Naukowcy powiązali pochodzenie szybkich rozbłysków radiowych z magnetarami, silnie namagnesowanymi gwiazdami neutronowymi, które często powstają w wyniku łączenia się masywnych gwiazd w galaktykach gwiazdotwórczych.
Wykorzystując Deep Synoptic Array-110, zlokalizowali 70 FRB i odkryli, że rozbłyski te występują częściej w masywnych galaktykach bogatych w metale. Sugeruje to, że warunki środowiskowe sprzyjające występowaniu FRB są również idealne do tworzenia magnetarów.
Odkrywanie tajemnicy szybkich błysków radiowych
Od czasu ich odkrycia w 2007 r. wielokrotnie obserwowano szybkie rozbłyski radiowe (FRB) – niezwykle energetyczne impulsy fal radiowych – co zapoczątkowało intensywne poszukiwania astronomów mające na celu identyfikację ich pochodzenia. Obecnie potwierdzono setki takich rozbłysków, a naukowcy uważają, że są one prawdopodobnie wywoływane przez silnie namagnesowane gwiazdy neutronowe, zwane magnetarami. Gwiazdy neutronowe, pozostałości masywnych gwiazd, które eksplodowały w postaci supernowych, należą do najgęstszych obiektów we wszechświecie. Kluczowy dowód potwierdzający teorię magnetara pojawił się, gdy wybuchł magnetar w naszej własnej galaktyce, a kilka obserwatoriów, w tym projekt STARE2 firmy Caltech (Survey for Transient Astronomical Radio Emission 2), zarejestrowało to wydarzenie w czasie rzeczywistym.
W nowych badaniach opublikowanych w Naturazespół kierowany przez Caltech wskazał, gdzie FRB jest najbardziej prawdopodobne: w masywnych galaktykach gwiazdotwórczych, a nie w mniejszych i o małej masie. Odkrycie to oferuje nowy wgląd w to, jak mogą powstawać magnetary. Badanie sugeruje, że te niezwykłe martwe gwiazdy, których pola magnetyczne są zdumiewające 100 bilionów razy silniejsze niż ziemskie, często powstają, gdy dwie gwiazdy łączą się, a następnie eksplodują jako supernowa. Wcześniej nie było jasne, czy magnetary powstały w ten sposób – w wyniku eksplozji dwóch łączących się gwiazd – czy też mogły powstać w wyniku eksplozji pojedynczej gwiazdy.
Spostrzeżenia na temat powstawania magnetarów
„Ogromna moc magnetarów czyni je jednymi z najbardziej fascynujących i ekstremalnych obiektów we wszechświecie” – mówi Kritti Sharma, główna autorka nowego badania i absolwentka współpracująca z Vikramem Ravim, adiunktem astronomii w Caltech. „Bardzo niewiele wiadomo na temat przyczyn powstawania magnetarów po śmierci masywnych gwiazd. Nasza praca pomaga odpowiedzieć na to pytanie.”
Projekt rozpoczął się od poszukiwania FRB za pomocą metody Głęboka tablica synoptyczna-110 (DSA-110), projekt Caltech finansowany przez National Science Foundation i realizowany w Obserwatorium Radiowym Owens Valley niedaleko Bishop w Kalifornii. Do chwili obecnej rozległy układ radiowy wykrył i zlokalizował 70 FRB w ich konkretnej galaktyce, z której pochodzą (tylko 23 inne FRB zostały zlokalizowane przez inne teleskopy). W bieżącym badaniu naukowcy przeanalizowali 30 takich zlokalizowanych FRB.
Zdarzenia FRB w galaktykach gwiazdotwórczych
„DSA-110 ponad dwukrotnie zwiększyła liczbę FRB w znanych galaktykach macierzystych” – mówi Ravi. „W tym celu zbudowaliśmy tablicę”.
Chociaż wiadomo, że FRB występują w galaktykach aktywnie tworzących gwiazdy, zespół ku swojemu zaskoczeniu odkrył, że FRB częściej występują w masywnych galaktykach gwiazdotwórczych niż w galaktykach gwiazdotwórczych o małej masie. Samo to było interesujące, ponieważ astronomowie wcześniej sądzili, że FRB wybuchają we wszystkich typach aktywnych galaktyk.
Galaktyki bogate w metale: gorący punkt dla magnetarów
Mając te nowe informacje, zespół zaczął zastanawiać się, co ujawniły wyniki na temat FRB. Masywne galaktyki są zwykle bogate w metale, ponieważ metale w naszym wszechświecie – pierwiastki wytwarzane przez gwiazdy – gromadzą się w czasie w historii kosmosu. Fakt, że FRB są częstsze w galaktykach bogatych w metale, oznacza, że źródło FRB, czyli magnetary, jest również częstsze w tego typu galaktykach.
Gwiazdy bogate w metale – co w astronomii oznacza pierwiastki cięższe od wodoru i helu – zwykle stają się większe niż inne gwiazdy. „Z biegiem czasu, w miarę rozwoju galaktyk, kolejne generacje gwiazd wzbogacają galaktyki w metale w miarę ich ewolucji i śmierci” – mówi Ravi.
Co więcej, masywne gwiazdy, które eksplodują jako supernowe i mogą stać się magnetarami, częściej spotyka się w parach. W rzeczywistości 84 procent masywnych gwiazd to układy podwójne. Tak więc, gdy jedna masywna gwiazda w układzie podwójnym zostaje nadęta z powodu dodatkowej zawartości metalu, jej nadmiar materiału zostaje przeciągnięty do gwiazdy partnerskiej, co ułatwia ostateczne połączenie obu gwiazd. Te połączone gwiazdy miałyby większe połączone pole magnetyczne niż pojedyncza gwiazda.
„Gwiazda zawierająca większą zawartość metalu puchnie, napędza transfer masy, co kończy się połączeniem, tworząc w ten sposób jeszcze masywniejszą gwiazdę o całkowitym polu magnetycznym większym niż to, które miałaby pojedyncza gwiazda” – wyjaśnia Sharma.
Podsumowując, ponieważ FRB są preferowane w masywnych i bogatych w metale galaktykach gwiazdotwórczych, zatem magnetary (o których uważa się, że wyzwalają FRB) prawdopodobnie powstają również w środowiskach bogatych w metale, co sprzyja łączeniu się dwóch gwiazd. Wyniki wskazują zatem, że magnetary we wszechświecie pochodzą z pozostałości po połączeniach gwiazd.
Przyszłe plany eksploracji FRB
Zespół ma nadzieję w przyszłości wytropić więcej FRB i ich miejsc pochodzenia za pomocą DSA-110, a ostatecznie DSA-2000jeszcze większy zestaw radiowy, który ma zostać zbudowany na pustyni w Nevadzie i którego ukończenie zaplanowano na 2028 r.
„Ten wynik jest kamieniem milowym dla całego zespołu DSA. Wielu autorów tego artykułu pomogło w budowie DSA-110” – mówi Ravi. „A fakt, że DSA-110 jest tak dobry w lokalizowaniu FRB, dobrze wróży sukcesowi DSA-2000”.
Odniesienie: „Preferencyjne występowanie szybkich rozbłysków radiowych w masywnych galaktykach gwiazdotwórczych” autorstwa Kritti Sharma, Vikram Ravi, Liam Connor, Casey Law, Stella Koch Ocker, Myles Sherman, Nikita Kosogorov, Jakob Faber, Gregg Hallinan, Charlie Harnach, Greg Hellbourg , Rick Hobbs, David Hodge, Mark Hodges, James Lamb, Paul Rasmussen, Jean Somalwar, Sander Weinreb, David Woody, Joel Leja, Shreya Anand, Kaustav Kashyap Das, Yu-Jing Qin, Sam Rose, Dillon Z. Dong, Jessie Miller i Yuhan Yao, 6 listopada 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-08074-9
Badanie zostało sfinansowane przez Narodową Fundację Nauki. Inni autorzy Caltech to Liam Connor, Casey Law, Stella Koch Ocker, Myles Sherman, Nikita Kosogorov, Jakob Faber, Gregg Hallinan, Charlie Harnach, Greg Hellbourg, Rick Hobbs, David Hodge, Mark Hodges, James Lamb, Paul Rasmussen, Jean Somalwar, Sander Weinreb, David Woody, Shreya Anand, Kaustav Kashyap Das, Yu-Jing Qin, Sam Rose, Dillon Z. Dong, Jessie Miller i Yuhan Yao. Joel Leja z Pennsylvania State University jest także autorem.
