Mister, un substantiv demonetizat prin tabloidizare, pe care evit, pe cât îmi stă în putință, să-l folosesc. Nu-mi place să mă joc de-a misterul, dar iată că sunt obligat să apelez la el. Vreau să vă povestesc despre niște semnale radio ciudate, care nu și-au putut găsi vreo explicație clară. Avem, deocamdată, numai un număr de ipoteze…
Întâmplarea
Totul a început în 2007, cu o descoperire făcută din întâmplare. David Narkevic, student la Universitatea West Virginia, SUA, căuta, în arhiva de date a radiotelescopului Parkes din Australia, semnale radio periodice produse de către pulsari din galaxia noastră. O muncă tare plicticoasă, dar care este vitală pentru pentru astrofizicieni.
David Narkevic este un cercetător care își ia munca în serios. Analizează minuțios datele din arhivă și în înregistrările din anul 2001 descoperă un semnal cu totul straniu. În acel an, pe 24 august, radiotelescopul Parkes recepționase un semnal puternic, cu durata de numai 5 milisecunde. Poate că altcineva ar fi trecut l-ar fi trecut cu vederea.
Dar Narkevic tocmai asta își dorea să găsească, anomalii radio pentru semnalele emise de către pulsari. Împreună cu profesorul său, Duncan Lorimer, încep o analiză detaliată a semnalului. Astfel descoperă ceva, aparent, ciudat. Semnalul recepționat nu ajunsese la radiotelescop simultan pe toate lungimile de undă. Datele arătau că mai întâi au ajuns undele cu frecvență mai înaltă și apoi cele cu frecvență mai scăzută.
Deși părea o ciudățenie, nu era nimic misterios în asta. Fenomenul este binecunoscut de către astrofizicieni și poartă numele de dispersie. Dacă avem o sursă foarte îndepărată, viteza de propagare a undelor radio este influențată de interacțiunea lor cu plasma fierbinte din mediul intergalactic. Astfel, undele electromagnetice sunt încetinite invers proporțional cu frecvența lor.
Deoarece avem estimări satisfăcătoare ale densității plasmei intergalactice se poate determina cu o oarecare aproximație, distanța până la sursa radio. Cu cât decalajul de sosire între undele de frecvență înaltă și cele cu frecvență joasă este mai mare, cu atât este mai mare distanța dintre sursă și radiotelescop.
Calculele au arătat că sursa semnalului radio din 24 august 2001 ar trebui să se afle la mai mult de 3 miliarde de ani-lumină distanță de noi. Având în vedere această distanță și intensitatea semnalului recepționat s-a putut calcula energia inițială a semnalului: în numai cinci milisecunde a fost eliberată o cantitate de energie echivalentă cu cea eliberată de Soare într-o lună!
Articolul publicat în revista Science în ediția din 2 noiembrie 2007, prin care era anunțată descoperirea, a făcut, firesc, mare vâlvă. Imediat a început să se vorbească despre izbucniri radio rapide (Fast Radio Burst, FRB), căutând-se să se găsească mecanismele care ar putea să le producă.
Dar exista o problemă. Oricât s-au străduit, cercetătorii nu au mai identificat un semnal similar. O vreme nu a mai fost identificat niciunul, așa că asupra descoperirii lui Narkevic și Lorimer s-a așezat îndoiala. Exista posibilitatea ca semnalul ciudat să nu aibă o sursă extragalactică, ci una cât se poate de terestră, de exemplu, putea proveni de la un telefon mobil. Nu putea fi exclusă nici o eroare instrumentală.
În 2010, articolul ”Radio bursts with extragalactic spectral characteristics show terrestrial origins” (Izbucniri radio cu caracteristici spectrale extragalactice care au origini terestre), publicat de The Astrophysical Journal, părea să clarifice lucrurile. O echipă de astrofizicieni condusă de către Sarah Burke-Spolaor, în acea vreme doctorandă la Universitatea de Tehnologie Swinburne, Australia, a căutat la rândul ei semnale similare celui din 2001, care între timp căpătase numele de ”semnal Lorimer”.
Au fost analizate 16 semnale recepționate de radiotelescopul Parkes, care păreau candidate foarte bune pentru izbucniri radio rapide. Analiza lor a demonstrat că ele au o origine terestră. Aceste semnale au primit, în lucrarea lui Burke-Spolaor, un nume magic: peryton, o ființă mitică, un cerb cu aripi. Vedeți ce ușor se poate rezolva un mister? Din fericire lucrurile nu s-au oprit aici.
Semnale noi
În ediția din 5 iulie 2013 era publicat în revista Science ”A Population of Fast Radio Bursts at Cosmological Distances” (Un grup de izbucniri radio rapide aflat la distanțe cosmologice) arăta că au mai fost identificate alte patru semnale cu caracteristici similare celui din 2001, recepționat de către radiotelescopul Parkes.
Dar confirmarea finală a originii extragalactice a izbucnirilor radio rapide avea să vină abia în 2014, în momentul în care o echipă de cercetători condusă de către Laura Spitler, de la Institutul Max Planck, anunța că au descoperit un semnal similar celui de la radiotelescopul Parkes. El fusese înregistrat pe 2 noiembrie 2012, de către radiotelescopul Arecibo, din Puerto Rico. De această dată putea fi exclusă orice sursa terestră pentru semnalul recepționat. Misterul revenea în forță.
Acum, înainte de a vă purta mai departe în poveste, dați-mi voie să vă povestesc o anecdotă reală.
Cuptorul cu microunde, bată-l vina!
Chiar dacă datele acumulate în timp au convins pe astrofizicieni de originea extraterestră a izbucnirilor radio rapide rămânea o problemă: care a fost sursa semnalelor terestre identificate în lucrarea echipei lui Burke-Spolaor? La această întrebare a dorit să găsească un răspuns Emily Petroff, doctorandă la Universitatea de Tehnologie Swinburne, Australia.
În căutarea lui, Emily Petroff și-a format o echipă de cercetători care s-a deplasat la radiotelescopul Parkes. Aici au instalat un monitor de interferențe radio, pentru a identifica semnalele de origine terestră. În luna ianuarie a anului 2015 s-au detectat mai multe semnale peryton. Simultan cu acestea monitorul de interferențe radio a identificat un semnal puternic cu frecvența de circa 2,5 GHz.
Vă duce gândul la ceva anume când citiți această frecvență? Bănuiesc că da, asta în măsura în care aveți un cuptor cu microunde și i-ați citit cartea tehnică. Este o frecvență foarte apropiată de cea la care funcționează cuptoarele cu microunde… Ele să fie cauza? Să nu uităm un lucru: ele sunt construite astfel încât întreg cuptorul se comportă ca o cușcă Faraday și astfel nu avem ”scăpări” de microunde în exterior.
Dar trebuie să mai ținem seama de un indiciu important: semnalele peryton au fost detectate numai în timpul prânzului! Deci cumva tot cuptoarele cu microunde ar trebui să fie vinovate. Explicația este foarte simplă.
Cercetătorii de la radiotelescopul Parkes nu aveau totdeauna răbdare să aștepte expirarea timpului de gătire programat pentru cuptorul de microunde și îl deschideau mai devreme. ”Cușca Faraday” a cuptorului înceta astfel să mai fie eficientă. Știu, veți spune că în asemenea caz cuptorul se oprește automat. Așa este.
Numai că oprirea nu este instantanee. Magnetronul, componenta care generează microundele, mai emite timp de câteva mici fracțiuni de secundă după oprirea alimentării. Asta nu este periculos pentru utilizatorii de cuptoare cu microunde, dar semnalele pot fi recepționate de către radiotelescop, inducându-i în eroare pe cercetători.
De altfel, la alte radiotelescoape este interzisă folosirea nu numai a cuptoarelor cu microunde și a telefoanelor mobile, dar și a dispozitivelor bluetooth și wireless. Nici măcar banalele căști nu sunt permise.
Acum, pentru că sursa semnalelor peryton a fost elucidată, rămâne o singură problemă de rezolvat: ce se află în spatele izbucnirilor radio rapide?
Ipoteze
Să recapitulăm: izbucnirile radio rapide au o durată de ordinul milisecundelor, sursa lor se află la distanțe cosmologice şi eliberează o cantitate uriașă de energie, uneori apropiată cu cea eliberată de Soare pe parcursul a mii de ani (subliniez: eliberarea durează numai câteva milisecunde). Ce fenomen ar putea produce asemenea manifestări extreme? Răspunsul sincer: nu știm, nu cunoaștem mecanisme care să genereze aceste izbucniri radio rapide. Dar avem câteva ipoteze.
Durata scurtă a izbucnirilor ne sugerează existența unor fenomene catastrofice. Am putea să ne imaginăm că ele sunt produse în urma fuzionării a două găuri negre sau a două stele neutronice.
O altă explicație implică o nouă categorie de stele: blitzar-ele. Ea a fost propusă de către Heino Falcke, cercetător la Universitatea Radboud din Nijmegen, Olanda, și Luciano Rezzolla, cercetător la Institutul Max Planck pentru Fizica Gravitației, Germania. Cei doi au publicat în revista Astronomy&Astropysics din februarie 2014 articolul intitulat ”Fast radio bursts: the last sign of supramassive neutron stars” (Izbucniri radio rapide: ultimul semn al stelelor neutronice supermasive).
Imaginați-vă o stea masivă care moare. Nucleul ei colapsează și se produce o explozie a stelei, o supernovă. Nu intru acum în detalii asupra fenomenelor care se produc în timpul acestui tip de supernovă. Pentru noi este important de știut că în urma stelei inițiale va rămâne un cadavru stelar, o stea neutronică. Dacă masa acesteia este mai mare decât 1,4 mase solare, atunci steaua neutronică va colapsa în continuare, transformându-se într-o gaură neagră.
Conform ipotezei lui Falcke și Rezzolla există posibilitatea ca stelele neutronice proaspăt formate să nu mai colapseze în găuri negre, chiar dacă depășesc limita de 1,4 mase solare, dacă ele se rotesc foarte rapid. Acest tip ipotetic de stea este numit blitzar de către cei doi cercetători. Forța centrifugă va fi suficient de mare pentru a opri colapsul stelei neutronice, care se va comporta ca un pulsar. Datorită câmpului său magnetic foarte intens pulsarul va emite radiații electromagnetice și treptat își va micșora viteza de rotație.
La un moment dat aceasta scade suficient de mult, astfel încât gravitația stelei neutronice nu va mai putea fi ținută în frâu de către forța centrifugă și va colapsa într-o gaură neagră. Acesta este sfârșitul blitzar-ului. Un moment în care câmpul său magnetic extrem de intens se decuplează de sursa sa (steaua neutronică), iar asta duce la emisia unui puls radio de foarte mare energie, pe care Luciano Rezzolla, în comunicatul Universității Radboud îl compara foarte plastic cu ”un mesaj de adio al unei stele neutronice și în același timp strigătul unei nou-născute găuri negre”. Simulările numerice au arătat că ”blitz-ul radio” are caracteristici foarte apropiate de cel al unei izbucniri radio rapide.
Să tragem un pic de de aer în piept și să sărbătorim. Enigma este rezolvată! Numai că… vedeți, există un ”numai că”…
Numai că… în luna martie 2016 cercetătorii de la radiotelescopul Arecibo au anunțat că au identificat 10 izbucniri radio rapide multiple care proveneau de la o sursă extrem de puternică. Uneori repetarea se producea la intervale de ordinul minutelor. Articolul lor, ”A repeating fast radio burst” (Izbucniri radio cu repetiție), publicat în ediția din 10 martie a revistei Nature, contrazicea ipoteza blitzar-elor. Nu se pot imagina colapsări repetate ale unei stea neutronice într-o gaură neagră… Trebuie să găsim o nouă explicație, să construim o nouă ipoteză.
Emily Petroff, cea care a identificat sursa semnalelor false, semnale peryton, la radiotelescopul Parkes, crede că avem de-a face cu obiecte din categoria stelelor neutronice, ele ar fi singurele care pot supraviețui unu flash radio foarte intens. De altfel se observă destul de des izbucniri produse de stele neutronice, dar ele nu ating nici pe departe nivelul de energie măsurat pentru izbucnirile radio rapide.
Vedeți, misterul rămâne netulburat. Și să vă mai spun ceva. Deși până acum au fost înregistrate doar 17 izbucniri radio rapide, estimările arată că în fiecare zi se produc 10.000. De ce le vedem atât de rar? Aici nu avem de-a face cu vreun mister. Câmpul de vedere al unui radiotelescop este foarte mic, el nu poate ”supraveghea” decât mici porțiuni din cer.
Cum s-ar putea dezlega misterul izbucnirilor radio rapide? Știți și dumneavoastră, rostul oamenilor de ștință este acela de a dezlega mistere.
Planuri de viitor
Un lucru este sigur, pentru a putea elucida misterul izbucnirilor radio rapide avem nevoie de cât mai multe observații confirmate. Cel mai bine ar fi ca observațiile radio să fie dublate de unele în alte domenii ale undelor electromagnetice (de exemplu, în infraroșu, vizibil, ultraviolet etc.).
Pentru aceasta este nevoie de o modernizare a sistemelor de calcul cu care sunt echipate radiotelescoapele, astfel încât detectarea izbucnirilor radio rapide să se facă automat și, simultan, să fie comunicate în timp real datele obținute către alte observatoare din lume. Un asemenea sistem este deja instalat la radiotelescopul australian Parkes. Dar nici așa lucururile nu sunt tocmai simple.
În 25 februarie 2016 în revista Nature era publicat articolul ”The host galaxy of a fast radio burst” (O galaxie gazdă pentru o izbucnire radio rapidă), care era o primă confirmare a utilității strategiei descrise mai devreme. Pe scurt, lucrurile s-au desfășurat cam așa. Pe 18 aprilie 2015, radiotelescopul Parkes a detectat o izbucnire radio rapidă, cu durata de o milisecundă.
Sursa nu a putut fi localizată cu suficientă precizie, din cauza rezoluției scăzute a radiotelescopului, dar, imediat a fost transmisă o alertă către alte radiotelescoape. La două ore după semnalul inițial o rețea de radiotelescoape din Australia (Australia Telescope Compact Array) a identificat ceea ce părea urma semnalului inițial în aceeași zonă de cer. Coordonatele fiind mai bune, ele au fost transmise către telescopul Subaru, cu oglinda de 8,2 m, de pe muntele Mauna Kea Hawaii. Astfel s-a putut stabili că sursa izbucnirii radio rapide se află într-o mică galaxie eliptică aflată la 6 miliarde de ani lumină de noi.
În articolul din Nature se dădea ciocnirea a două stele neutronice, drept candidat principal pentru sursa izbucnirii radio rapide detectată în 18 aprilie 2015. Din păcate lucurile nu sunt chiar clare, iar articolul din Nature a fost puternic contestat, iar autorii lui au fost acuzați, se pare, pe bună dreptate, că s-au grăbit să își publice rezultatele.
Chiar și așa, ideea de a detecta în timp real izbucnirile radio rapide și a transmite avertizări către alte observatoare este una excelentă și în prezent la mai multe radiotelescoape se implementează sisteme similare celor de la radiotelescopul Parkes.
O altă cale pentru observarea izbucnirilor radio rapide ar fi utilizarea unor rețele de radiotelescoape, cum ar fi Karl G. Jansky Very Large Array din New Mexico, SUA. Această rețea este alcătuită din 27 de radiotelescoape. Astfel s-ar putea obține cu foarte mare poziția sursei semnalului. Dar rezoluția mare implică și o puternică limitare a porțiunii de cer supravegheate la un anumit moment.
De acea se are în vedere și utilizarea unui radiotelescop care poate acoperi o suprafață mai mare de cer. Acesta se află în construcție în Columbia Britanică și poartă numele CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment). Obiectivul său principal de studiu este Universul timpuriu, dar are capacitatea de a ”vedea” suprafețe mari de cer și se speră ca va putea identifica zilnic zeci de izbucniri radio rapide.
Concluzie
Avem un mister, încă, nedezlegat. Despre el știm un singur lucru cu certitudine. În spatele său se află un fenomen astrofizic extrem, care încă nu a fost prins în teoriile științei. Acum este vremea ipotezelor îndrăznețe, este vremea căutării răspunsurilor, o adevărată aventură pentru inteligența umană.
