Όταν οι αστρονόμοι σημείωσαν για πρώτη φορά την ανίχνευση ενός Fast Radio Burst (FRB) το 2007 (γνωστός και ως Lorimer Burst), και οι δύο ήταν έκπληκτοι και περίεργοι. Αυτή η έκρηξη ραδιοφωνικών παλμών υψηλής ενέργειας, η οποία διήρκεσε μόνο μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου, φάνηκε να προέρχεται από έξω από τον γαλαξία μας. Από τότε, οι αστρονόμοι έχουν βρει αποδεικτικά στοιχεία πολλών FRB σε προηγουμένως καταγεγραμμένα δεδομένα, και εξακολουθούν να εικάζουν τι τους προκαλεί.
Χάρη στις επακόλουθες ανακαλύψεις και έρευνες, οι αστρονόμοι γνωρίζουν τώρα ότι τα FRB είναι πολύ πιο συνηθισμένα από ό, τι πιστεύαμε προηγουμένως. Στην πραγματικότητα, σύμφωνα με μια νέα μελέτη από μια ομάδα ερευνητών από το Κέντρο Αστροφυσικής του Χάρβαρντ-Σμιθσόνια (CfA), τα FRB μπορεί να εμφανιστούν μία φορά κάθε δευτερόλεπτο στο παρατηρήσιμο Σύμπαν. Εάν είναι αλήθεια, τα FRBs θα μπορούσαν να είναι ένα ισχυρό εργαλείο για την έρευνα της προέλευσης και της εξέλιξης του σύμπαντος.
Η μελέτη, με τίτλο «Μια γρήγορη ραδιοφωνική έκρηξη συμβαίνει κάθε δευτερόλεπτο σε όλο το παρατηρήσιμο σύμπαν», εμφανίστηκε πρόσφατα στο Η Αστροφυσική Εφημερίδα Γράμματα. Η μελέτη διεξήχθη από την Anastasia Fialkov, μεταπτυχιακό ερευνητή και συνεργάτη στο Ινστιτούτο Θεωρίας και Υπολογισμού του CfA (ITC). Συνοδεύτηκε από τον καθηγητή Abraham Loeb, διευθυντή του ITC και τον Frank B. Baird, νεώτερο καθηγητή Επιστημών στο Χάρβαρντ.
Όπως σημειώθηκε, τα FRB παρέμειναν κάτι μυστήριο από τότε που ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά. Όχι μόνο οι αιτίες τους παραμένουν άγνωστες, αλλά πολλά για την πραγματική τους φύση δεν είναι ακόμη κατανοητές. Όπως είπε ο Δρ Fialkov στο Space Magazine μέσω email:
«Οι FRB (ή γρήγορες ραδιοφωνικές εκρήξεις) είναι αστροφυσικά σήματα απροσδιόριστου χαρακτήρα. Οι παρατηρούμενες ριπές είναι μικρές (ή διάρκεια χιλιοστών του δευτερολέπτου), φωτεινοί παλμοί στο ραδιο μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος (σε συχνότητες GHz). Έχουν παρατηρηθεί μόνο 24 εκρήξεις μέχρι στιγμής και ακόμα δεν γνωρίζουμε με βεβαιότητα ποιες φυσικές διεργασίες τις προκαλούν. Η πιο πιθανή εξήγηση είναι ότι εκτοξεύονται από περιστρεφόμενα μαγνητισμένα αστέρια νετρονίων. Ωστόσο, αυτή η θεωρία πρέπει να επιβεβαιωθεί. "
Για χάρη της μελέτης τους, οι Fialkov και Loeb βασίστηκαν σε παρατηρήσεις από πολλά τηλεσκόπια της επαναλαμβανόμενης γρήγορης ραδιοφωνικής έκρηξης γνωστή ως FRB 121102. Αυτό το FRB παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 2012 από ερευνητές που χρησιμοποίησαν το ραδιο τηλεσκόπιο Arecibo στο Πουέρτο Ρίκο, και έκτοτε επιβεβαιώθηκε ότι προέρχεται από έναν γαλαξία που βρίσκεται 3 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά προς την κατεύθυνση του αστερισμού της Auriga.
Από τότε που ανακαλύφθηκε, εντοπίστηκαν επιπλέον ριπές από τη θέση του, καθιστώντας το FRB 121102 το μόνο γνωστό παράδειγμα ενός επαναλαμβανόμενου FRB. Αυτός ο επαναλαμβανόμενος χαρακτήρας επέτρεψε επίσης στους αστρονόμους να διεξάγουν πιο λεπτομερείς μελέτες για αυτό από οποιοδήποτε άλλο FRB. Όπως είπε ο καθηγητής Loeb στο Space Magazine μέσω email, αυτοί και άλλοι λόγοι το έκαναν ιδανικό στόχο για τη μελέτη τους:
«Το FRB 121102 είναι το μόνο FRB για το οποίο εντοπίστηκε ένας γαλαξίας-ξενιστής και μια απόσταση. Είναι επίσης η μόνη επαναλαμβανόμενη πηγή FRB από την οποία εντοπίσαμε εκατοντάδες FRBs τώρα. Το ραδιοφάσμα των FRB του επικεντρώνεται σε μια χαρακτηριστική συχνότητα και δεν καλύπτει μια πολύ ευρεία ζώνη. Αυτό έχει σημαντικές συνέπειες για την ανιχνευσιμότητα τέτοιων FRB, διότι για να τα βρείτε, το ραδιο παρατηρητήριο πρέπει να συντονιστεί με τη συχνότητά τους. "
Με βάση όσα είναι γνωστά για το FRB 121102, οι Fialkov και Loeb πραγματοποίησαν μια σειρά υπολογισμών που υπέθεσαν ότι η συμπεριφορά τους ήταν αντιπροσωπευτική όλων των FRB. Στη συνέχεια προέβλεψαν πόσα FRB θα υπήρχαν σε ολόκληρο τον ουρανό και αποφάσισαν ότι εντός του παρατηρήσιμου Σύμπαντος, ένα FRB πιθανότατα θα πραγματοποιούταν μία φορά κάθε δευτερόλεπτο. Ο Φιάλκοφ εξήγησε:
«Υποθέτοντας ότι τα FRB παράγονται από γαλαξίες ενός συγκεκριμένου τύπου (π.χ. παρόμοιο με το FRB 121102) μπορούμε να υπολογίσουμε πόσα FRBs πρέπει να παράγονται από κάθε γαλαξία για να εξηγήσουν τις υπάρχουσες παρατηρήσεις (δηλαδή, 2000 ανά ουρανό ανά ημέρα). Έχοντας υπόψη αυτόν τον αριθμό μπορούμε να συμπεράνουμε το ποσοστό παραγωγής για ολόκληρο τον πληθυσμό των γαλαξιών. Αυτός ο υπολογισμός δείχνει ότι ένα FRB λαμβάνει χώρα κάθε δευτερόλεπτο όταν λαμβάνει υπόψη όλα τα αχνά συμβάντα. "
Ενώ η ακριβής φύση και η προέλευση των FRB είναι άγνωστα - οι προτάσεις περιλαμβάνουν περιστρεφόμενα αστέρια νετρονίων και ακόμη και εξωγήινη νοημοσύνη! - Οι Fialkov και Loeb δείχνουν ότι θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη μελέτη της δομής και της εξέλιξης του Σύμπαντος. Εάν πράγματι συμβαίνουν με τόσο συχνή συχνότητα σε όλο τον κόσμο, τότε πιο απομακρυσμένες πηγές θα μπορούσαν να λειτουργήσουν ως ανιχνευτές στους οποίους θα βασίζονταν οι αστρονόμοι για να υδραυλίσουν τα βάθη του χώρου.
Για παράδειγμα, σε τεράστιες κοσμικές αποστάσεις, υπάρχει μια σημαντική ποσότητα παρεμβαλλόμενου υλικού που καθιστά δύσκολο για τους αστρονόμους να μελετήσουν το Cosmic Microwave Background (CMB) - την εναπομείνασα ακτινοβολία από το Big Bang. Οι μελέτες αυτού του παρεμβατικού υλικού θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε νέες εκτιμήσεις για το πόσο πυκνός χώρος είναι - δηλαδή πόσο από αυτό αποτελείται από συνηθισμένη ύλη, σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια - και πόσο γρήγορα επεκτείνεται.
Και όπως ανέφερε ο καθηγητής Loeb, τα FRB θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για να διερευνήσουν διαρκή κοσμολογικά ερωτήματα, όπως το πώς τελείωσε η «Σκοτεινή Εποχή» του Σύμπαντος:
«Τα FRB μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση της στήλης των ελεύθερων ηλεκτρονίων προς την πηγή τους. Αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της πυκνότητας της συνηθισμένης ύλης μεταξύ των γαλαξιών στο σημερινό σύμπαν. Επιπλέον, τα FRB σε πρώιμους κοσμικούς χρόνους μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μάθουν πότε το υπεριώδες φως από τα πρώτα αστέρια έσπασε τα αρχέγονα άτομα υδρογόνου που έμειναν από το Big Bang στα συστατικά τους ηλεκτρόνια και πρωτόνια. "
Η «σκοτεινή εποχή», που συνέβη μεταξύ 380.000 και 150 εκατομμυρίων ετών μετά το Big Bang, χαρακτηρίστηκε από μια «ομίχλη» ατόμων υδρογόνου που αλληλεπιδρούν με τα φωτόνια. Ως αποτέλεσμα αυτού, η ακτινοβολία αυτής της περιόδου δεν ανιχνεύεται από τα υπάρχοντα όργανα μας. Προς το παρόν, οι επιστήμονες προσπαθούν ακόμη να επιλύσουν πώς το Σύμπαν έκανε τη μετάβαση μεταξύ αυτών των «Σκοτεινών Εποχών» και των επομένων εποχών όταν το Σύμπαν ήταν γεμάτο φως.
Αυτή η περίοδος «reionization», η οποία πραγματοποιήθηκε 150 εκατομμύρια έως 1 δισεκατομμύριο χρόνια μετά το Big Bang, ήταν όταν σχηματίστηκαν τα πρώτα αστέρια και τα κβάζαρ. Πιστεύεται γενικά ότι το υπεριώδες φως από τα πρώτα αστέρια του Σύμπαντος ταξίδεψε προς τα έξω για να ιονίσει το αέριο υδρογόνο (καθαρίζοντας έτσι την ομίχλη). Μια πρόσφατη μελέτη έδειξε επίσης ότι οι μαύρες τρύπες που υπήρχαν στα πρώτα σύμπαντα δημιούργησαν τους απαραίτητους «ανέμους» που επέτρεψαν να διαφύγει αυτή η ιονίζουσα ακτινοβολία.
Για το σκοπό αυτό, τα FRBs θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να διερευνήσουν αυτήν την πρώιμη περίοδο του Σύμπαντος και να προσδιορίσουν τι έσπασε αυτή την «ομίχλη» και επέτρεψε στο φως να διαφύγει. Η μελέτη πολύ απομακρυσμένων FRB θα μπορούσε να επιτρέψει στους επιστήμονες να μελετήσουν πού, πότε και πώς συνέβη αυτή η διαδικασία «επαναπροσδιορισμού». Κοιτώντας μπροστά, οι Fialkov και Loeb εξήγησαν πώς τα μελλοντικά ραδιοτηλεσκόπια θα μπορούν να ανακαλύψουν πολλά FRB.
«Τα μελλοντικά ραδιοπαρατηρητήρια, όπως το Square Kilometer Array, θα είναι αρκετά ευαίσθητα ώστε να ανιχνεύουν FRB από την πρώτη γενιά γαλαξιών στην άκρη του παρατηρήσιμου σύμπαντος», δήλωσε ο καθηγητής Loeb. "Η δουλειά μας παρέχει την πρώτη εκτίμηση του αριθμού και των ιδιοτήτων των πρώτων αναλαμπών ραδιοκυμάτων που ανάβουν στο βρεφικό σύμπαν."
Στη συνέχεια, υπάρχει το Καναδικό Πείραμα Χαρτογράφησης Έντασης Υδρογόνου (CHIME) στο Dominion Radio Astrophysical Observatory στη Βρετανική Κολομβία, το οποίο άρχισε πρόσφατα να λειτουργεί. Αυτά και άλλα όργανα θα χρησιμεύσουν ως ισχυρά εργαλεία για την ανίχνευση FRB, τα οποία με τη σειρά τους θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την προβολή προηγουμένως αόρατων περιοχών του χρόνου και του χώρου και για να ξεκλειδώσουν μερικά από τα βαθύτερα κοσμολογικά μυστήρια.
«[Β] βρίσκουμε ότι ένα τηλεσκόπιο επόμενης γενιάς (με πολύ καλύτερη ευαισθησία από τα υπάρχοντα) αναμένεται να δει πολλά περισσότερα FRB από αυτά που παρατηρούνται σήμερα», δήλωσε ο Δρ Fialkov. «Αυτό θα επέτρεπε τον χαρακτηρισμό του πληθυσμού των FRB και την αναγνώριση της προέλευσής τους. Η κατανόηση της φύσης των FRB θα είναι μια σημαντική ανακάλυψη. Μόλις γίνουν γνωστές οι ιδιότητες αυτών των πηγών, τα FRB μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως κοσμικοί φάροι για να εξερευνήσουν το Σύμπαν. Μία εφαρμογή είναι η μελέτη της ιστορίας του ιονισμού (μετάβαση της κοσμικής φάσης όταν το διαγαλαξιακό αέριο ιονίστηκε από αστέρια). "
Είναι μια εμπνευσμένη σκέψη, που χρησιμοποιεί φυσικά κοσμικά φαινόμενα ως ερευνητικά εργαλεία. Από αυτή την άποψη, η χρήση FRBs για την ανίχνευση των πιο απομακρυσμένων αντικειμένων στο διάστημα (και στο παρελθόν όσο μπορούμε) είναι σαν να χρησιμοποιείτε τα κβάζαρ ως φάρους πλοήγησης. Στο τέλος, η προώθηση της γνώσης μας για το Σύμπαν μας επιτρέπει να διερευνήσουμε περισσότερα από αυτό.
