Vědci z MIT odhalili původ rychlého rádiového záblesku

Rychlé rádiové záblesky jsou krátké a intenzivní exploze rádiových vln vyzařované extrémně kompaktními objekty, jako jsou neutronové hvězdy a možná i černé díry. Tyto prchavé ohňostroje trvají pouhou tisícinu sekundy a mohou nést obrovské množství energie – tolik, aby na krátkou dobu předčily celé galaxie.

Od objevu prvního rychlého rádiového záblesku (FRB) v roce 2007 astronomové detekovali tisíce FRB, jejichž poloha sahá od naší vlastní galaxie až do vzdálenosti 8 miliard světelných let. Přesný způsob, jakým jsou tyto kosmické rádiové záblesky spouštěny, je stále předmětem debat.

Nyní astronomové z MIT určili původ alespoň jednoho rychlého rádiového záblesku pomocí nové techniky, která by mohla být použita i pro další FRB. Ve své nové studii, publikované v časopise Nature, se tým zaměřil na FRB 20221022A – dříve objevený rychlý rádiový záblesk detekovaný z galaxie vzdálené přibližně 200 milionů světelných let.

Tým dále zpřesnil určení přesné polohy rádiového signálu analýzou jeho „scintilace“, podobně jako třpyt hvězd na noční obloze. Vědci studovali změny jasu FRB a určili, že záblesk musel vzniknout v bezprostřední blízkosti svého zdroje, nikoliv mnohem dále, jak předpovídaly některé modely.

Tým odhaduje, že FRB 20221022A explodoval z oblasti extrémně blízko rotující neutronové hvězdy, maximálně 10 000 kilometrů daleko. To je méně než vzdálenost mezi New Yorkem a Singapurem. V tak těsné blízkosti záblesk pravděpodobně vznikl v magnetosféře neutronové hvězdy – vysoce magnetické oblasti bezprostředně obklopující ultrakompaktní hvězdu.

Zjištění týmu poskytují první přesvědčivý důkaz, že rychlý rádiový záblesk může vzniknout v magnetosféře, vysoce magnetickém prostředí bezprostředně obklopujícím extrémně kompaktní objekt.

„V těchto prostředích neutronových hvězd jsou magnetická pole skutečně na hranici toho, co může vesmír vyprodukovat,“ říká hlavní autorka studie Kenzie Nimmo, postdoktorandka v Kavliho institutu pro astrofyziku a vesmírný výzkum na MIT. „Existuje mnoho debat o tom, zda tato jasná rádiová emise může vůbec uniknout z tak extrémní plazmy.“

„Kolem těchto vysoce magnetických neutronových hvězd, známých také jako magnetary, atomy nemohou existovat – byly by prostě roztrhány magnetickými poli,“ říká Kiyoshi Masui, docent fyziky na MIT. „Vzrušující na tom je, že zjistíme, že energie uložená v těchto magnetických polích, blízko zdroje, se kroutí a překonfiguruje tak, že se může uvolnit jako rádiové vlny, které vidíme v polovině cesty napříč vesmírem.“

Mezi spoluautory studie z MIT patří Adam Lanman, Shion Andrew, Daniele Michilli a Kaitlyn Shin, spolu s spolupracovníky z několika institucí.

Velikost záblesku

Detekce rychlých rádiových záblesků v posledních letech vzrostla díky kanadskému experimentu mapujícímu intenzitu vodíku (CHIME). Pole rádiových teleskopů se skládá ze čtyř velkých, stacionárních přijímačů, z nichž každý má tvar půlkruhu a je naladěn na detekci rádiové emise v rozsahu, který je vysoce citlivý na rychlé rádiové záblesky.

Od roku 2020 CHIME detekoval tisíce FRB z celého vesmíru. Zatímco vědci se obecně shodují, že záblesky vznikají z extrémně kompaktních objektů, přesná fyzika, která FRB řídí, není jasná. Některé modely předpovídají, že rychlé rádiové záblesky by měly pocházet z turbulentní magnetosféry bezprostředně obklopující kompaktní objekt, zatímco jiné předpovídají, že záblesky by měly vznikat mnohem dále, jako součást rázové vlny, která se šíří od centrálního objektu.

Aby se rozlišily tyto dva scénáře a určilo se, kde vznikají rychlé rádiové záblesky, tým zvážil scintilaci – efekt, který nastane, když světlo z malého jasného zdroje, jako je hvězda, prochází nějakým prostředím, jako je plyn galaxie. Jak hvězdné světlo prochází plynem, ohýbá se tak, že se z pohledu vzdáleného pozorovatele zdá, že hvězda bliká. Čím menší nebo vzdálenější objekt je, tím více bliká. Světlo z větších nebo blízkých objektů, jako jsou planety v naší sluneční soustavě, prochází menším ohybem a proto se nezdá, že by blikaly.

Tým usoudil, že pokud by dokázali odhadnout míru scintilace FRB, mohli by určit relativní velikost oblasti, z níž FRB vznikl. Čím menší oblast, tím blíže by byl záblesk ke svému zdroji a tím větší by byla pravděpodobnost, že pochází z magneticky turbulentního prostředí. Čím větší oblast, tím dále by byl záblesk, což by podpořilo myšlenku, že FRB pocházejí z dalekých rázových vln.

Vzor blikání

Aby ověřili svou myšlenku, výzkumníci se zaměřili na FRB 20221022A, rychlý rádiový záblesk detekovaný CHIME v roce 2022. Signál trvá asi dvě milisekundy a je poměrně běžným FRB z hlediska jeho jasu. Spolupracovníci týmu na McGillově univerzitě však zjistili, že FRB 20221022A vykazoval jednu vynikající vlastnost: Světlo ze záblesku bylo vysoce polarizované, přičemž úhel polarizace sledoval hladkou křivku ve tvaru S. Tento vzor je interpretován jako důkaz, že místo emise FRB rotuje – charakteristika dříve pozorovaná u pulsarů, což jsou vysoce magnetizované, rotující neutronové hvězdy.

Vidět podobnou polarizaci u rychlých rádiových záblesků bylo poprvé, což naznačuje, že signál mohl vzniknout v těsné blízkosti neutronové hvězdy. Výsledky týmu z McGillovy univerzity jsou uvedeny v doprovodném článku publikovaném dnes v časopise Nature.

Tým z MIT si uvědomil, že pokud FRB 20221022A vznikl blízko neutronové hvězdy, měli by to být schopni prokázat pomocí scintilace.

Ve své nové studii Nimmo a její kolegové analyzovali data z CHIME a pozorovali strmé variace jasu, které signalizovaly scintilaci – jinými slovy, FRB blikal. Potvrdili, že někde mezi teleskopem a FRB je plyn, který ohýbá a filtruje rádiové vlny. Tým poté určil, kde se tento plyn může nacházet, a potvrdil, že plyn v hostitelské galaxii FRB byl zodpovědný za část pozorované scintilace. Tento plyn působil jako přirozená čočka, která výzkumníkům umožnila přiblížit se na místo FRB a zjistit, že záblesk vznikl z extrémně malé oblasti, odhadované na přibližně 10 000 kilometrů široké.

„To znamená, že FRB je pravděpodobně ve vzdálenosti stovek tisíc kilometrů od zdroje,“ říká Nimmo. „To je velmi blízko. Pro srovnání, očekávali bychom, že signál by byl více než desítky milionů kilometrů daleko, pokud by pochází z rázové vlny, a vůbec bychom neviděli žádnou scintilaci.“

„Přiblížení se na oblast o velikosti 10 000 kilometrů ze vzdálenosti 200 milionů světelných let je jako být schopen změřit šířku DNA helixu, která je asi 2 nanometry široká, na povrchu Měsíce,“ říká Masui. „Jde o úžasný rozsah měřítek.“

Výsledky týmu, v kombinaci s nálezy týmu z McGillovy univerzity, vylučují možnost, že FRB 20221022A vznikl na okraji kompaktního objektu. Studie naopak poprvé prokazují, že rychlé rádiové záblesky mohou vznikat velmi blízko neutronové hvězdy, ve vysoce chaotických magnetických prostředích.

„Tyto záblesky se neustále dějí a CHIME jich detekuje několik denně,“ říká Masui. „Může existovat velká rozmanitost v tom, jak a kde se vyskytují, a tato technika scintilace bude velmi užitečná při rozplétání různých fyzikálních procesů, které tyto záblesky řídí.“

Tento výzkum byl podpořen různými institucemi, včetně Kanadské nadace pro inovace, Dunlap Institutes for Astronomy and Astrophysics na Univerzitě v Torontu, Kanadského institutu pro pokročilý výzkum, Trottier Space Institute na McGillově univerzitě a Univerzity Britské Kolumbie.