład wykorzystania FRB do badania rozkładu materii we Wszechświecie.
Im więcej odległych błysków uda się dokładnie zlokalizować, tym lepiej astronomowie będą mogli analizować przestrzeń pomiędzy galaktykami.
Na trasie znalazła się również Gromada w Pannie
Badacze dostrzegli także ślady oddziaływania sygnału z materią związaną z Gromadą w Pannie.
To duża struktura galaktyczna znajdująca się około 54 milionów lat świetlnych od Ziemi.
Jest jedną z najbliższych nam dużych gromad galaktyk.
Jej obecność pozostawiła charakterystyczny ślad w sygnale radiowym.
Dzięki temu astronomowie mogli przeanalizować wpływ różnych struktur kosmicznych znajdujących się pomiędzy źródłem FRB a obserwatorem.
Gaz w galaktyce macierzystej dodatkowo rozmył błysk
Oprócz dyspersji naukowcy zaobserwowali również efekt rozpraszania.
Przemieszczający się przez turbulentny gaz sygnał może docierać do obserwatora różnymi drogami.
W rezultacie bardzo krótki impuls zostaje rozciągnięty w czasie.
W przypadku FRB 20240304B efekt ten wydłużył obserwowany sygnał o kilka milisekund.
Według badaczy znaczna część rozpraszania mogła powstać w otoczeniu samej galaktyki macierzystej.
To kolejna wskazówka dotycząca warunków panujących w miejscu narodzin błysku.
James Webb potwierdził odległość za pomocą widma galaktyki
Samo wykrycie niewielkiej galaktyki nie wystarczało do dokładnego określenia jej odległości.
Naukowcy wykorzystali więc instrument NIRSpec teleskopu Jamesa Webba.
Pozwolił on zbadać widmo galaktyki, w tym charakterystyczne sygnały związane z wodorem i tlenem.
Na tej podstawie określono przesunięcie ku czerwieni wynoszące z = 2,148.
W astronomii przesunięcie ku czerwieni informuje, jak bardzo światło odległego obiektu zostało rozciągnięte podczas podróży przez rozszerzający się Wszechświat.
Wynik potwierdził, że obserwowana galaktyka pochodzi z epoki, kiedy od Wielkiego Wybuchu minęły zaledwie około 3 miliardy lat.
To właśnie ten pomiar pozwolił ustalić rekordową odległość źródła FRB.
Dlaczego tak trudno ustalić pochodzenie szybkich błysków radiowych?
Choć od pierwszego odkrycia FRB minęło prawie 20 lat, astronomowie nadal rozważają wiele różnych mechanizmów ich powstawania.
Powód jest prosty: krótkotrwały błysk dostarcza ograniczonej ilości informacji o swoim źródle.
Wiele takich sygnałów nie powtarza się, dlatego nie można ponownie przyjrzeć się zjawisku w tym samym miejscu.
Problemem jest także ogromna różnorodność obserwowanych rozbłysków.
Niektóre mogą pochodzić z odmiennych środowisk i być wytwarzane przez różne procesy.
Badacze wskazują, że istnieje blisko sto rozważanych modeli teoretycznych.
Ich weryfikacja wymaga dużej liczby dokładnych obserwacji.
Odkrycie może zmienić sposób poszukiwania FRB
Do tej pory astronomowie potwierdzili galaktyki macierzyste jedynie dla niewielkiej części znanych szybkich błysków radiowych.
Materiał źródłowy wskazuje na około 100 dobrze zlokalizowanych przypadków.
Odkrycie FRB 20240304B pokazuje, że podobne zjawiska występowały również w bardzo wczesnym Wszechświecie.
Co więcej, mogły powstawać w niewielkich, młodych galaktykach, które są wyjątkowo trudne do zobaczenia.
To ważna wskazówka dla przyszłych projektów obserwacyjnych.
Astronomowie mogą teraz dokładniej kierować poszukiwania na odległe obszary intensywnego powstawania gwiazd.
Szybkie błyski radiowe mogą ujawniać historię Wszechświata
Rekordowy FRB 20240304B jest czymś więcej niż pojedynczym niezwykłym sygnałem.
Pozwolił astronomom zajrzeć do galaktyki istniejącej zaledwie 3 miliardy lat po Wielkim Wybuchu.
Pokazał również, że bardzo młode i małe galaktyki mogą być źródłem niezwykle energetycznych zjawisk.
Jego właściwości wspierają hipotezę, że przynajmniej część FRB powstaje w otoczeniu młodych magnetarów.
Jednocześnie sygnał dostarczył informacji o materii znajdującej się pomiędzy odległą galaktyką a Ziemią.
To pokazuje, jak wiele można dowiedzieć się z impulsu trwającego zaledwie ułamek sekundy.
Szybkie błyski radiowe nadal pozostają zagadką, ale dzięki nowemu odkryciu astronomowie mają znacznie lepsze wskazówki dotyczące miejsc ich narodzin.
Być może kolejne rekordowo odległe FRB pozwolą nie tylko wyjaśnić ich pochodzenie, lecz również dokładniej odtworzyć strukturę i historię młodego Wszechświata.
Badania opublikowano w czasopiśmie Science .