Din 2007, astronomii au înregistrat aproximativ 20 de impulsuri radio misterioase de dincolo de galaxia noastră. Cronicarul BBC Earth a decis să afle mai multe despre acest fenomen.
Nu există lipsă de fenomene ciudate și care nu sunt pe deplin înțelese în Univers - de la găuri negre la planete bizare. Oamenii de știință au ceva de descurcat.
Dar un mister a fost în ultima vreme deosebit de interesant pentru astronomi - explozii misterioase de emisie radio în spațiu, cunoscute sub numele de impulsuri radio rapide.
Durează doar câteva milisecunde, dar eliberează aproximativ un milion de ori mai multă energie decât produce Soarele în aceeași perioadă de timp.
De la descoperirea primului astfel de impuls în 2007, astronomii au reușit să înregistreze mai puțin de 20 de astfel de cazuri - toate sursele lor erau situate în afara galaxiei noastre și erau distribuite uniform pe cer.
Cu toate acestea, telescoapele tind să observe mici porțiuni ale cerului la un moment dat.
Dacă extrapolăm datele obținute pe întregul cer, atunci, după cum presupun astronomii, numărul acestor impulsuri radio poate ajunge la 10 mii pe zi.
Și nimeni nu știe motivul acestui fenomen.
Video promotional:
Astronomii, desigur, au o mulțime de explicații posibile, dintre care unele sună foarte exotic: coliziuni de stele de neutroni, explozii de găuri negre, pauze de corzi cosmice și chiar rezultatele activității inteligenței extraterestre.
„Există acum mai multe teorii care încearcă să explice natura impulsurilor radio rapide decât există de fapt impulsuri”, spune Duncan Lorimer, cercetător la Universitatea Americană din West Virginia și lider al echipei de cercetare care a descoperit primul impuls radio rapid (numit și pulsul Lorimer). „Acesta este un teren fertil pentru teoreticieni”.
Dar chiar dacă explicația naturii impulsurilor radio rapide se dovedește a fi mult mai banală, ele pot fi totuși de mare beneficiu pentru știință.
Vor revoluționa, fără îndoială, înțelegerea noastră asupra universului.
Aceste semnale radio sunt precum fascicule laser care străpung Universul și întâlnesc câmpuri magnetice, plasmă și alte fenomene cosmice în calea lor.
Cu alte cuvinte, ele captează informații despre spațiul intergalactic pe parcurs și pot reprezenta un instrument unic pentru explorarea Universului.
„Vor revoluționa, fără îndoială, înțelegerea noastră asupra universului, pentru că pot fi folosite pentru a face măsurători foarte precise”, spune Peng Wee-Li, astrofizician la Universitatea din Toronto.
Dar, înainte ca acest lucru să se întâmple, oamenii de știință trebuie să înțeleagă mai bine natura impulsurilor radio rapide.
Astronomii au făcut progrese promițătoare în acest domeniu în ultimele luni.
Primul lucru care l-a lovit pe Lorimer în legătură cu pulsul pe care l-a descoperit a fost intensitatea acestuia.
Lorimer și colegii săi au analizat seturile de date arhivistice colectate cu Parks Radio Telescope din Australia. Au căutat impulsuri radio, precum cele emise de stelele de neutroni cu rotație rapidă, așa-numitele pulsare.
Eram atât de emoționată în acea noapte încât nu puteam să dorm
Matthew Bales, astronom
Aceste stele, fiecare cu diametrul unui oraș mare, au densitatea unui nucleu atomic și se pot roti cu viteze mai mari de 1000 de rotații pe secundă.
În același timp, acestea emit fluxuri de emisie radio direcționate îngust, în legătură cu care sunt numite și balize spațiale.
Semnalele radio emise de pulsari arată ca niște pulsații pentru un observator de pe Pământ.
Dar semnalul detectat de echipa lui Lorimer a fost foarte ciudat.
„A fost atât de intens încât a copleșit componentele electronice ale telescopului”, își amintește Lorimer. „Acest lucru este extrem de neobișnuit pentru o sursă radio.”
Pulsul a durat aproximativ 5 milisecunde, după care a scăzut intensitatea acestuia.
„Îmi amintesc de prima dată când am văzut o diagramă de impuls”, a spus un membru al echipei Lorimer, Matthew Bales, astronom la Swinburne University of Technology, Australia. „Am fost atât de emoționată în acea noapte încât nu am putut dormi”.
Timp de aproximativ cinci ani după descoperirea impulsului lui Lorimer, a rămas o anomalie inexplicabilă.
Unii cercetători au crezut că a fost doar o interferență instrumentală. Și într-un studiu publicat în 2015, se spune că impulsurile cu parametri similari sunt înregistrate în timpul funcționării microundelor instalate în partea economică a Observatorului Parcurilor.
Sursele lor se află în afara galaxiei noastre, posibil la miliarde de ani lumină de Pământ.
Cu toate acestea, din 2012, astronomii care lucrează cu alte telescoape au detectat mai multe impulsuri radio similare, confirmând astfel că semnalele provin de fapt din spațiu.
Și nu doar din spațiu - sursele lor se află în afara galaxiei noastre, poate la miliarde de ani lumină de Pământ. Această presupunere a fost făcută pe baza măsurătorilor unui fenomen cunoscut sub numele de efect de dispersie.
În timpul călătoriei lor prin Univers, undele radio interacționează cu electronii plasmei pe care îi întâlnesc pe drum. Această interacțiune determină o încetinire a propagării undelor, în funcție de frecvența semnalului radio.
Undele radio cu frecvență mai mare ajung la observator puțin mai repede decât undele radio cu frecvență mai mică.
Măsurând diferența dintre aceste valori, astronomii pot calcula câtă plasmă a trebuit să transmită semnalul pe drumul către observator, ceea ce le oferă o idee aproximativă a distanței sursei de impulsuri radio.
Undele radio care vin la noi din alte galaxii nu sunt nimic nou. Doar că, înainte de descoperirea impulsurilor radio rapide, oamenii de știință nu au observat semnale de o intensitate atât de mare.
Existența unui semnal, a cărui intensitate este de un milion de ori mai mare decât orice detectat anterior, excită imaginația
Astfel, quasarii - nuclee galactice active, în interiorul cărora, după cum cred oamenii de știință, sunt stele negre masive - radiază o cantitate uriașă de energie, inclusiv în zona radio.
Dar cvasarele situate în alte galaxii sunt atât de departe de noi încât semnalele radio primite de la acestea sunt extrem de slabe.
Pot fi înecați cu ușurință chiar și de un semnal radio de pe un telefon mobil plasat pe suprafața lunii, notează Bailes.
Impulsurile radio rapide sunt o altă problemă. „Existența unui semnal care este de un milion de ori mai puternic decât orice a fost detectat anterior este interesantă”, spune Bailes.
Mai ales având în vedere faptul că impulsurile radio rapide pot indica fenomene fizice noi, neexplorate.
Una dintre cele mai controversate explicații pentru originea lor se referă la așa-numitele corzi cosmice - falduri ipotetice unidimensionale ale spațiului-timp care se pot întinde pe cel puțin zeci de parsecuri.
Unele dintre aceste șiruri pot fi supraconductoare și un curent electric poate curge prin ele.
Potrivit unei ipoteze propuse în 2014, corzile cosmice se rup uneori, rezultând o explozie de radiații electromagnetice.
Sau, spune Pen, explicația acestor izbucniri ar putea fi explozii de găuri negre.
Câmpul gravitațional al unei găuri negre este atât de masiv încât chiar și lumina care lovește nu este capabilă să scape înapoi.
Dacă presupunem că în stadiul incipient al dezvoltării Universului s-au format mici găuri negre în el, atunci acum s-ar putea doar să se evapore
Cu toate acestea, în anii 1970. celebrul fizician teoretic britanic Stephen Hawking a sugerat că energia se poate evapora de pe suprafața găurilor negre îmbătrânite.
Dacă presupunem că într-un stadiu incipient al dezvoltării Universului, s-au format mici găuri negre în el, atunci acum se pot evapora și exploda în cele din urmă, ceea ce duce la o emisie instantanee de emisie radio.
În februarie 2016, astronomii au anunțat că ar fi putut face o descoperire în cercetare.
O echipă de oameni de știință condusă de Evan Keehan, care lucrează la sediul interferometrului radio Square Kilometer Array de la Centrul astrofizic britanic Jodrell Bank, a analizat parametrii unui impuls radio rapid înregistrat în aprilie 2015.
Conform concluziilor astronomilor, sursa pulsului radio se afla într-o galaxie situată la 6 miliarde de ani lumină de noi și formată din stele vechi.
În acest caz, parametrii impulsului radio observat au indicat probabilitatea a cel puțin unui scenariu: coliziuni de stele de neutroni împerecheați
Pentru prima dată, cercetătorii au putut determina locația unei surse de emisii radio cu o precizie a galaxiei, care a fost percepută în comunitatea științifică ca o descoperire extrem de importantă.
„Identificarea galaxiei care conține sursa pulsului radio rapid este o piesă a puzzle-ului”, spune Bales, care a lucrat și în echipa lui Keehan. „Dacă putem determina galaxia, putem afla cât de departe este de noi sursa”.
După aceea, puteți măsura cu precizie cantitatea de energie a pulsului și puteți începe să aruncați cele mai neverosimilate teorii cu privire la originea sa.
În acest caz, parametrii impulsului radio observat au indicat probabilitatea a cel puțin unui scenariu: coliziuni de stele de neutroni împerecheați care se rotesc unul în jurul celuilalt.
Se părea că misterul naturii impulsurilor radio rapide era aproape rezolvat. „Am fost foarte încântat de rezultatele acestui studiu”, spune Lorimer.
Dar doar câteva săptămâni mai târziu, oamenii de știință Edo Berger și Peter Williams de la Universitatea Harvard au pus la îndoială teoria.
Concluziile echipei lui Keehan s-au bazat pe observarea unui fenomen pe care oamenii de știință l-au interpretat ca atenuare a semnalului radio după încheierea unui impuls radio rapid.
Sursa semnalului de estompare a fost localizată în mod fiabil într-o galaxie situată la 6 miliarde de ani lumină de Pământ, iar cercetătorii au crezut că pulsul radio rapid a venit de acolo.
Cu toate acestea, potrivit lui Berger și Williams, ceea ce Kian a luat pentru un semnal radio rezidual - decolorat - nu avea nimic de-a face cu un impuls radio rapid.
Au analizat cu atenție caracteristicile semnalului rezidual, îndreptând radiotelescopul american Very Large Array către o galaxie îndepărtată.
Coliziunile stelelor de neutroni apar mai multe ordine de mărime mai rar decât frecvența probabilă a impulsurilor radio rapide, astfel încât toate cazurile înregistrate nu pot fi explicate doar prin acest fenomen.
S-a constatat că vorbim despre un fenomen separat cauzat de fluctuațiile luminozității galaxiei în sine datorită faptului că în centrul său se află o gaură neagră supermasivă, absorbind gazele cosmice și praful.
Cu alte cuvinte, galaxia sclipitoare nu a fost locul de unde a fost emis pulsul radio rapid. S-a întâmplat doar să se afle în câmpul vizual al telescopului - fie în spatele adevăratei surse, fie în fața ei.
Și dacă pulsul radio nu a fost trimis din această galaxie, atunci poate că nu a fost cauzat de coliziunea a două stele de neutroni.
Scenariul neutronilor are un alt punct slab. „Frecvența emisiilor de impulsuri radio rapide este mult mai mare decât frecvența radiației așteptată de la coliziunile stelelor de neutroni”, spune Maxim Lyutikov de la Universitatea Americană Purdue.
În plus, coliziunile stelelor de neutroni apar mai multe ordine de mărime mai rar decât frecvența probabilă a impulsurilor radio rapide, astfel încât toate cazurile înregistrate nu pot fi explicate doar prin acest fenomen.
Și în curând, noi dovezi științifice au redus și mai mult probabilitatea unei astfel de explicații.
În martie 2016, un grup de astronomi au raportat o descoperire uimitoare. Au studiat un impuls radio înregistrat în 2014 de Observatorul Arecibo din Puerto Rico. S-a dovedit că acesta nu a fost un eveniment unic - impulsul a fost repetat de 11 ori pe parcursul a 16 zile.
„Aceasta a fost cea mai mare descoperire de la prima explozie radio rapidă”, spune Penh. "Se pune capăt numărului uriaș de ipoteze propuse până acum."
Toate impulsurile radio rapide înregistrate anterior au fost simple - repetările semnalelor din același sector al cerului nu au fost înregistrate.
Prin urmare, oamenii de știință au presupus că acestea ar putea fi rezultatul cataclismelor cosmice, care în fiecare caz au loc o singură dată - de exemplu, explozii de găuri negre sau coliziuni de stele de neutroni.
Dar această teorie nu explică posibilitatea (în unele cazuri) de repetare a impulsurilor radio în succesiune rapidă. Oricare ar fi cauza unei astfel de serii de impulsuri, condițiile pentru apariția lor trebuie menținute pentru un anumit timp.
Această circumstanță restrânge semnificativ lista posibilelor ipoteze.
Unul dintre ei, pe care Buttercup îl cercetează, spune că pulsarii tineri - stele de neutroni care se rotesc cu viteze de până la o revoluție pe milisecundă - pot fi surse de impulsuri radio rapide.
Buttercup numește astfel de obiecte pulsari pe steroizi.
În timp, rotația pulsarilor încetinește, iar o parte din energia de rotație poate fi evacuată în spațiu sub formă de emisie radio.
Nu este pe deplin clar cât de exact pulsarii pot emite impulsuri radio rapide, dar se știe că sunt capabili să emită impulsuri scurte de unde radio.
Deci, pulsarul situat în Nebuloasa Crabului ar avea aproximativ 1000 de ani. Este relativ tânăr și este unul dintre cei mai puternici pulsari cunoscuți de noi.
Cu cât pulsarul este mai tânăr, cu atât se rotește mai repede și cu atât are mai multă energie. Buttercup numește astfel de obiecte „pulsari pe steroizi”.
Și, deși pulsarul din Nebuloasa Crabului nu are acum suficientă energie pentru a emite impulsuri radio rapide, este posibil ca imediat după apariție să poată face acest lucru.
O altă ipoteză spune că sursa de energie pentru impulsurile radio rapide nu este rotația unei stele de neutroni, ci câmpul său magnetic, care poate fi de o mie de trilioane de ori mai puternic decât al Pământului.
Stelele neutronice cu câmpuri magnetice extrem de puternice, așa-numitele magnetare, pot emite impulsuri radio rapide printr-un proces similar cu cel care are ca rezultat rachete solare.
Există o mulțime de magnetari în Univers
Pe măsură ce magnetarul se rotește, câmpurile magnetice din coroana sa - stratul subțire exterior al atmosferei - schimbă configurația și devin instabile.
La un moment dat, liniile acestor câmpuri se comportă ca și când ai face clic pe un bici. Un flux de energie este eliberat, accelerând particulele încărcate, care emit impulsuri radio.
„Există o mulțime de magnetari în univers”, spune Bales. „Sunt instabile, ceea ce explică probabil apariția impulsurilor radio rapide”.
Ipotezele legate de stelele neutronice sunt mai conservatoare și se bazează pe fenomene relativ bine studiate, prin urmare ele par mai probabile.
„Toate ipotezele apariției impulsurilor radio rapide, despre care consider că sunt grave și despre care discut serios cu colegii mei, au de-a face cu stelele cu neutroni”, spune Bales.
Cu toate acestea, el admite că această abordare poate fi oarecum unilaterală. Mulți astronomi care studiază impulsurile radio rapide studiază, de asemenea, stelele de neutroni, astfel încât tendința lor de a vedea prima prin prisma celei din urmă este de înțeles.
S-ar putea să avem de-a face cu aspecte neexplorate ale fizicii
Există, de asemenea, mai multe explicații neconvenționale. De exemplu, un număr de cercetători au sugerat că impulsurile radio rapide apar ca urmare a coliziunilor pulsarilor cu asteroizii.
Este posibil ca mai multe ipoteze să fie corecte simultan și fiecare dintre ele să explice un anumit caz de apariție a impulsurilor radio rapide.
Este posibil ca unele impulsuri să se repete, în timp ce altele nu, ceea ce nu exclude complet ipoteza coliziunilor stelelor de neutroni și a altor cataclisme de o scară cosmică.
„Se poate dovedi că răspunsul este foarte simplu”, spune Lyutikov. „Dar se poate întâmpla, de asemenea, să avem de-a face cu aspecte neexplorate ale fizicii, cu noi fenomene astrofizice”.
Indiferent de ce impulsuri radio rapide se dovedesc a fi de fapt, ele pot fi de mare beneficiu pentru știința spațială.
De exemplu, acestea ar putea fi utilizate pentru a măsura volumul de materie din univers.
După cum sa menționat deja, undele radio întâlnesc plasmă intergalactică pe drum, ceea ce le încetinește viteza în funcție de frecvența undei.
Pe lângă capacitatea de a măsura distanța până la sursa semnalului, diferența de viteză a undei oferă și o idee despre câți electroni sunt între galaxia noastră și sursa de radiație.
„Undele radio sunt codificate cu informații despre electronii care alcătuiesc universul”, spune Bailes.
Anterior, oamenii de știință erau implicați în principal în acest subiect în timpul liber din cercetarea de bază.
Acest lucru oferă oamenilor de știință posibilitatea de a estima aproximativ cantitatea de materie obișnuită din spațiu, ceea ce îi va ajuta în viitor la calcularea modelelor pentru apariția Universului.
Unicitatea impulsurilor radio rapide este că acestea sunt un fel de fascicule laser cosmice, spune Pen.
Ele străpung spațiul într-o direcție specifică și sunt suficient de intense pentru a oferi o precizie de măsurare superioară.
„Acesta este cel mai precis instrument de măsurare disponibil pentru studierea obiectelor îndepărtate în limita vizuală”, explică el.
Deci, potrivit lui, impulsurile radio rapide pot spune despre structura plasmei și a câmpurilor magnetice în apropierea sursei de radiație.
Pe măsură ce plasma trece, impulsurile radio pot pâlpâi, la fel cum stelele sclipesc când sunt privite prin atmosfera pământului.
Măsurarea caracteristicilor acestei scintilații va permite astronomilor să măsoare dimensiunile regiunilor plasmatice cu o precizie de câteva sute de kilometri. Datorită potențialului științific ridicat și nu în ultimul rând datorită inexplicabilității fenomenului, în ultimii ani, interesul oamenilor de știință pentru impulsurile radio rapide a crescut semnificativ.
„Anterior, oamenii de știință erau implicați în principal în acest subiect în timpul liber din cercetarea generală”, spune Lorimer.
Acum astronomii caută intens impulsuri radio rapide în regiunile încă neexplorate ale cerului și continuă să observe sectoarele cerului în care aceste fenomene au fost deja înregistrate - în speranța de a le înregistra.
În același timp, sunt utilizate puterile telescoapelor din întreaga lume, deoarece atunci când se observă un impuls din mai multe observatoare, probabilitatea unui calcul mai precis al coordonatelor sursei crește semnificativ.
Deci, în următorii câțiva ani, radiotelescoapele precum Canadian CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment sau Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment) vor putea observa zone întinse ale cerului și vor înregistra sute de impulsuri radio rapide.
Cu cât sunt mai multe date colectate, cu atât va fi mai ușor de înțeles fenomenul impulsurilor radio rapide. Poate că într-o zi secretul lor va fi dezvăluit.
