Zdjęcie w tle: Michael Kramer (Jodrell Bank Observatory, University of Manchester)

Fast radio burst (FRB) to krótki, trwający kilka milisekund sygnał radiowy, którego źródło znajduje się poza naszą galaktyką. Choć zjawisko zostało odkryte w roku 2007, nadal nie ustalono jednego modelu, który tłumaczyłby jak takie sygnały są generowane. Wysnuto hipotezę, że tego typu rozbłyski mogą powstawać podczas ponownego połączenia magnetycznego w układach podwójnych gwiazd neutronowych.

Charakterystyka zjawiska

Szybkie rozbłyski radiowe trwają kilka milisekund i charakteryzują się wysokimi miarami dyspersji. Miarą dyspersji będziemy nazywać stopień opóźnienia czasowego sygnałów radiowych na różnych częstotliwościach. Im niższa jest częstotliwość nadanego sygnału, tym większe będzie jego opóźnienie i tym później zostanie on przez nas zarejestrowany. Takie opóźnienia prawdopodobnie powstają gdy fala radiowa przechodzi przez elektrony swobodne.

Duża miara dyspersji obserwowanych sygnałów sugerowałaby, że źródła FRB znajdują się poza naszą galaktyką. Ze względu na prawdopodobną użyteczność w badaniu obiektów pozagalaktycznych, zjawisko wzbudziło spore zainteresowanie społeczności naukowej. Pojawiło się wiele badań i hipotez, które próbują wytłumaczyć mechanizm powstawania powtarzających się szybkich rozbłysków radiowych.

Wykres główny przedstawię zmianę częstotliwości szybkiego impulsu radiowego w czasie. Dyspersja sygnału przedstawionego na wykresie jest wysoka i wynosi około 375 ± 1 cm-3 pc. Mniejszy wykres (w prawym górnym rogu) przedstawia sam sygnał radiowy po uwzględnieniu jego dyspersji.

Prawdopodobny model powstawania FRB

Aby ustalić, co mogłoby generować tego typu rozbłyski wyróżniono kilka właściwości powtarzających się FRB. Powtarzające się szybkie impulsy radiowe występują we wszechświecie dość powszechnie, a ich źródła znajdują się zarówno w starych, jak i młodych galaktykach. Wysoka częstotliwość cyklicznych sygnałów sugerowałaby, że są one wytarzane przez wysokoenergetyczne źródła. Zaobserwowano, że szybkość następowania po sobie rozbłysków DM FRB 121102, pochodzących z oddalonej o nas galaktyki karłowatej, nie zmalała na przestrzeni kilku lat. Ponadto po wieloletnich obserwacjach DM FRB 121102 nie zaobserwowano znaczącej ewolucji sygnałów. Natomiast podczas obserwacji innego cyklicznych sygnałów FRB 180301 zaobserwowano szybkie zmiany rotacji źródła.

Tego typu szybkie rozbłyski radiowe mogłyby powstawać na skutek ponownego połączenia magnetycznego w układach podwójnych gwiazd neutronowych. Gdy dwie gwiazdy neutronowe, krążąc wokół wspólnego środka masy, zbliżą się do siebie, dochodzi do chwilowego połączenia magnetosfer obu obiektów. Kiedy linie pola magnetycznego jednej gwiazdy zbliżą się do linii pola drugiej gwiazdy, zostaną odłączone lub połączone. Skutkiem tego linie pola się wyrównują i uwalnia się spora ilość energii. Ta energia jest zamieniana na ciepło i energię kinetyczną cząstek poruszających się wzdłuż linii pola. Oddziałują one z cząstkami otoczenia, wytwarzając wiązki promieniowania, które moglibyśmy obserwować jako FRB, gdyby były one skierowane w stronę Ziemi.

Rysunek przedstawia mechanizm ponowenego połączenia magnetycznego w układach podwójnych dwóch gwiazd neutronowych.

Poprawność modelu teoretycznego z obserwacjami

Aby sprawdzić poprawność modelu, przeprowadzono obserwacje układu podwójnego z dwoma pulsarami PSR J0737-3039A/B. Oszacowano jego energię kinetyczną rotacji gwiazd oraz energię grawitacji, która mogłaby zostać uwolniona podczas połączenia. Energia całkowita tego układu byłaby więc na tyle duża, że układ mógłby wytwarzać szybkie rozbłyski radiowe, a szacowany okres obiegu gwiazd wokół środka masy tego układu jest rzędu 100 sekund. Czas potrzebny na połączenie dwóch gwiazd neutronowych jest proporcjonalny do 3/8 okresu obiegu i może wahać się od dziesięcioleci do setek lat. W takim układzie możliwe byłoby obserwowanie powtarzających się rozbłysków radiowych, których szybkość nie zmieniłaby się na przestrzeni lat. Dlatego model, w którym układy podwójne gwiazd neutronowych wytwarzają cykliczne szybkie rozbłyski radiowe, jest prawdopodobny.

Zgodnie z tym modelem źródła powtarzających się rozbłysków FRB byłyby równocześnie źródłami fal grawitacyjnych. Dzięki kosmicznym detektorom fal grawitacyjnych takie jak LISA, TaiJi i TianQin moglibyśmy je wykrywać. Model zakłada także, że z czasem, gdy gwiazdy neutronowe będą się do siebie zbliżały, częstość emisji rozbłysków radiowych takich jak FRB 121102 i FRB 180301 wzrośnie.

Opisany powyżej model powstawania szybkich rozbłysków radiowych nie jest jeszcze całkowicie potwierdzony. Obecnie prowadzone obserwacje wykazały pewne nieścisłości w teorii m.in. dotyczące okresu orbitalnego i częstości pojawiania się rozbłysków. Analizowanie FRB może nam przynieść informację o obiektach znajdujących się daleko poza naszą galaktyką. Dlatego istotne jest opracowanie dobrego modelu teoretycznego opisującego powstawanie tego zjawiska.

Autor

Krystyna Syty