Da astronomer for første gang bemerket deteksjonen av en Fast Radio Burst (FRB) i 2007 (også kalt Lorimer Burst), var de begge forbløffet og fascinerte. Denne høyeenergiutbruddet av radiopulser, som varte bare noen få millisekunder, så ut til å komme fra utsiden av galaksen vår. Siden den tid har astronomer funnet bevis på mange FRB-er i tidligere registrerte data, og spekulerer fortsatt om hva som forårsaker dem.
Takket være påfølgende funn og forskning, vet astronomer nå at FRB er langt vanligere enn tidligere antatt. I følge en ny studie fra et team av forskere fra Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), kan FRB-er forekomme hvert eneste sekund i det observerbare universet. Hvis sant, kan FRB være et kraftig verktøy for å undersøke opprinnelsen og utviklingen av kosmos.
Studien, med tittelen “A Fast Radio Burst Occurs Every Second Through the Observable Universe”, dukket nylig opp i The Astrophysical Journal Letters. Studien ble ledet av Anastasia Fialkov, en postdoc-forsker og stipendiat ved CfAs Institute for Theory and Computation (ITC). Hun fikk selskap av professor Abraham Loeb, direktøren for ITC og Frank B. Baird, jr. Professor i vitenskap ved Harvard.
Som nevnt har FRB-er fortsatt noe av et mysterium siden de ble oppdaget første gang. Ikke bare forblir årsakene deres ukjente, men mye om deres sanne natur forstås fortsatt ikke. Som Dr. Fialkov fortalte Space Magazine via e-post:
“FRB-er (eller raske radioutbrudd) er astrofysiske signaler av en ubestemt karakter. De observerte utbruddene er korte (eller millisekunders varighet), lyse pulser i radiodelen av det elektromagnetiske spekteret (ved GHz-frekvenser). Bare 24 utbrudd er blitt observert så langt, og vi vet fortsatt ikke sikkert hvilke fysiske prosesser som utløser dem. Den mest sannsynlige forklaringen er at de blir lansert av roterende magnetiserte nøytronstjerner. Denne teorien skal imidlertid bekreftes. ”
Av hensyn til studien deres, stolte Fialkov og Loeb på observasjoner gjort av flere teleskoper av det gjentagende raske radioutbruddet kjent som FRB 121102. Denne FRB ble først observert i 2012 av forskere som bruker Arecibo radioteleskop i Puerto Rico, og har siden den gang vært bekreftet å komme fra en galakse som ligger 3 milliarder lysår unna i retning Auriga-stjernebildet.
Siden det ble oppdaget, er det blitt påvist ytterligere sprengninger som kom fra dens beliggenhet, noe som gjør FRB 121102 til det eneste kjente eksemplet på en gjentagende FRB. Denne repeterende naturen har også tillatt astronomer å gjøre mer detaljerte studier av den enn noen annen FRB. Som prof. Loeb fortalte Space Magazine via e-post, gjorde disse og andre grunner det til et ideelt mål for studien deres:
“FRB 121102 er den eneste FRB som det ble identifisert en vertsgalakse og en avstand for. Det er også den eneste gjentatte FRB-kilden som vi oppdaget hundrevis av FRB-er nå. Radiospekteret til FRB-ene er sentrert om en karakteristisk frekvens og dekker ikke et veldig bredt bånd. Dette har viktige implikasjoner for detekterbarheten av slike FRB-er, for radioobservatoriet må være innstilt på frekvensen for å finne dem. ”
Basert på det som er kjent om FRB 121102, gjennomførte Fialkov og Loeb en serie beregninger som antok at dets oppførsel var representativ for alle FRB-er. De projiserte deretter hvor mange FRB-er som ville eksistere over hele himmelen og bestemte at innenfor det observerbare universet, vil en FRB sannsynligvis finne sted hvert sekund. Fialkov forklarte:
"Forutsatt at FRB-er er produsert av galakser av en bestemt type (f.eks. Ligner på FRB 121102), kan vi beregne hvor mange FRB-er som må produseres av hver galakse for å forklare de eksisterende observasjonene (dvs. 2000 per himmel per dag). Med dette tallet i bakhodet kan vi utlede produksjonshastigheten for hele befolkningen av galakser. Denne beregningen viser at en FRB oppstår hvert sekund når man regnskapsfører alle svake hendelser. ”
Mens den nøyaktige arten og opprinnelsen til FRB-er fremdeles er ukjent - forslag inkluderer roterende nøytronstjerner og til og med fremmed intelligens! - Fialkov og Loeb indikerer at de kunne brukes til å studere strukturen og evolusjonen til universet. Hvis de faktisk forekommer med en slik regelmessig frekvens i hele kosmos, kan fjernere kilder fungere som sonder som astronomer deretter vil stole på for å romme dybden i rommet.
For eksempel, over store kosmiske avstander, er det en betydelig mengde mellomliggende materiale som gjør det vanskelig for astronomer å studere den kosmiske mikrobølgebakgrunnen (CMB) - reststrålingen fra Big Bang. Studier av dette mellomliggende materialet kan føre til nye estimater av hvor tett rom det er - dvs. hvor mye av det er sammensatt av vanlig materie, mørk materie og mørk energi - og hvor raskt det ekspanderer.
Og som prof. Loeb antydet, kunne FRB også brukes til å utforske varige kosmlogiske spørsmål, som hvordan ”Dark Age” av universet endte:
“FRB-er kan brukes til å måle kolonnen med frie elektroner mot kilden. Dette kan brukes til å måle tettheten av vanlig materie mellom galakser i dagens univers. I tillegg kan FRB-er på tidlige kosmiske tider brukes til å finne ut når det ultrafiolette lyset fra de første stjernene brøt opp de primordiale atomer av hydrogen som ble igjen fra Big Bang til deres konstituerende elektroner og protoner. ”
"Dark Age", som skjedde mellom 380.000 og 150 millioner år etter Big Bang, var preget av en "tåke" av hydrogenatomer som interagerer med fotoner. Som et resultat av dette kan strålingen fra denne perioden ikke påvises av våre nåværende instrumenter. For tiden prøver forskere fortsatt å løse hvordan universet gjorde overgangen mellom disse "mørke alderen" og påfølgende epoker da universet ble fylt med lys.
Denne perioden med "reionisering", som fant sted 150 millioner til 1 milliard år etter Big Bang, var da de første stjernene og kvasarene dannet seg. Det antas generelt at UV-lys fra de første stjernene i universet reiste utover for å ionisere hydrogengassen (og dermed tømme tåken). En fersk undersøkelse antydet også at sorte hull som fantes i det tidlige universet skapte de nødvendige "vindene" som tillot denne ioniserende strålingen å slippe ut.
For dette formål kunne FRB-er brukes til å undersøke denne tidlige perioden av universet og bestemme hva som brøt sammen denne "tåken" og tillot lys å rømme. Å studere veldig fjerne FRB kan tillate forskere å studere hvor, når og hvordan denne prosessen med "reionisering" skjedde. Når vi ser fremover, forklarte Fialkov og Loeb hvordan fremtidige radioteleskoper vil kunne oppdage mange FRB-er.
"Fremtidige radioobservatorier, som Square Kilometer Array, vil være følsomme nok til å oppdage FRB fra den første generasjonen av galakser i utkanten av det observerbare universet," sa professor Loeb. "Arbeidet vårt gir det første estimatet av antall og egenskaper til de første blinkene av radiobølger som lyste opp i spedbarnsuniverset."
Og så er det Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME) på Dominion Radio Astrophysical Observatory i British Columbia, som nylig begynte å operere. Disse og andre instrumenter vil tjene som kraftige verktøy for å oppdage FRB, som igjen kan brukes til å se tidligere usett regioner med tid og rom, og låse opp noen av de dypeste kosmologiske mysteriene.
"[W] e finner ut at et neste generasjons teleskop (med en mye bedre følsomhet enn de eksisterende) forventes å se mange flere FRB-er enn det som er observert i dag," sa Dr. Fialkov. “Dette ville gjøre det mulig å karakterisere befolkningen i FRB-er og identifisere deres opprinnelse. Å forstå arten av FRB-er vil være et stort gjennombrudd. Når egenskapene til disse kildene er kjent, kan FRB-er brukes som kosmiske fyrtårn for å utforske universet. En applikasjon er å studere historien til reionisering (kosmisk faseovergang da den inter-galaktiske gassen ble ionisert av stjerner). ”
Det er en inspirert tanke, og bruker naturlige kosmiske fenomener som forskningsverktøy. I så henseende er det å bruke FRB-er for å undersøke de fjerneste objektene i rommet (og så langt tilbake i tid som vi kan) som å bruke kvasarer som navigasjonsfyr. Til slutt, ved å fremme kunnskapen vår om universet, kan vi utforske mer av det.
