Évtizedes talányra derült fény: magnetár neutroncsillagok okozhatják a titokzatos gyors rádiókitöréseket

Nincsen túlélhető és fenntartható jövőnk tudomány nélkül, ahogy nekünk sincsen nélkületek. Támogasd a Qubit munkáját!

Több mint egy évtizeddel a felfedezésük után úgy tűnik, végre megoldódott a kozmikus forrásból származó gyors rádiókitörések (FRB, fast radio bursts) rejtélye. Ezek olyan, általában néhány ezredmásodpercig tartó erős rádiójelek, melyek kozmikus, többnyire más galaxisokban található forrásokból származnak. Az első gyors rádiókitörést 2007-ben fedezték fel egy 2001-ben végzett megfigyelés kiértékelése során. A jelenség kozmikus eredete azonban csak 2013 után vált elfogadottá, amikor négy, galaxisunkon kívülről származó gyors rádiókitörést sikerült megfigyelni.

Most azonban egy idén áprilisban észlelt gyors rádiókitörés, amely hozzánk jóval közelebbről érkezett, feltárhatja, milyen kozmikus folyamat lehet felelős a titokzatos jelenségért. A kanadai CHIME és az amerikai STARE2 rádióteleszkóp rendszer felfedezését, valamint a kínai 500-méteres FAST rádióteleszkóp vizsgálatait ismertető publikációk ma délután jelennek meg a Nature tudományos folyóiratban, kiegészülve egy, a gyors rádiókitörésekről meglévő ismereteinket áttekintő tanulmánnyal.

A kanadai CHIME rádióteleszkóp-rendszerFotó: CHIME

A CHIME kanadai rádióteleszkóp-rendszer 2020. április 28-án egy ilyen, intenzív, nagyon rövid ideig tartó, gyors rádiókitörésekre emlékeztető jelet érzékelt, ami az FRB 200428 jelölést kapta. Ennek az erős röntgentartományú kibocsátással párosuló eseménynek a forrásaként azonban egy, a saját galaxisunkon, azaz a Tejútrendszeren belüli forrást állapítottak meg Paul Scholz és kollégái. A forrás pedig nem más, mint egy úgynevezett magnetár neutroncsillag, az SGR 1935+2154. A neutroncsillagok óriási csillagok által hátrahagyott maradványcsillagok, amelyek elképesztően kompaktak és sűrűek, a magnetárok pedig olyan neutroncsillagok, melyek különösen erős mágneses térrel rendelkeznek.

A CHIME megfigyeléseit megerősítette az Egyesült Államokban található, három kis rádióteleszkópból álló STARE2 is, amely egy, a CHIME-tól eltérő rádiófrekvencián észlelte ugyanazt az FRB 200428 gyors rádiókitörést, a magnetár neutroncsillaggal megegyező forrásból. A NASA JPL-kutatóintézete és a kaliforniai műszaki egyetem, a Caltech kollaborációjában végzett kutatást Christopher Bochenek és kollégái végezték.

Bár a kínai, 500 méter átmérőjű FAST-rádióteleszkóp az esemény idején más vizsgálatokat folytatott, a forrását, vagyis a magnetár neutroncsillagot közel 8 órán át vizsgálta szintén idén áprilisban. Ezalatt 29, a neutroncsillagból származó gamma-kitörést figyelt meg. Az eredmények arra utalnak, hogy az ilyen gammakitörések és a gyors rádiókitörések közötti összefüggés ritkán és valószínűleg csak extrém esetekben valósulhat meg.

Magnetár neutroncsillagIllusztráció: ESO/L. Calçada - http://www.eso.org/public/images/eso1415a/

Az, hogy a gyors rádiókitörések jelentős részéért magnetár neutroncsillagok lehetnek felelősek, bizonyos szempontból nem meglepő, hiszen ezt az asztrofizikusok már felfedezésüktől kezdve valószínűsítették. Ugyanakkor úgy tűnik, hogy különböző típusú, tulajdonságaikban lényegesen eltérő magnetárok kellenek ahhoz, hogy minden eddig megfigyelt gyors rádiókitörés eredetét meg lehessen magyarázni. Emellett még az sem kizárható, hogy egyes gyors rádiókitörések forrásai egzotikusabb jelenségek, például összeütköző vagy összeütközés alatt álló neutroncsillagok lehetnek. Ahhoz, hogy a fennmaradó kérdéseket, például a gyors rádiókitörések pontosan mechanizmusára vonatkozóan tisztázni lehessen, további, saját galaxisunkból származó gyors rádiókitörések megfigyelésére lesz szükség.

Az első biztosan a Tejútrendszerből származó FRB

A kanadai Brit Columbiában található, négy tagból álló CHIME rádióteleszkóp rendszer április 28-án egy FRB-t érzékelt az SGR 1935+2154 magnetár neutroncsillag irányából. Ugyanekkor a neutroncsillag szokatlanul erős röntgentartományú aktivitást mutatott, amit a NASA Swift űrteleszkópja figyelt meg.

Az FRB 200428 gyors rádiókitörés a CHIME alapján két alkitörésből állt, amelyek közel 0,6 és 0,3 ezredmásodpercig tartottak, és 29 ezredmásodperc választotta el őket egymástól. A CHIME 400-800 megahertz közötti frekvencián végzett mérései azt mutatják, hogy ha csak a kitörés energiáját nézzük, az egybevágna egy közeli galaxisból érkező, tipikus FRB-ével. A CHIME viszont egészen pontosan be tudta határolni az esemény eredetét, amely szinte biztosan a galaxisunkon belüli SGR 1935+2154 magnetár neutroncsillag volt. Ez tőlünk nagyjából 30 ezer fényévre található, ami valamivel több, mint a Tejútrendszer központjának távolsága a Földtől.

Az Egyesült Államokban található, három rádióhullámú detektorból álló STARE2 megfigyelőrendszer szintén érzékelte ezt az FRB-t, méghozzá egy a CHIME-tól eltérő, 1281-1468 MHz közötti frekvencián. Az adatok vizsgálatából kiderült, hogy a rádiójel erőssége 4 ezerszerese az eddigi legerősebb galaxisunkból származó rövid időtartamú rádiókitörésnek. Az FRB 200428 jelerőssége ugyanakkor így is nagyjából harmincszor kisebb volt, mint az eddig megfigyelt leggyengébb extragalaktikus gyors rádiókitörésé, és ezerszer gyengébb, mint a tipikus extragalaktikus gyors rádiókitörés.

A legtöbb gyors rádiókitörésért magnetár neutroncsillagok felelhetnek

Bing Zhang, a Las Vegas-i Nevadai Egyetem fizikai és csillagászati tanszékének asztrofizikus professzora a három publikációval egyszerre megjelenő áttekintő tanulmányában foglalta össze, mit tudunk az új fejlemények alapján a gyors rádiókitörésekről.

Az FRB-k tipikusan néhány milliszekundum ideig tartó jelenségek. Már ez az információ elég ahhoz, hogy következtetni lehessen a forrásukra, amik kizárólag kompakt objektumok, azaz neutroncsillagok vagy néhány naptömegű fekete lyukak lehetnek. Az eddig megfigyeltek közül 20 gyors rádiókitörés, köztük az FRB 121102, ismétlődést mutatnak. Bing ebből arra következtet, hogy bár nem zárható ki a valóban nem ismétlődő FRB-k létezése, a legtöbb FRB-forrás ismétlődő lehet. Az ismétlődés periódusa, azaz hogy mennyi idő telik el a két kitörés között, szintén nagyon fontos jellemző, mert segíthet elárulni, hogy milyen keletkezési modell magyarázza meg legjobban a megfigyeléseket.

A rádióhullám-jel diszperziójának mértéke, amit az útjába kerülő elektronok befolyásolnak, egyértelművé teszi azt is, hogy a legtöbb FRB forrása a Tejútrendszeren kívül található – ezt megerősíti az események vöröseltolódásának megfigyelése is. Lényeges kérdés még, hogy milyen más hullámhosszú jellel esnek egybe ezek az FRB- események. Bing szerint az eddigi adatok alapján úgy tűnik, hogy az FRB-k egyetlen biztos velejárója egy röntgen és gamma tartományú kitörés.

Az asztrofizikus szerint az új felfedezés egyértelműen arra utal, hogy a legtöbb gyors rádiókitörésért magnetár neutroncsillagok lehetnek a felelősek. Emellett a megfigyelések segíthetnek leszűkíteni azt a jelenleg közel 50 modellt, amik megmagyarázzák, milyen folyamat során keletkeznek az FRB-k a magnetárokon. A magyarázatok közül kettő tűnik a legvalószínűbbnek: az első a pulzárszerű keletkezési modell, amely szerint az FRB a neutroncsillag extrém erős magnetoszférájából, azaz mágneses teréből származik. A másik a gammakitörés-szerű keletkezési modell, amely esetén a magnetoszférán kívül keletkezik az FRB, relativisztikus sebességű lökéshullámok hatására. Bing Zhang szerint a jelenleg rendelkezésre álló adatok alapján az előbbi, pulzárszerű modell tűnik valószínűbbnek, de a kérdés eldöntéséhez további, galaxisunkból származó FRB-k megfigyelésére van szükség.

Ha tetszik, amit csinálunk, ha te is fontosnak tartod, hogy magyar nyelven legyen egy okos és közérthető lap, ami nem a politikai barikádok csatazajáról tudósít, hanem a ránk váró – bátran mondjuk ki, ez az év is megmutatta, mennyire nem túlzás ez – civilizációs kihívásokkal foglalkozik, ami fel meri tenni a jövőnkkel kapcsolatos igazi kérdéseket, és meg is mutatja a modern tudomány válaszait mindezekre, nos ha ez szerinted is olyan égetően fontos, ahogy mi gondoljuk: heroikus munkát végző hat újságíróval, sok tucatnyi kutatóval és csak egy egészen kicsi kiadóval a hátunk mögött, akkor támogasd a munkánkat rendszeresen – számít a segítséged!

Kapcsolódó cikk a Qubiten: