Onbekende aard van kosmische radio-uitbarstingen

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

Een van de meest mysterieuze kosmische verschijnselen zijn snelle radioflitsen. Dit zijn korte radiosignalen van enkele milliseconden van onbekende aard, die het gevolg zijn van het vrijkomen van een enorme hoeveelheid energie. Er is meer dan een decennium verstreken sinds hun ontdekking, maar astrofysici proberen nog steeds de mechanismen van hun optreden te achterhalen. De onderzoekers noemen neutronensterren, zwarte gaten en zelfs zenders van buitenaardse beschavingen als mogelijke bronnen.

Mysterieuze signalen

Met snelle radio-uitbarstingen, in milliseconden, komt er evenveel energie vrij als de zon gedurende enkele tienduizenden jaren heeft uitgestraald. De leidende hypothese is dat ze worden veroorzaakt door catastrofale gebeurtenissen, zoals het samensmelten van twee neutronensterren, een flits van de verdamping van een zwart gat of de transformatie van een pulsar in een zwart gat. Lange tijd werd aangenomen dat radio-uitbarstingen slechts één keer kunnen voorkomen, maar in 2015 werd ontdekt dat de eerder opgenomen snelle radio-uitbarsting FRB 121102 op een niet-periodieke manier wordt herhaald.

FRB 121102 bevindt zich in een dwergstelsel op drie miljard lichtjaar van de aarde, en bleef jarenlang de enige bekende bron van terugkerende radioflitsen, ondanks zorgvuldige zoektochten. In januari 2019 verscheen echter een artikel van wetenschappers van de Canadese samenwerking CHIME in het tijdschrift Nature, waarin werd gerapporteerd over de herregistratie van signalen uit een andere bron - 180814. J0422 + 73. De CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment) interferometrische radiotelescoop heeft zes snelle radio-uitbarstingen vastgelegd die afkomstig waren van een sterrenstelsel op 1,3 miljard lichtjaar afstand.

De signalen in hun frequentiestructuur en spectrale kenmerken leken op de signalen van FRB 121102, wat wijst op een soortgelijk mechanisme van hun vorming en dezelfde aard van de bron. De ontdekking wijst op het bestaan van een apart type snelle radioflitsen, die juist vanwege hun herhaling niet veroorzaakt kunnen worden door catastrofale gebeurtenissen.

Stille melkweg

In augustus 2019 identificeerde een internationaal team van wetenschappers voor het eerst de bron van een enkele snelle radio-uitbarsting FRB 180924, die zijn oorsprong vond in een sterrenstelsel op vier miljard lichtjaar afstand.

Met behulp van de ASKAP-radio-interferometer in Australië hebben astronomen de locatie van de FRB-bron bepaald en vervolgens de afstand ernaartoe berekend door gegevens van de Gemini, Keck en VLT optische telescopen op de grond te analyseren. Het bleek dat de radioflits plaatsvond in een enorm sterrenstelsel ter grootte van de Melkweg, 13 duizend lichtjaar van het centrum. Een kenmerkend kenmerk van de melkweg is de afwezigheid van processen voor de geboorte van nieuwe sterren.

Dit in tegenstelling tot het zich herhalende signaal FRB 121102, dat zich in het gebied van actieve stervorming bevindt. Zo moeten enkele en zich herhalende snelle radio-uitbarstingen een verschillende oorsprong hebben. In het geval van FRB 121102 leek het radiosignaal door een krachtig magnetisch veld te gaan rond een magnetar, een speciaal type neutronenster.

Al snel meldden astronomen van het California Institute of Technology in de Verenigde Staten de ontdekking van een andere snelle radio-uitbarsting FRB 190523, die ook plaatsvond in een relatief rustige omgeving - in een sterrenstelsel dat analoog is aan de Melkweg en 7,9 miljard lichtjaar verwijderd is van aarde.

Beide ontdekkingen bewijzen dat snelle radio-uitbarstingen alleen kunnen optreden in jonge dwergstelsels die een groot aantal magnetars bevatten.

Acht tweelingen

In augustus 2019 verscheen een artikel van het Canadese samenwerkingsverband CHIME in de preprint-repository van arXiv.org, waarin melding werd gemaakt van de detectie van acht zich herhalende radiosignalen. Twee bronnen van radiosignalen - FRB 180916 en FRB 181119 - flitsten meer dan twee keer (respectievelijk tien en drie keer), de rest stuurde slechts één keer herhaalde radiosignalen, waarbij de langste pauze tussen het opnemen van radiogolven 20 uur was. Volgens de onderzoekers kan dit erop wijzen dat veel FRB's eigenlijk repetitief zijn, maar dat sommige actiever zijn dan andere.

De meeste van de acht nieuwe snelle radio-uitbarstingen vertoonden een afname van de signaalfrequentie bij elke herhaalde uitbarsting, wat de sleutel kan zijn tot het begrijpen van het mechanisme dat deze verschijnselen veroorzaakt. Bovendien heeft FRB 180916 de laagste signaalverspreidingssnelheden, wat de relatieve nabijheid van de bron tot de aarde aangeeft. Het zou ook kunnen helpen bij het bepalen van de aard van de radio-uitbarsting, concludeerden de onderzoekers.

Hel sterren

Aan het einde van de zomer van 2019 rapporteerden wetenschappers van het National Center for Radioastrophysics in India dat magnetars nog steeds een van de meest waarschijnlijke bronnen van snelle radio-uitbarstingen zijn (althans repetitieve).

De afwijkende magnetar XTE J1810-197 werd waargenomen met de Giant Metrewave Radio Telescope. Milliseconde pulsen van radio-emissie werden geregistreerd, die lijken op flitsen van herhalende FRB 180814. J0422 + 73.

Deze magnetar bevindt zich op 10.000 lichtjaar van de aarde. Het werd ontdekt in 2003 en stopte geleidelijk met het uitzenden van radio-emissies in 2008. In 2018 vond er echter een nieuwe uitbraak plaats, die ook geleidelijk begon af te nemen. Interessant is dat magnetars meestal geen radiostraling uitzenden, en de XTE J1810-197 was de eerste bron van dergelijke radiostraling. De zeldzaamheid van dit object, net als de zich herhalende radio-uitbarstingen, heeft wetenschappers ertoe gebracht te geloven dat beide verschijnselen met elkaar verband kunnen houden.

Lawaaierig gat

In september 2019 meldden Chinese astronomen dat ze nieuwe snelle repetitieve radio-uitbarstingen (FRB's) van FRB 121102 hadden gedetecteerd. De signalen werden gedetecteerd met een 500 meter lange FAST-radiotelescoop met een 19-straalontvanger in de provincie Guizhou. Van eind augustus tot september werden meer dan 100 pieken geregistreerd, wat een recordaantal is van alle geregistreerde FRB's.

Tegen die tijd begonnen wetenschappers aan te nemen dat FRB 121102 een superzwaar zwart gat is dat 10-100 miljoen keer groter is dan de massa van de zon en een krachtig magnetisch veld genereert, en een neutronenster of plasma die door het gat wordt beïnvloed, zou de directe bron van fakkels. Een andere mogelijke verklaring is dat FRB 121102 een gemagnetiseerd plerion is, een nevel die wordt gevoed door de stellaire wind van een pulsar.

Hoewel snelle radio-uitbarstingen tot nu toe onverklaarbaar zijn, werden in 2019 veel gegevens aan de wetenschappelijke gemeenschap gepresenteerd die astronomen dichter bij de oplossing brengen. Het bleek dat FRB's kunnen worden herhaald, en dat doen ze waarschijnlijk heel vaak. In dit geval worden ze gegenereerd door nogal exotische objecten zoals neutronensterren (pulsars en magnetars), die zich in een geschikt interstellair medium bevinden. Enkele bursts komen voor in minder turbulente omstandigheden: sterrenstelsels waar de stervorming erg traag is. Dergelijke verschijnselen treden hoogstwaarschijnlijk echt op als gevolg van catastrofale processen.