Zagadka w kosmosie: Sygnał-widmo ASKAP J1424 nadaje co 36 minut – i milknie

Kosmiczny metronom z rytmem 36-minutowym

Astronomowie natrafili na obiekt, który łamie kilka fundamentalnych zasad fizyki nieba jednocześnie. Przez wiele dni z rzędu wysyła niezwykle regularne sygnały radiowe — dokładnie co 36 minut — po czym nagle milknie, jakby ktoś przekręcił wyłącznik. Jedno jest pewne: nikt wcześniej czegoś takiego nie widział.

Obiekt wykryto za pomocą Australian SKA Pathfinder, w skrócie ASKAP — nowoczesnego radioteleskopu zlokalizowanego w Australii Zachodniej. W obszarze nieba regularnie skanowanym przez instrument pojawił się nagle nowy nadajnik: ASKAP J1424.

Pomiary ujawniły zadziwiająco powtarzalny schemat działania. Kosmyczny nadajnik odzywał się według identycznego wzorca:

• Okres: 2147 sekund, czyli około 36 minut
• Faza aktywna: około ośmiu kolejnych dni
• Następnie całkowita cisza — bez żadnego sygnału przejściowego

Obiekt niebieski bijący jak zegar przez wiele dni z rzędu — po czym znikający w ciemności bez ostrzeżenia.

To właśnie ta kombinacja żelaznej regularności i nagłego zaniku czyni ASKAP J1424 tak wyjątkowym. Wiele znanych obiektów niebieskich migocze lub pulsuje, ale niemal żaden nie utrzymuje tak długiego rytmu, by następnie po prostu się wyłączyć.

Czym są długookresowe transjenty radiowe?

Nowa, tajemnicza klasa zjawisk niebieskich

W ostatnich latach do centrum zainteresowania badaczy trafiła nowa kategoria osobliwych sygnałów radiowych: długookresowe transjenty radiowe. Są to źródła, które rozświetlają się na minuty lub godziny, znikają, a następnie mogą pojawiać się ponownie po pewnym czasie.

W odróżnieniu od klasycznych pulsarów — obracających się kilka razy na sekundę i emitujących sygnały w odstępach milisekund lub sekund — te transjenty tykają znacznie wolniej. Otwierają nowe okno obserwacyjne pomiędzy gwałtownymi wybuchami a trwale świecącymi źródłami.

Badacze rozważają obecnie przede wszystkim dwie możliwe przyczyny ich istnienia:

• Ekstremalnie namagnesowane gwiazdy neutronowe (podobne do magnetarów), obracające się wyjątkowo wolno
• Białe karły o bardzo silnych polach magnetycznych, skupiające promieniowanie radiowe w wąskie wiązki

ASKAP J1424 wpisuje się z grubsza w tę grupę, jednak znacząco pogłębia istniejące pytania. Długość okresu, struktura sygnału i jego nagłe zakończenie nie dają się w pełni wyjaśnić żadną z dotychczasowych koncepcji.

Polaryzacja zdradza ekstremalnie magnetyczne otoczenie

Co fale radiowe mówią nam o tym obiekcie

Szczególnie uderzająca jest polaryzacja zmierzonego promieniowania radiowego. Sygnały ASKAP J1424 są całkowicie spolaryzowane, co oznacza, że kierunek drgań fal jest ściśle uporządkowany — nie rozłożony chaotycznie.

Dane wskazują na przejście od polaryzacji eliptycznej do liniowej. Takie wzorce sugerują obecność bardzo silnie ustrukturyzowanego pola magnetycznego, przez które fale radiowe przechodzą lub w którym powstają. Tego rodzaju uporządkowane pola spotyka się typowo w pobliżu kompaktowych, „martwych" gwiazd — takich jak gwiazdy neutronowe lub białe karły.

Całkowita polaryzacja sygnalizuje: tu nie działają spokojne wiatry gwiazdowe, lecz ekstremalne pola magnetyczne w gęstym środowisku.

Równolegle z obserwacjami radiowymi teleskopy szukały śladów gwiazdy towarzyszącej lub galaktyki w tym samym miejscu — zarówno w podczerwieni, jak i w świetle widzialnym. Jak dotąd poszukiwania te nie przyniosły rezultatu: żaden wyraźny odpowiednik sygnału radiowego nie jest widoczny.

Możliwe wyjaśnienie: układ podwójny białych karłów

Jak dwie martwe gwiazdy mogłyby generować rozbłyski radiowe

Na podstawie dotychczasowych danych rysuje się scenariusz, który przynajmniej częściowo wyjaśnia cechy ASKAP J1424: układ podwójny złożony z dwóch białych karłów. Te szczątki gwiazdowe mają rozmiary zbliżone do Ziemi, ale masę porównywalną z Słońcem i mogą utrzymywać bardzo silne pola magnetyczne.

Według proponowanego modelu dwa takie obiekty krążą wokół siebie. Ich pola magnetyczne nakładają się, skręcają i mogą przy tym generować prądy elektryczne oraz promieniowanie radiowe. Okres 36 minut odpowiadałby wówczas czasowi obiegu lub jego wielokrotności. „Rytm migania" byłby efektem określonej konfiguracji geometrycznej, w której radiowy dżet kieruje się w stronę Ziemi.

Ten model łączy kilka elementów układanki:

• Długi takt 36 minut lepiej pasuje do kompaktowego układu podwójnego niż do szybko wirującej gwiazdy neutronowej.
• Silne pola magnetyczne dwóch białych karłów wyjaśniają stuprocentową polaryzację promieniowania.
• Krótka faza aktywności — około ośmiu dni — mogłaby wiązać się z niestabilnym oddziaływaniem pól magnetycznych.

Mimo to pewne sprzeczności pozostają nierozwiązane. Od takiego układu podwójnego oczekuje się zazwyczaj przynajmniej słabych sygnałów w zakresie optycznym lub podczerwonym. Brak jakichkolwiek tego rodzaju emisji sugeruje, że układ jest albo wyjątkowo słabo świecący, albo tkwi w silnie zapylonym, zaciemnionym otoczeniu.

Największy problem: dlaczego sygnał gaśnie?

Dwa główne scenariusze w grze

Najbardziej niezwykłą cechą ASKAP J1424 jest gwałtowna cisza następująca po krótkiej fazie aktywności. Żadnego stopniowego wygasania, żadnej powolnej zmiany rytmu — sygnał po prostu urywa się.

Aktualnie rozważane są dwie główne możliwości:

• Naturalne cykle aktywności: Sam obiekt może przechodzić przez fazy wyższego i niższego promieniowania, podobnie jak magnetary wybuchające jedynie sporadycznie. ASKAP J1424 byłby wówczas obserwowany podczas rzadkiej, krótkotrwałej fazy szczytowej.
• Zewnętrzne „paliwo": Promieniowanie radiowe mogłoby pochodzić z materii dostarczanej okresowo przez obiekt towarzyszący. Gdy dopływ tej materii ustaje lub zostaje wyczerpany, zanika również sygnał radiowy.

Oba podejścia dostarczają sensownych częściowych wyjaśnień, jednak zawodzą na szczegółach krzywej blasku i braku sygnałów w innych zakresach długości fal. Wiele wskazuje na to, że działa tu mechanizm uwzględniany w obecnych modelach jedynie w niewystarczającym stopniu.

ASKAP: teleskop, który czyni ulotne zjawiska niebieskie widocznymi

Dlaczego ten instrument jest tak kluczowy

To, że ASKAP J1424 w ogóle zwrócił uwagę astronomów, jest zasługą strategii działania Australian SKA Pathfinder. W odróżnieniu od klasycznych radioteleskopów ASKAP obejmuje jednocześnie duże obszary nieba i powraca do nich w krótkich odstępach czasu. Ta właśnie częsta reobserwacja jest decydująca dla wykrywania obiektów o nieregularnym zachowaniu.

W ramach projektu EMU badacze aktywnie poszukują źródeł, które nie świecą w sposób ciągły. Takie zdarzenia niebieskie dawniej prawdopodobnie po prostu umykały uwadze, ponieważ teleskopy zbyt rzadko spoglądały w to samo miejsce na niebie.

ASKAP działa jak kamera monitoringu dla radiokosmosu — i pokazuje, jak bardzo ożywione jest pozornie spokojne niebo.

Co to odkrycie oznacza dla naszego obrazu wszechświata

Od statycznego firmamentu do migoczącego nieba

ASKAP J1424 symbolizuje głębszą przemianę w astronomii. Przez długi czas badania koncentrowały się na trwałych źródłach — galaktykach, kwazarach czy stabilnych pulsarach. Nowoczesne teleskopy pokazują jednak wyraźnie: niebo zmienia się nieustannie, i to w wielu różnych skalach czasowych.

Krótkie rozbłyski radiowe, rozjaśniające się i gasnące źródła, wolno tykające transjenty — wszystkie te zjawiska dowodzą, że klasyczne systemy klasyfikacji zaczynają się sypać. ASKAP J1424 nie pasuje do żadnej ze znanych szufladek. I właśnie dlatego to źródło jest tak cenne: zmusza teorie do konfrontacji z rzeczywistymi danymi.

Wiedza w pigułce: gwiazdy neutronowe, białe karły, pola magnetyczne

Co kryje się za tymi pojęciami

Terminy takie jak „białe karły" czy „gwiazdy neutronowe" mogą brzmieć abstrakcyjnie. Krótkie wyjaśnienie pomaga zrozumieć wagę tego odkrycia.

• Białe karły: Końcowe stadium gwiazd podobnych do Słońca. Są mniej więcej wielkości Ziemi, lecz posiadają masę zbliżoną do Słońca. Materia w ich wnętrzu jest skrajnie gęsta, a atomy mocno ściśnięte.
• Gwiazdy neutronowe: Jeszcze bardziej kompaktowe szczątki gwiazdowe, powstające zazwyczaj po wybuchu supernowej. Łyżeczka do herbaty ich materii ważyłaby na Ziemi miliardy ton. Obracają się często z zawrotną prędkością i mają olbrzymie pola magnetyczne.
• Magnetary: Szczególna odmiana gwiazd neutronowych z wyjątkowo silnymi polami magnetycznymi. Mogą generować potężne wybuchy energii, chwilowo widoczne w całym zakresie promieniowania rentgenowskiego i gamma.

ASKAP J1424 prawdopodobnie należy do tej rodziny ekstremalnych obiektów. Czy jest to niezwykły magnetar, egzotyczny układ podwójny białych karłów, czy też zupełnie nowa klasa obiektów — to dopiero się okaże.

Co dalej z ASKAP J1424?

Czekając na kolejne pojawienie się sygnału

Obserwatoria na całym świecie gromadzą teraz dane, aby nieprzerwanie śledzić region wokół ASKAP J1424. Radioteleskopy nasłuchują ewentualnego ponownego pojawienia się źródła, a instrumenty optyczne i podczerwone szukają słabych obiektów towarzyszących lub macierzystego układu gwiazdowego.

Gdyby sygnał powrócił, badacze zyskaliby szansę na pomiar większej liczby szczegółów dotyczących jasności, drobnej struktury i możliwych zjawisk towarzyszących. Jeśli jednak źródło na zawsze zamilknie, pozostanie jedyne to „okno" ośmiu dni obserwacji — i ASKAP J1424 stanie się jednorazowym, tym bardziej tajemniczym wydarzeniem.

Wielu specjalistów spodziewa się, że podobne sygnały będą pojawiać się coraz częściej w nadchodzących latach. Im lepiej teleskopy będą wychwytywać ulotne momenty w radiokosmos, tym bardziej prawdopodobne staje się, że ASKAP J1424 nie pozostanie samotnym wyjątkiem — lecz okaże się zwiastunem całej populacji dotychczas nieznanych obiektów niebieskich.