När astronomer först noterade upptäckten av en Fast Radio Burst (FRB) 2007 (alias Lorimer Burst), blev de både förvånade och fascinerade. Denna högenergi burst av radiopulser, som bara varade i några millisekunder, tycktes komma utanför vår galax. Sedan den tiden har astronomer funnit bevis på många FRB i tidigare registrerade data och spekulerar fortfarande om vad som orsakar dem.
Tack vare efterföljande upptäckter och forskning vet astronomer nu att FRB: er är mycket vanligare än tidigare trott. I själva verket, enligt en ny studie från ett team av forskare från Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), kan FRB uppträda en gång per sekund inom det observerbara universum. Om det är sant, kan FRB: er vara ett kraftfullt verktyg för att undersöka kosmos ursprung och utveckling.
Studien, med titeln "En snabb radiobrist inträffar varje sekund genom det observerbara universum", dykte nyligen in The Astrophysical Journal Letters. Studien leddes av Anastasia Fialkov, en postdoc-forskare och stipendiat vid CfAs Institute for Theory and Computation (ITC). Hon förenades av professor Abraham Loeb, chef för ITC och Frank B. Baird, jr. Professor i vetenskap vid Harvard.
Som noterats har FRB förblivit något av ett mysterium sedan de först upptäcktes. Inte bara förblir deras orsaker okända, men mycket om deras sanna natur förstår fortfarande inte. Som Dr. Fialkov berättade för Space Magazine via e-post:
”FRB: er (eller snabba radiobrister) är astrofysiska signaler av en obestämd karaktär. De observerade skurarna är korta (eller millisekunders varaktighet), ljusa pulser i radiodelen av det elektromagnetiska spektrumet (vid GHz-frekvenser). Endast 24 skurar har observerats hittills och vi vet fortfarande inte säkert vilka fysiska processer som utlöser dem. Den mest troliga förklaringen är att de lanseras av roterande magnetiserade neutronstjärnor. Men denna teori ska bekräftas. ”
För deras studie förlitade sig Fialkov och Loeb på observationer gjorda av flera teleskop av det repeterande snabba radiobristet, känt som FRB 121102. Denna FRB observerades först 2012 av forskare som använde Arecibo radioteleskop i Puerto Rico och har sedan dess varit bekräftat att de kommer från en galax som ligger 3 miljarder ljusår bort i riktning mot Auriga-konstellationen.
Sedan det upptäcktes har ytterligare skurar detekterats som kommer från dess plats, vilket gör FRB 121102 till det enda kända exemplet på en upprepande FRB. Denna repetitiva natur har också gjort det möjligt för astronomer att göra mer detaljerade studier av det än någon annan FRB. Som professor Loeb berättade för Space Magazine via e-post, gjorde dessa och andra skäl det till ett idealiskt mål för deras studie:
”FRB 121102 är den enda FRB för vilken en värdgalax och ett avstånd identifierades. Det är också den enda upprepade FRB-källan från vilken vi hittade hundratals FRB-enheter nu. Radiospektrumet för dess FRB: er är centrerat på en karakteristisk frekvens och täcker inte ett mycket brett band. Detta har viktiga följder för sådana FRB: s upptäckbarhet, för att radioobservatoriet måste vara anpassat till deras frekvens. ”
Baserat på vad som är känt om FRB 121102 genomförde Fialkov och Loeb en serie beräkningar som antog att dets beteende var representativt för alla FRB: er. De projicerade sedan hur många FRB: er som skulle existera över hela himlen och bestämde att inom det observerbara universum troligen skulle en FRB äga rum en gång per sekund. Fialkov förklarade:
”Om vi antar att FRB: er produceras av galaxer av en viss typ (t.ex. liknande FRB 121102) kan vi beräkna hur många FRB som måste produceras av varje galax för att förklara de befintliga observationerna (dvs. 2000 per himmel per dag). Med detta antal i åtanke kan vi dra slutsatsen om produktionshastigheten för hela galaxpopulationen. Denna beräkning visar att en FRB inträffar varje sekund när man redovisar alla svaga händelser. ”
Även om FRB: s exakta karaktär och ursprung fortfarande är okänd - förslag inkluderar roterande neutronstjärnor och till och med främmande intelligens! - Fialkov och Loeb indikerar att de skulle kunna användas för att studera universums struktur och utveckling. Om de verkligen inträffar med en sådan regelbunden frekvens i hela kosmos, kan mer avlägsna källor fungera som sonder som astronomer då skulle förlita sig för att sänka djupet i rymden.
Till exempel över stora kosmiska avstånd finns det en betydande mängd ingripande material som gör det svårt för astronomer att studera den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB) - reststrålningen från Big Bang. Studier av detta ingripande material kan leda till en ny uppskattning av hur tätt utrymme är - dvs hur mycket av det består av vanlig materia, mörk materia och mörk energi - och hur snabbt det expanderar.
Och som prof. Loeb antydde, kunde FRB också användas för att utforska bestående kosmlogiska frågor, till exempel hur universums ”mörka tid” slutade:
”FRB: er kan användas för att mäta kolonnen med fria elektroner mot deras källa. Detta kan användas för att mäta densiteten för vanlig materia mellan galaxer i dagens universum. Dessutom kan FRB: er vid tidiga kosmiska tider användas för att ta reda på när det ultravioletta ljuset från de första stjärnorna bröt upp de ursprungliga väteatomerna som lämnades kvar från Big Bang i deras bestående elektroner och protoner. ”
"Dark Age", som inträffade mellan 380 000 och 150 miljoner år efter Big Bang, kännetecknades av en "dimma" av väteatomer som interagerar med fotoner. Som ett resultat av detta kan strålningen under denna period inte upptäckas av våra nuvarande instrument. För närvarande försöker forskare fortfarande att lösa hur universum gjorde övergången mellan dessa "mörka åldrar" och efterföljande epoker när universum fylldes med ljus.
Denna period av "återjonisering", som ägde rum 150 miljoner till 1 miljard år efter Big Bang, var när de första stjärnorna och kvasarerna bildades. Man tror allmänt att UV-ljus från de första stjärnorna i universum reste utåt för att jonera vätgasen (och därmed rensa dimman). En ny studie föreslog också att svarta hål som fanns i det tidiga universum skapade de nödvändiga "vindarna" som tillät denna joniserande strålning att fly.
För detta ändamål kan FRB: er användas för att undersöka denna tidiga period av universum och bestämma vad som bröt ned denna "dimma" och tillät ljus att fly. Att studera mycket avlägsna FRB: s skulle kunna göra det möjligt för forskare att studera var, när och hur denna process med ”reionisering” skedde. Framöver förklarade Fialkov och Loeb hur framtida radioteleskop kommer att kunna upptäcka många FRB: er.
"Framtida radioobservatorier, som Square Kilometre Array, kommer att vara tillräckligt känsliga för att upptäcka FRB från den första generationen av galaxer i utkanten av det observerbara universum," sade professor Loeb. "Vårt arbete ger den första uppskattningen av antalet och egenskaperna för de första blinkningarna av radiovågor som lyser upp i spädbarnsuniverset."
Och sedan finns det kanadensiska väteintensitetsövervakningsexperimentet (CHIME) vid Dominion Radio Astrophysical Observatory i British Columbia, som nyligen inledde sin verksamhet. Dessa och andra instrument kommer att fungera som kraftfulla verktyg för att upptäcka FRB: er, som i sin tur skulle kunna användas för att se tidigare osynliga regioner av tid och rum, och låsa upp några av de djupaste kosmologiska mysterierna.
"[W] e finner att en nästa generations teleskop (med en mycket bättre känslighet än de existerande) förväntas se många fler FRB än vad som observeras idag," sade Dr. Fialkov. ”Detta skulle göra det möjligt att karakterisera befolkningen i FRB och identifiera deras ursprung. Att förstå FRB: s natur kommer att vara ett stort genombrott. När egenskaperna hos dessa källor är kända kan FRB: er användas som kosmiska fyrvärden för att utforska universum. En tillämpning är att studera historien om återjonisering (kosmisk fasövergång när den inter-galaktiska gasen joniserades av stjärnor). ”
Det är en inspirerad tanke som använder naturliga kosmiska fenomen som forskningsverktyg. I detta avseende är det att använda FRB: er för att undersöka de mest avlägsna föremålen i rymden (och så långt tillbaka i tiden som vi kan) som att använda kvasar som navigationsfyr. I slutändan gör det möjligt för oss att utforska mer av det genom att främja vår kunskap om universum.
