Astronomen aan het MIT en universiteiten in Canada en de Verenigde Staten hebben een vreemd en aanhoudend radiosignaal gedetecteerd van een ver sterrenstelsel dat met verrassende regelmaat lijkt te flitsen.
Het signaal wordt geclassificeerd als een snelle radio-uitbarsting, of FRB – een intens sterke uitbarsting van radiogolven van onbekende astrofysische oorsprong, die meestal hooguit een paar milliseconden duurt. Dit nieuwe signaal houdt echter tot drie seconden aan, ongeveer 1000 keer langer dan de gemiddelde FRB. Binnen dit venster detecteerde het team uitbarstingen van radiogolven die zich elke 0,2 seconden herhalen in een duidelijk periodiek patroon, vergelijkbaar met een kloppend hart.
De onderzoekers hebben het signaal FRB 20191221A gelabeld en het is momenteel de langstdurende FRB, met het duidelijkste periodieke patroon dat tot nu toe is gedetecteerd.
De bron van het signaal bevindt zich in een ver sterrenstelsel, enkele miljarden lichtjaren verwijderd van de aarde. Wat die bron precies zou kunnen zijn, blijft een mysterie, hoewel astronomen vermoeden dat het signaal afkomstig zou kunnen zijn van een radiopulsar of een magnetar, beide soorten neutronensterren – extreem dichte, snel ronddraaiende ingestorte kernen van gigantische sterren.
“Er zijn niet veel dingen in het universum die strikt periodieke signalen uitzenden”, zegt Daniele Michilli, een postdoc aan het Kavli Institute for Astrophysics and Space Research van het MIT. “Voorbeelden die we kennen in ons eigen melkwegstelsel zijn radiopulsars en magnetars, die roteren en een gestraalde emissie produceren die lijkt op een vuurtoren. En we denken dat dit nieuwe signaal een magnetar of pulsar op steroïden zou kunnen zijn.”
Het team hoopt meer periodieke signalen van deze bron te detecteren, die vervolgens als astrofysische klok kunnen worden gebruikt. De frequentie van de uitbarstingen, en hoe ze veranderen als de bron zich van de aarde verwijdert, kan bijvoorbeeld worden gebruikt om de snelheid te meten waarmee het universum uitdijt.
De ontdekking wordt vandaag gerapporteerd in het tijdschrift Natuuren is geschreven door leden van de CHIME/FRB Collaboration, waaronder MIT co-auteurs Calvin Leung, Juan Mena-Parra, Kaitlyn Shin en Kiyoshi Masui van MIT, samen met Michilli, die de ontdekking eerst leidde als onderzoeker aan de McGill University , en daarna als postdoc bij MIT.
“Boem Boem boem”
Sinds de ontdekking van de eerste FRB in 2007 zijn honderden soortgelijke radioflitsen gedetecteerd in het hele universum, meest recentelijk door het Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment, of CHIME, een interferometrische radiotelescoop bestaande uit vier grote parabolische reflectoren die zich op de Dominion bevindt. Radio Astrofysisch Observatorium in British Columbia, Canada.
CHIME observeert continu de lucht terwijl de aarde draait, en is ontworpen om radiogolven op te vangen die worden uitgezonden door waterstof in de allereerste stadia van het universum. De telescoop is toevallig ook gevoelig voor snelle radio-uitbarstingen, en sinds hij in 2018 begon met het observeren van de lucht, heeft CHIME honderden FRB’s gedetecteerd die afkomstig zijn uit verschillende delen van de lucht.
De overgrote meerderheid van de tot nu toe waargenomen FRB’s zijn eenmalig – ultraheldere uitbarstingen van radiogolven die een paar milliseconden aanhouden voordat ze uitknipperen. Onlangs ontdekten onderzoekers de eerste periodieke FRB die een regelmatig patroon van radiogolven leek uit te zenden. Dit signaal bestond uit een vierdaags venster van willekeurige bursts die vervolgens elke 16 dagen werden herhaald. Deze cyclus van 16 dagen duidde op een periodiek activiteitspatroon, hoewel het signaal van de daadwerkelijke radio-uitbarstingen eerder willekeurig dan periodiek was.
Op 21 december 2019 pikte CHIME een signaal op van een potentiële FRB, wat onmiddellijk de aandacht trok van Michilli, die de binnenkomende gegevens aan het scannen was.
“Het was ongebruikelijk”, herinnert hij zich. “Het was niet alleen erg lang, ongeveer drie seconden, maar er waren periodieke pieken die opmerkelijk nauwkeurig waren en elke fractie van een seconde uitstraalden – boem, boem, boem – als een hartslag. Dit is de eerste keer dat het signaal zelf periodiek is.”
Briljante uitbarstingen
Bij het analyseren van het patroon van de radio-uitbarstingen van FRB 20191221A, vonden Michilli en zijn collega’s overeenkomsten met emissies van radiopulsars en magnetars in ons eigen sterrenstelsel. Radiopulsars zijn neutronensterren die bundels radiogolven uitzenden, die lijken te pulseren terwijl de ster draait, terwijl magnetars een vergelijkbare emissie produceren vanwege hun extreme magnetische velden.
Het belangrijkste verschil tussen het nieuwe signaal en de radio-emissies van onze eigen galactische pulsars en magnetars is dat FRB 20191221A meer dan een miljoen keer helderder lijkt te zijn. Michilli zegt dat de lichtflitsen afkomstig kunnen zijn van een verre radiopulsar of magnetar die normaal gesproken minder helder is terwijl hij ronddraait en om de een of andere onbekende reden een reeks schitterende uitbarstingen uitstraalde, in een zeldzaam venster van drie seconden dat CHIME gelukkig gepositioneerd was om te vangen.
“CHIME heeft nu veel FRB’s met verschillende eigenschappen gedetecteerd”, zegt Michilli. “We hebben sommige gezien die in zeer turbulente wolken leven, terwijl andere eruitzien alsof ze zich in een schone omgeving bevinden. Op basis van de eigenschappen van dit nieuwe signaal kunnen we zeggen dat er zich rond deze bron een plasmawolk bevindt die extreem turbulent moet zijn.”
De astronomen hopen extra uitbarstingen van de periodieke FRB 20191221A te vangen, die kunnen helpen om hun begrip van de bron en van neutronensterren in het algemeen te verfijnen.
“Deze detectie roept de vraag op wat de oorzaak kan zijn van dit extreme signaal dat we nog nooit eerder hebben gezien, en hoe we dit signaal kunnen gebruiken om het universum te bestuderen”, zegt Michilli. “Toekomstige telescopen beloven duizenden FRB’s per maand te ontdekken, en op dat moment kunnen we nog veel meer van deze periodieke signalen vinden.”
Dit onderzoek werd gedeeltelijk ondersteund door de Canada Foundation for Innovation.
