• Começa Com Um Estrondo

Pergunte a Ethan: O que no universo é uma explosão rápida de rádio?

Rajadas rápidas de rádio, que chegam em pulsos escalonados, foram uma surpresa quando foram descobertas, e muitos aspectos delas permanecem misteriosos. No entanto, sua natureza extragaláctica não é mais contestada, pois muitos tiveram sua galáxia de origem identificada. (ICRAR E CSIRO / ALEX CHERNEY)

Este mistério vem em duas variedades: repetitivo e não repetitivo. Aqui está o que sabemos até agora.

Imagine que você estivesse olhando para o Universo distante, observando as estrelas, galáxias e outros objetos emissores de luz aos quais está acostumado, quando de repente um flash de luz incrivelmente poderoso chegou. Durando apenas alguns milissegundos ou até menos, por esses breves instantes, brilhou tão intensamente quanto os objetos mais brilhantes no céu. Então você começou a encontrar outros: alguns polarizados, outros não polarizados; alguns como eventos únicos, outros de repetição irregular e até mesmo um que se repete regularmente a cada 16,35 dias. Eles não são visíveis para os humanos, no entanto. Eles só aparecem em frequências de rádio. Então, o que são essas explosões misteriosas? É isso que Annie Grimes-Patton, quer saber, observando:

Minha estação de notícias local está perguntando: O que há por aí? Os cientistas estão recebendo um sinal de padrão de rádio repetido do espaço. Pode pesar, por favor?

É um mistério que agora tem 13 anos, e observações recentes nos deixaram ainda mais intrigados. Aqui está o que sabemos sobre eles.

Trama em cascata da explosão de rádio rápida FRB 110220 descoberta por Dan Thornton (Universidade de Manchester). A imagem mostra a potência em função do tempo (eixo x) para mais de 800 canais de radiofrequência (eixo y) e mostra a varredura característica que se espera para fontes de origem galáctica e extragaláctica. Os FRBs vêm como rajadas discretas únicas ou múltiplas com duração de dezenas de microssegundos a alguns milissegundos, mas não mais. O primeiro foi descoberto em 2007, mas por muitos anos as pessoas ficaram muito inseguras de sua existência. (MATTHEW BAILES / UNIVERSIDADE DE TECNOLOGIA DE SWINBURNE / A CONVERSA)

A história começou em 2007, quando o astrônomo Duncan Lorimer decidiu embarcar em um projeto para examinar dados antigos (de arquivo) de um radiotelescópio que pesquisava o céu noturno em busca de pulsares: estrelas de nêutrons que emitem pulsos regulares cada vez que completam uma rotação. O aluno de Lorimer, David Narkevic, encontrou um evento peculiar, mas altamente energético, de 2001 nos dados.

O evento correspondeu a uma explosão de ondas de rádio que durou menos de 5 milissegundos, mas foi diferente de tudo que já vimos antes. Ele estava localizado perto (mas não estava associado) à Pequena Nuvem de Magalhães ⁠ — uma pequena galáxia a cerca de 200.000 anos-luz de nós ⁠ — e não se repetiu, sua luz não foi polarizada e foi o único evento visto: um milissegundo explosão de escala em cerca de 90 horas (324 milhões de milissegundos) de observação.

O radiotelescópio CHIME na Colúmbia Britânica, Canadá, é agora o descobridor mais prolífico de Fast Radio Bursts da humanidade. Menos de uma década atrás, apenas um FRB robusto era conhecido junto com muitas detecções espúrias, mas esses objetos são reais, onipresentes e variados de mais maneiras do que esperávamos. (COLABORAÇÃO DO SINAL)

Isso imediatamente levou a uma enxurrada de novas pesquisas, bem como especulações sobre o que poderia ter causado o evento e quantos desses eventos esperamos que ocorram. Lorimer e Narkevic argumentaram que deve ter se originado além do Grupo Local, mas não mais do que cerca de 3 bilhões de anos-luz de distância; se fosse mais longe, os elétrons livres no meio intergaláctico teriam mudado as propriedades observáveis ​​da explosão.

Originalmente, foi sugerido que centenas desses eventos ⁠ - agora conhecidos como Rajadas rápidas de rádio (FRBs) ⁠ — poderia ocorrer todos os dias se pesquisássemos todo o céu noturno para eles; outros já argumentaram que o número diário pode chegar a 10.000.

E o que poderia causá-los? Talvez eles surjam de supernovas, de magnetares ou de fusões de anãs brancas, estrelas de nêutrons ou até buracos negros.

Em 1967, Jocelyn Bell (agora Jocelyn Bell-Burnell) descobriu o primeiro pulsar: uma fonte de rádio brilhante e regular que agora sabemos ser uma estrela de nêutrons em rápida rotação. Variantes desses pulsares são algumas das principais causas candidatas de Rajadas Rápidas de Rádio. (OBSERVATÓRIO DE RADIOASTRONOMIA MULLARD)

Pelo menos, esses foram os nossos pensamentos iniciais. Houve alguma dúvida sobre todo o empreendimento em 2010, quando o mesmo telescópio que detectou o primeiro FRB - o Radiotelescópio Parkes na Austrália — viu uma série esporádica de 16 pulsos de rádio que não conseguiu explicar. Eles receberam o nome perytons e eram muito suspeitos : todos eles pareciam semelhantes entre si, mas não como qualquer outra coisa já observada no espaço.

Levou quase cinco anos inteiros para rastrear o culpado: o forno de microondas usado pelos astrônomos no observatório. Quando os astrônomos, impacientes por sua comida aquecida, abriram a porta antes de interromper a energia do micro-ondas, o tubo de vácuo de alta potência do forno de micro-ondas ainda gerou um sinal, pois estava em processo de desligamento. Esse sinal de escape apareceu nos dados do Telescópio Parkes, imitando uma rápida explosão de rádio.

A porta de qualquer forno de micro-ondas terá uma tela com furos, permitindo a passagem de luz visível, mas não de micro-ondas. Se você abrir a porta antes que o micro-ondas faça um 'ding', o tubo de vácuo de alta potência responsável por gerar as micro-ondas ainda gerará radiação por um breve tempo que pode sair pela porta aberta, criando um falso sinal de 'explosão' em um rádio telescópio. Estes não são os Fast Radio Bursts que estamos procurando. (HEDWIG VON EBBEL / DOMÍNIO PÚBLICO)

Os sinais de peryton podem não ter vindo do próprio Universo, mas os FRBs eram claramente uma situação totalmente diferente. Uma explosão de 2011 chegou ao Telescópio Green Bank , exibindo uma propriedade chamada polarização linear: evidência de que havia viajado através de um poderoso campo magnético. O sinal foi tão disperso que deve ter vindo de muito mais longe do que o primeiro FRB: até 6 bilhões de anos-luz de distância.

Em 2012, um terceiro observatório independente — o Radiotelescópio de Arecibo — detectou outro FRB, medindo um efeito conhecido como dispersão de plasma. A dispersão era grande demais para ser consistente com uma origem dentro de nossa galáxia, indicando ainda que os FRBs surgem de muito além da nossa Via Láctea. Muitos outros FRBs foram encontrados posteriormente, mas o verdadeiro avanço veio em 2015, novamente com dados de Arecibo, onde o astrônomo Paul Scholz identificou mais dez rajadas dessa mesma fonte: repetindo, mas irregularmente.

As posições das rajadas de rádio rápidas conhecidas a partir de 2013, incluindo quatro que tinham galáxias hospedeiras identificáveis, ajudaram a provar as origens extragalácticas desses objetos. As emissões de rádio restantes mostram a localização de fontes galácticas como gás e poeira. As características de absorção, polarizações e alongamento de pulso dos FRBs que recebemos podem nos dar informações sobre a totalidade dos meios galácticos e intergalácticos pelos quais cada pulso viaja em seu caminho até nós. (MPIFR/C. NG; CIÊNCIA/D. THORNTON ET AL.)

Esta foi a primeira descoberta verdadeiramente reveladora. Até 2015, nenhum dos FRBs havia sido observado para repetir, mas este - conhecido oficialmente como FRB 121102 (o que significa que foi descoberto pela primeira vez em 2 de novembro de 2012) — já se repetiu dezenas de vezes. Os estouros:

• não são periódicas; eles não ocorrem com um espaçamento de intervalo de tempo regular entre eles,
• todos eles têm a mesma alta dispersão de plasma da explosão original, indicando que são originários da mesma fonte extragaláctica,
• as ondas são altamente polarizadas, indicando que passaram por um plasma quente com um forte campo magnético,
• mas não pode ser de um cataclismo único, como uma supernova ou um sistema de fusão.

O que é ainda mais estranho é este fato: tem períodos de atividade e inatividade. A partir de junho de 2020, um ciclo de 157 dias foi revelado : todas as rajadas ocorrem dentro de uma janela normal de 90 dias e, em seguida, sempre há silêncio nos próximos 67 dias. O FRB 121102 continua a explodir nesse padrão liga/desliga desde sua descoberta.

As galáxias hospedeiras de rajadas de rádio rápidas permanecem misteriosas para a maioria das FRBs que vimos, mas algumas delas tiveram suas galáxias hospedeiras detectadas. Para FRB 121102, cujas rajadas repetidas eram extremamente polarizadas, o hospedeiro foi identificado como uma galáxia anã com um núcleo galáctico ativo. Talvez curiosamente, as estrelas dentro dele, em média, têm muito menos elementos pesados ​​(e, portanto, planetas rochosos e potencialmente habitáveis) do que os da nossa Via Láctea. (OBSERVATÓRIO GÊMEOS/AURA/NSF/NRC)

Neste ponto, a maioria dos FRBs que conhecemos parecem ser eventos únicos. Alguns deles parecem se repetir (como FRB 180814 ) com um padrão irregular semelhante para quando eles pulsam e não pulsam. Alguns deles foram rastreados até sua fonte: o repetido FRB 121102 foi vinculado, em um estudo de 2017 , para uma galáxia de tamanho pequeno a aproximadamente 3 bilhões de anos-luz de distância, enquanto a não-repetição FRB 180924 foi ligado a uma galáxia do tamanho da Via Láctea cerca de 3,6 bilhões de anos-luz de distância. O rajada de repetição mais próxima é FRB 180916 , hospedado por uma galáxia a apenas 486 milhões de anos-luz de distância; o mais distante é o FRB 190523 não repetitivo , ligada a uma única galáxia massiva a cerca de 8 bilhões de anos-luz de nós.

As galáxias que são conhecidas por hospedar FRBs são muito diferentes umas das outras. Eles têm tamanhos diferentes, massas diferentes, estão formando estrelas em taxas muito diferentes e possuem ambientes diferentes em termos de gás, poeira, densidade e composição do material.

A impressão deste artista representa o caminho da rápida explosão de rádio FRB 181112 viajando de uma galáxia hospedeira distante para alcançar a Terra. FRB 181112 foi identificado pelo radiotelescópio Australian Square Kilometer Array Pathfinder (ASKAP). Observações de acompanhamento com o Very Large Telescope (VLT) do ESO revelaram que os pulsos de rádio passaram pelo halo de uma galáxia massiva a caminho da Terra. Essa descoberta permitiu que os astrônomos analisassem o sinal de rádio em busca de pistas sobre a natureza do gás halo. (ESO/M. KORMESSER)

Mas o Fast Radio Burst mais estranho de todos tem que ser FRB 180916 , que é o único FRB conhecido por repetir com um período muito regular. A cada 16,35 dias, ele passa por um ciclo de emissão de um padrão não padrão de radiação por cerca de 4 dias, permanecendo em silêncio por aproximadamente 12 dias e depois repetindo com um padrão de radiação ligeiramente diferente. É o misterioso padrão de rádio repetido que foi amplamente divulgado este ano.

Em um período de menos de duas décadas, passamos de:

• sem saber nada sobre FRBs,
• a pensar que eles podem nem existir,
• para saber que eles vêm em versões repetidas e não repetidas,
• para descobrir que pelo menos alguns dos repetidores estouram (e depois não estouram) em padrões regulares e periódicos.

O grande mistério a ser resolvido é descobrir exatamente o que os está causando .

As erupções de maior energia provenientes de estrelas de nêutrons com campos magnéticos extremamente fortes, os magnetares, são provavelmente responsáveis ​​por algumas das partículas de raios cósmicos de maior energia já observadas. Uma estrela de nêutrons como essa pode ter algo como o dobro da massa do nosso Sol, mas comprimida em um volume comparável ao da ilha de Maui. Os 90% internos de um objeto como esse podem ser tratados como um único núcleo atômico composto inteiramente de nêutrons. (CENTRO DE VÔO ESPACIAL GODDARD DA NASA/S. WIESSINGER)

Originalmente, nossos pensamentos foram para estrelas de nêutrons giratórias, porque elas já são conhecidas por pulsar na parte de rádio do espectro. Mas quase todos os pulsares conhecidos estão localizados na Via Láctea, enquanto apenas um dos FRBs provavelmente foi provisoriamente ligado à nossa galáxia. Os repetidores são agora conhecidos por serem bastante comuns , e as fontes repetitivas têm as mesmas propriedades de dispersão que as não repetidoras.

No entanto, existe uma classe de estrela de nêutrons conhecida como magnetar : estrelas de nêutrons com campo magnético extremamente poderoso, talvez o mais forte do Universo e até um quatrilhão de vezes mais forte que o campo magnético da Terra. Isso levou três cientistas – Brian Metzger, Ben Margalit e Lorenzo Sironi – a um modelo notável que pode acabar resolvendo o quebra-cabeça : um jovem magnetar, recentemente criado por um cataclismo estelar, cercado pelos restos de plasma de ejecta/explosões anteriores. Quando o novo material ejetado colide com os detritos antigos, uma série de pulsos, variando em suas propriedades à medida que a onda de choque desacelera, é emitida e polarizada pelo plasma circundante.

À medida que as ondas eletromagnéticas se propagam para longe de uma fonte cercada por um forte campo magnético, a direção de polarização será afetada devido ao efeito do campo magnético no vácuo do espaço vazio: birrefringência do vácuo. Na presença de matéria, efeitos como polarização e subexplosões podem se intensificar ou surgir de novo. (N. J. SHAVIV / SCIENCEBITS)

Múltiplo independente estudos já apoiaram a hipótese magnetar anteriormente para vários FRBs, e este novo modelo agora traz os repetidores como uma possibilidade. Mas ainda há muito o que aprender.

Os magnetares são o elo que precisamos entre os FRBs repetitivos e não repetitivos? Existe um período de recarga nesses magnetares que é determinado por algo físico, como um companheiro em órbita, ou talvez algumas propriedades internas? Todos eles surgem do mesmo mecanismo ou, como as supernovas, existem muitas maneiras de fazer um Fast Radio Burst ?

Assim é a astronomia na fronteira do conhecimento da humanidade. Existem muitas ideias por trás do que está causando esses eventos misteriosos, incluindo muitas ideias muito boas, mas um Universo inteiro para explorar e entender. Qualquer que seja o culpado final, novas investigações só podem levar a um maior conhecimento e a uma imagem mais clara.

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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