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Astronomi rilevare il ritmo regolare delle onde radio, con origini sconosciute

Un team di astronomi, tra cui ricercatori al MIT, ha preso su un curioso, ripetendo il ritmo di fast radio burst provenienti da una fonte sconosciuta al di fuori della nostra galassia, 500 milioni di anni luce di distanza.

I Fast radio burst, o FRB, sono brevi e intensi lampi di onde radio che si pensa siano il prodotto di oggetti piccoli, distanti, estremamente densi, anche se esattamente ciò che questi oggetti potrebbero essere è un mistero di lunga data in astrofisica. Gli FRB in genere durano pochi millisecondi, durante i quali possono eclissare intere galassie.

Da quando il primo FRB è stato osservato nel 2007, gli astronomi hanno catalogato oltre 100 raffiche radio veloci provenienti da fonti lontane sparse nell’universo, al di fuori della nostra galassia. Per la maggior parte, questi rilevamenti erano una tantum, lampeggianti brevemente prima di scomparire del tutto. In una manciata di casi, gli astronomi hanno osservato raffiche radio veloci più volte dalla stessa fonte, anche se senza alcun modello distinguibile.

Questa nuova fonte FRB, che il team ha catalogato come FRB 180916.J0158 + 65, è il primo a produrre un modello periodico o ciclico di raffiche radio veloci. Il modello inizia con una finestra rumorosa di quattro giorni, durante la quale la sorgente emette raffiche casuali di onde radio, seguite da un periodo di silenzio radio di 12 giorni.

Gli astronomi hanno osservato che questo modello di 16 giorni di raffiche radio veloci si è ripetuto costantemente per 500 giorni di osservazioni.

“Questo FRB che stiamo riportando ora è come un orologio”, afferma Kiyoshi Masui, assistente professore di fisica presso il Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT. “È il modello più definitivo che abbiamo visto da una di queste fonti. Ed è un grande indizio che possiamo usare per iniziare a dare la caccia alla fisica di ciò che sta causando questi lampi luminosi, che nessuno capisce davvero.”

Masui è membro della collaborazione CHIME/FRB, un gruppo di oltre 50 scienziati guidati dall’Università della British Columbia, dalla McGill University, dall’Università di Toronto e dal National Research Council of Canada, che gestisce e analizza i dati dell’esperimento canadese di mappatura dell’intensità dell’idrogeno, o CHIME, un radiotelescopio della Columbia Britannica che è stato il primo a captare i segnali della nuova sorgente FRB periodica.

La collaborazione CHIME/FRB ha pubblicato i dettagli della nuova osservazione oggi sulla rivista Nature.

Una vista radio

Nel 2017, CHIME è stato eretto presso il Dominion Radio Astrophysical Observatory in British Columbia, dove ha iniziato rapidamente a rilevare raffiche radio veloci da galassie in tutto l’universo, miliardi di anni luce dalla Terra.

CHIME è costituito da quattro grandi antenne, ciascuna delle dimensioni e della forma di un half-pipe da snowboard, ed è progettato senza parti in movimento. Piuttosto che orientarsi per concentrarsi su diverse parti del cielo, CHIME fissa fissamente l’intero cielo, utilizzando l’elaborazione del segnale digitale per individuare la regione dello spazio in cui le onde radio in arrivo hanno origine.

Da settembre 2018 a febbraio 2020, CHIME ha selezionato 38 raffiche radio veloci da un’unica fonte, FRB 180916.J0158 + 65, che gli astronomi hanno rintracciato in una regione stellare alla periferia di una massiccia galassia a spirale, a 500 milioni di anni luce dalla Terra. La fonte è la fonte FRB più attiva che CHIME ha ancora rilevato e fino a poco tempo fa era la fonte FRB più vicina alla Terra.

Mentre i ricercatori tracciavano ciascuna delle 38 esplosioni nel tempo, cominciò ad emergere uno schema: una o due esplosioni si sarebbero verificate in quattro giorni, seguite da un periodo di 12 giorni senza esplosioni, dopo di che il modello si sarebbe ripetuto. Questo ciclo di 16 giorni si è verificato più e più volte nei giorni 500 in cui hanno osservato la fonte.

“Queste esplosioni periodiche sono qualcosa che non abbiamo mai visto prima, ed è un fenomeno nuovo in astrofisica”, dice Masui.

Scenari circolanti

Esattamente quale fenomeno è dietro questo nuovo ritmo extragalattico è una grande incognita, anche se il team esplora alcune idee nel loro nuovo documento. Una possibilità è che le raffiche periodiche possano provenire da un singolo oggetto compatto, come una stella di neutroni, che è sia rotante che oscillante — un fenomeno astrofisico noto come precessione. Supponendo che le onde radio provengano da una posizione fissa sull’oggetto, se l’oggetto gira lungo un asse e quell’asse è puntato solo verso la direzione della Terra ogni quattro giorni su 16, osserveremmo le onde radio come raffiche periodiche.

Un’altra possibilità riguarda un sistema binario, come una stella di neutroni in orbita attorno a un’altra stella di neutroni o un buco nero. Se la prima stella di neutroni emette onde radio, e si trova su un’orbita eccentrica che la avvicina brevemente al secondo oggetto, le maree tra i due oggetti potrebbero essere abbastanza forti da causare la prima stella di neutroni a deformarsi e scoppiare brevemente prima che oscilli via. Questo schema si ripeterebbe quando la stella di neutroni oscilla indietro lungo la sua orbita.

I ricercatori hanno considerato un terzo scenario, che coinvolge una sorgente radio-emettitrice che circonda una stella centrale. Se la stella emette un vento o una nuvola di gas, ogni volta che la sorgente passa attraverso la nube, il gas dalla nube potrebbe periodicamente ingrandire le emissioni radio della sorgente.

“Forse la fonte emette sempre queste esplosioni, ma le vediamo solo quando attraversa queste nuvole, perché le nuvole fungono da lente”, dice Masui.

Forse la possibilità più eccitante è l’idea che questa nuova FRB, e anche quelle che non sono periodiche o addirittura ripetitive, possano provenire da magnetar — un tipo di stella di neutroni che si pensa abbia un campo magnetico estremamente potente. I particolari delle magnetar sono ancora un po ‘ un mistero, ma gli astronomi hanno osservato che occasionalmente rilasciano enormi quantità di radiazioni attraverso lo spettro elettromagnetico, inclusa l’energia nella banda radio.

“Le persone hanno lavorato su come fare questi magnetar emettono raffiche radio veloci, e questa periodicità che abbiamo osservato da allora è stata lavorata in questi modelli per capire come tutto questo si adatta insieme”, dice Masui.

Molto recentemente, lo stesso gruppo ha fatto una nuova osservazione che supporta l’idea che i magnetar possano in effetti essere una fonte praticabile per raffiche radio veloci. Alla fine di aprile, CHIME raccolse un segnale che sembrava una rapida esplosione radio, proveniente da una magnetar fiammeggiante, a circa 30.000 anni luce dalla Terra. Se il segnale è confermato, questo sarebbe il primo FRB rilevato all’interno della nostra galassia, così come la prova più convincente di magnetar come fonte di queste misteriose scintille cosmiche.

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