Niedawne badania prowadzone pod przewodnictwem INAF z wykorzystaniem teleskopu VLA pogłębiły naszą wiedzę na temat szybkich impulsów radiowych (FRB), potwierdzając, że osocze bańka, prawdopodobnie napędzana przez magnetar lub układ podwójny gwiazd, powoduje trwałe emisje radiowe. Odkrycie to pomaga wyjaśnić procesy fizyczne stojące za FRB i ich pochodzenie.
Szybkie rozbłyski radiowe (FRB) to jedna z najnowszych otwartych tajemnic współczesnej astrofizyki. W ciągu kilku milisekund te potężne zdarzenia uwalniają ogromną ilość energii, jedną z najwyższych obserwowalnych w zjawiskach kosmicznych. FRB odkryto nieco ponad dziesięć lat temu i powstają głównie ze źródeł pozagalaktycznych. Jednak ich pochodzenie jest nadal niepewne, a społeczność astrofizyczna na całym świecie podejmuje ogromne wysiłki, aby zrozumieć stojące za nimi procesy fizyczne.
W bardzo nielicznych przypadkach szybki błysk charakterystyczny dla FRB zbiega się z trwałą emisją, którą obserwuje się także w paśmie radiowym. W nowym badaniu prowadzonym przez Włoski Narodowy Instytut Astrofizyki (INAF) zarejestrowano najsłabszą trwałą emisję radiową, jaką kiedykolwiek wykryto w przypadku FRB.
Obiektem badań jest FRB20201124A, szybki rozbłysk radiowy odkryty w 2020 roku, którego źródło znajduje się w odległości około 1,3 miliarda lat świetlnych od nas. Współpraca, obok badaczy INAF, obejmuje uniwersytety w Bolonii, Trieście i Kalabrii we Włoszech, a także międzynarodowy udział instytutów badawczych i uniwersytetów z Chin, Stanów Zjednoczonych, Hiszpanii i Niemiec.
Zaawansowane techniki obserwacyjne
Obserwacje przeprowadzono za pomocą najczulszego radioteleskopu na świecie Very Large Array (VLA) w Stanach Zjednoczonych. Dane umożliwiły naukowcom weryfikację teoretycznych przewidywań, że przyczyną utrzymującej się emisji radiowej szybkich rozbłysków radiowych jest bąbel plazmy. Wyniki opublikowano dzisiaj w czasopiśmie Natura.
„Udało nam się wykazać na podstawie obserwacji, że trwała emisja obserwowana wraz z niektórymi szybkimi rozbłyskami radiowymi zachowuje się zgodnie z oczekiwaniami na podstawie modelu emisji mgławicowej, tj. «bąbel» zjonizowanego gazu otaczający centralny silnik” – wyjaśnia Gabriele Bruni, badaczka INAF w Rzymie i główny autor nowego artykułu. „W szczególności dzięki obserwacjom radiowym jednego z najbliższych nam rozbłysków byliśmy w stanie zmierzyć słabą trwałą emisję pochodzącą z tego samego miejsca co FRB, zwiększając zbadany dotychczas zasięg strumienia radiowego dla tych obiektów o dwa rzędy wielkości”.
Badania te pomagają również zawęzić naturę silnika napędzającego te tajemnicze błyski radiowe. Według nowych danych zjawisko to opiera się na magnetarze (silnie namagnesowanym gwiazda neutronowa) lub układ podwójny o dużej akrecji promieniowania rentgenowskiego, tj. układ podwójny składający się z gwiazdy neutronowej lub czarna dziuraakreując materię z gwiazdy towarzyszącej w bardzo intensywnym tempie. W rzeczywistości wiatry wytwarzane przez magnetar lub układ podwójny promieniowania rentgenowskiego byłyby w stanie „wysadzić” bańkę plazmy, powodując trwałą emisję radiową. Istnieje zatem bezpośredni związek fizyczny pomiędzy silnikiem FRB a bańką, która znajduje się w jego bezpośrednim sąsiedztwie.
Dodatkowe obserwacje i potwierdzenia
Motywacją do tej kampanii obserwacyjnej była inna praca prowadzona pod kierunkiem Luigiego Piro z INAF, który jest także współautorem nowego artykułu. W swojej wcześniejszej pracy naukowcy zidentyfikowali trwałą emisję w galaktyce macierzystej FRB, ale nie zmierzyli jeszcze jej pozycji z wystarczającą precyzją, aby powiązać te dwa zjawiska.
„W ramach tej nowej pracy przeprowadziliśmy kampanię w wyższej rozdzielczości przestrzennej za pomocą VLA, wraz z obserwacjami w różnych pasmach za pomocą interferometru NOEMA i Gran Telescopio Canarias (GranTeCan), co pozwoliło nam zrekonstruować ogólny obraz galaktyki i odkryć obecność kompaktowego źródła radiowego – bańki plazmowej FRB – zanurzonej w obszarze gwiazdotwórczym” – dodaje Piro. „W międzyczasie opublikowano także teoretyczny model mgławicy, co pozwoliło nam sprawdzić jego ważność i ostatecznie potwierdzić sam model”.
Weryfikacja i walidacja teoretyczna
Większość prac skupiała się na wykluczeniu, że trwała emisja radiowa pochodzi z obszaru powstawania gwiazd, a zatem nie jest fizycznie powiązana ze źródłem FRB. W tym celu obserwacje NOEMA w paśmie milimetrowym mierzyły ilość pyłu, który jest znacznikiem „przesłoniętych” obszarów gwiazdotwórczych, natomiast obserwacje optyczne GranTeCan mierzyły emisję zjonizowanego wodoru, który jest także wyznacznikiem szybkości powstawania gwiazd .
„Obserwacje optyczne były ważnym elementem badania obszaru FRB z rozdzielczością przestrzenną podobną do obserwacji radiowych” – zauważa współautorka Eliana Palazzi z INAF w Bolonii. „Mapowanie emisji wodoru z tak dużą szczegółowością pozwoliło nam wyznaczyć tempo powstawania lokalnych gwiazd, które uznaliśmy za zbyt niskie, aby uzasadniać ciągłą emisję radiową”.
Większość FRB nie wykazuje trwałych emisji. Do tej pory tego typu emisja była kojarzona jedynie z dwoma FRB – oba jednak o tak małej jasności, że nie pozwalały na weryfikację proponowanego modelu. Natomiast FRB20201124A znajduje się w dużej, ale nie nadmiernej odległości, co umożliwiło pomiar emisji trwałej pomimo jej niskiej jasności. Zrozumienie natury trwałej emisji pozwala badaczom dodać element do układanki dotyczącej natury tych tajemniczych źródeł kosmicznych.
Odniesienie: „Mgławicze źródło trwałej emisji radiowej szybkich rozbłysków radiowych” autorstwa Gabriele Bruni, Luigi Piro, Yuan-Pei Yang, Salvatore Quai, Bing Zhang, Eliana Palazzi, Luciano Nicastro, Chiara Feruglio, Roberta Tripodi, Brendan O’Connor , Angela Gardini, Sandra Savaglio, Andrea Rossi, Ana M. Nicuesa Guelbenzu i Rosita Paladino, 7 sierpnia 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07782-6
