Od roku 2007 astronómovia zaznamenali asi 20 záhadných rádiových impulzov zďaleka mimo našu Galaxiu. Publicista BBC Earth sa rozhodol zistiť o tomto fenoméne viac.
Vo vesmíre nie je núdza o čudné a nie úplne pochopené javy - od čiernych dier až po neobvyklé planéty. Vedci sa majú nad čím hádať.
Jedna záhada v poslednej dobe však obzvlášť znepokojovala astronómov - záhadné výbuchy rádiovej emisie vo vesmíre, známe ako rýchle rádiové impulzy.
Trvajú iba pár milisekúnd, ale uvoľňujú zhruba miliónkrát viac energie, ako vyprodukuje Slnko za rovnaké časové obdobie.
Od objavu prvého takého impulzu v roku 2007 sa astronómom podarilo zaregistrovať menej ako 20 takýchto prípadov - všetky ich zdroje sa nachádzali mimo našu Galaxiu a boli rovnomerne rozložené po oblohe.
Teleskopy však majú tendenciu pozorovať malé časti oblohy kedykoľvek.
Ak získané údaje extrapolujeme na celú oblohu, potom, ako predpokladajú astronómovia, môže počet takýchto rádiových impulzov dosiahnuť 10 tisíc za deň.
A nikto nevie dôvod tohto javu.
Propagačné video:
Astronómovia majú samozrejme veľa možných vysvetlení, z ktorých niektoré znejú veľmi exoticky: zrážky neutrónových hviezd, výbuchy čiernych dier, zlomy kozmických reťazcov a dokonca aj výsledky činnosti mimozemskej inteligencie.
„V súčasnosti existuje viac teórií, ktoré sa snažia vysvetliť podstatu rýchlych rádiových impulzov, ako je v skutočnosti.“Hovorí Duncan Lorimer, výskumník z Americkej univerzity v Západnej Virgínii a vedúci výskumného tímu, ktorý objavil prvý rýchly rádiový pulz (nazývaný tiež Lorimerov pulz). „Toto je úrodná pôda pre teoretikov.“
Ale aj keď sa vysvetlenie podstaty rýchlych rádiových impulzov ukáže ako oveľa bežnejšie, môže to byť pre vedu veľkým prínosom.
Nepochybne spôsobia revolúciu v našom chápaní vesmíru.
Tieto rádiové signály sú ako laserové lúče, ktoré prenikajú do vesmíru a stretávajú sa s magnetickými poľami, plazmou a inými vesmírnymi javmi v ich dráhe.
Inými slovami, cestou zachytávajú informácie o medzigalaktickom vesmíre a môžu predstavovať jedinečný nástroj na skúmanie vesmíru.
„Nepochybne spôsobia revolúciu v našom chápaní vesmíru, pretože sa pomocou nich dajú robiť veľmi presné merania,“hovorí astrofyzik Peng Wee-Li z University of Toronto.
Než sa tak ale stane, musia vedci lepšie pochopiť podstatu rýchlych rádiových impulzov.
Astronómovia dosiahli v tejto oblasti za posledných pár mesiacov sľubný pokrok.
Prvá vec, ktorá Lorimera na pulze, ktorý objavil, udrela, bola jeho intenzita.
Lorimer a jeho kolegovia preskúmali archívne súbory údajov zhromaždené pomocou rádiového ďalekohľadu Parks v Austrálii. Hľadali rádiové impulzy, napríklad také, ktoré vyžarovali rýchlo rotujúce neutrónové hviezdy, takzvané pulzary.
Tú noc som bol taký nadšený, že som nemohol spať
Matthew Bales, astronóm
Tieto hviezdy, každá s priemerom veľkého mesta, majú hustotu atómového jadra a môžu sa otáčať rýchlosťou viac ako 1 000 otáčok za sekundu.
Zároveň vyžarujú úzko nasmerované prúdy rádiovej emisie, v súvislosti s ktorými sa im hovorí aj vesmírne majáky.
Rádiové signály vysielané pulzarmi vyzerajú pre pozorovateľa zo Zeme ako pulzácie.
Ale signál zistený Lorimerovým tímom bol veľmi zvláštny.
"Bolo to také intenzívne, že to ohromilo elektronické súčasti ďalekohľadu," pripomína Lorimer. „Pre rádiový zdroj je to mimoriadne neobvyklé.“
Pulz trval asi 5 milisekúnd, potom klesla jeho intenzita.
"Pamätám si, ako som prvýkrát videl diagram hybnosti," uviedol člen tímu Lorimer Matthew Bales, astronóm na Swinburne University of Technology, Austrália. „Tú noc som bol tak nadšený, že som nemohol spať.“
Asi päť rokov po objavení Lorimerovho impulzu zostala nevysvetliteľnou anomáliou.
Niektorí vedci sa domnievali, že išlo iba o inštrumentálne rušenie. A v štúdii zverejnenej v roku 2015 sa hovorí, že impulzy s podobnými parametrami sa zaznamenávajú počas prevádzky mikrovĺn inštalovaných v ekonomickej časti Observatória parkov.
Ich zdroje sú mimo našu Galaxiu, možno miliardy svetelných rokov od Zeme.
Od roku 2012 však astronómovia pracujúci s inými ďalekohľadmi zaznamenali ešte niekoľko podobných rádiových impulzov, čím potvrdili, že signály skutočne pochádzajú z vesmíru.
A nielen z vesmíru - ich zdroje sú mimo našu Galaxiu, možno miliardy svetelných rokov od Zeme. Tento predpoklad bol urobený na základe meraní javu známeho ako efekt disperzie.
Počas svojej cesty vesmírom rádiové vlny interagujú s elektrónmi plazmy, ktoré stretávajú na svojej ceste. Táto interakcia spôsobuje spomalenie šírenia vĺn v závislosti od frekvencie rádiového signálu.
Vysokofrekvenčné rádiové vlny prichádzajú k pozorovateľovi o niečo rýchlejšie ako nižšie frekvencie.
Meraním rozdielu v týchto hodnotách môžu astronómovia vypočítať, koľko plazmy musel signál prejsť na cestu k pozorovateľovi, čo im poskytne približnú predstavu o vzdialenosti zdroja rádiových impulzov.
Rádiové vlny prichádzajúce k nám z iných galaxií nie sú žiadnou novinkou. Je to len tak, že pred objavením rýchlych rádiových impulzov vedci nepozorovali signály takej vysokej intenzity.
Existencia signálu, ktorého intenzita je miliónkrát vyššia ako čokoľvek predtým zistené, vzrušuje predstavivosť
Takže kvasary - aktívne galaktické jadrá, vo vnútri ktorých, ako sa vedci domnievajú, sú masívne čierne hviezdy, vyžarujú obrovské množstvo energie vrátane rádiofrekvenčného dosahu.
Ale kvasary nachádzajúce sa v iných galaxiách sú tak ďaleko od nás, že rádiové signály prijaté od nich sú extrémne slabé.
Ľahko by sa mohli prehlušiť aj rádiovým signálom z mobilného telefónu umiestneného na povrchu Mesiaca, poznamenáva Bailes.
Rýchle rádiové impulzy sú ďalšou vecou. "Existencia signálu, ktorý je miliónkrát silnejší ako čokoľvek predtým zistené, je vzrušujúca," hovorí Bales.
Najmä vzhľadom na skutočnosť, že rýchle rádiové impulzy môžu naznačovať nové, nepreskúmané fyzikálne javy.
Jedno z nejednoznačných vysvetlení ich pôvodu súvisí s takzvanými kozmickými reťazcami - hypotetickými jednorozmernými záhybmi časopriestoru, ktoré sa môžu natiahnuť minimálne na desiatky parsekov.
Niektoré z týchto reťazcov môžu byť supravodivé a môže nimi pretekať elektrický prúd.
Podľa hypotézy navrhnutej v roku 2014 sa kozmické reťazce niekedy zlomia, čo má za následok výbuch elektromagnetického žiarenia.
Alebo, hovorí Penh, vysvetlením týchto výbuchov môžu byť výbuchy čiernych dier.
Gravitačné pole čiernej diery je také masívne, že ani svetlo do nej vstupujúce nie je schopné uniknúť späť.
Ak predpokladáme, že v ranom štádiu vývoja vesmíru sa v ňom vytvorili malé čierne diery, potom sa môžu len odpariť
Avšak v 70. rokoch. slávny britský teoretický fyzik Stephen Hawking navrhol, že energia sa môže odparovať z povrchu starnúcich čiernych dier.
Ak predpokladáme, že v ranom štádiu vývoja vesmíru v ňom vznikli malé čierne diery, potom sa môžu len odpariť a nakoniec explodovať, čo vedie k okamžitej emisii rádiovej emisie.
Vo februári 2016 astronómovia oznámili, že mohli dosiahnuť prielom vo výskume.
Tím vedcov pod vedením Evana Keehana pracujúcich v sídle rádiového interferometra Square Kilometer Array v Britskom astrofyzikálnom centre Jodrell Bank analyzoval parametre jedného rýchleho rádiového impulzu zaznamenaného v apríli 2015.
Podľa záverov astronómov sa zdroj rádiového impulzu nachádzal v galaxii vzdialenej 6 miliárd svetelných rokov od nás a pozostávajúcej zo starých hviezd.
V tomto prípade parametre pozorovaného rádiového impulzu naznačovali pravdepodobnosť najmenej jedného scenára: zrážky spárovaných neutrónových hviezd
Vedcom sa po prvý raz podarilo určiť polohu zdroja rádiových emisií s presnosťou galaxie, ktorá bola vo vedeckej komunite vnímaná ako mimoriadne dôležitý objav.
„Identifikácia galaxie, ktorá obsahuje zdroj rýchleho rádiového impulzu, je súčasťou skladačky,“hovorí Bailes, ktorý pracoval aj na Keehanovom tíme. „Ak dokážeme určiť galaxiu, môžeme zistiť, ako ďaleko od nás je zdroj.“
Potom môžete presne zmerať množstvo energie impulzu a začať vyraďovať najnepravdepodobnejšie teórie týkajúce sa jeho pôvodu.
V tomto prípade parametre pozorovaného rádiového impulzu naznačovali pravdepodobnosť minimálne jedného scenára: zrážok párových neutrónových hviezd otáčajúcich sa okolo seba.
Zdalo sa, že záhada povahy rýchlych rádiových impulzov je takmer vyriešená. "Bol som veľmi nadšený z výsledkov tejto štúdie," hovorí Lorimer.
Len o pár týždňov neskôr však vedci Edo Berger a Peter Williams z Harvardovej univerzity túto teóriu spochybnili.
Závery Keehanovho tímu boli založené na pozorovaní javu, ktoré vedci interpretovali ako útlm rádiového signálu po skončení rýchleho rádiového impulzu.
Zdroj slabnúceho signálu bol spoľahlivo umiestnený v galaxii vzdialenej 6 miliárd svetelných rokov od Zeme a vedci sa domnievali, že odtiaľ pochádzal rýchly rádiový pulz.
Podľa Bergera a Williamsa však to, čo si Kian vzal za zvyškový - slabnúci - rádiový signál, nemalo nič spoločné s rýchlym rádiovým impulzom.
Opatrne analyzovali vlastnosti zvyškového signálu nasmerovaním amerického rádioteleskopu Very Large Array na vzdialenú galaxiu.
Zrážky neutrónových hviezd sa vyskytujú o niekoľko rádov menej často ako pravdepodobná frekvencia rýchlych rádiových impulzov, takže všetky registrované prípady nemožno vysvetliť iba týmto javom.
Zistilo sa, že hovoríme o samostatnom jave spôsobenom kolísaním jasu samotnej galaxie vďaka skutočnosti, že v jej strede je supermasívna čierna diera, absorbujúca kozmické plyny a prach.
Inými slovami, blikajúca galaxia nebola miestom, z ktorého bol vyžarovaný rýchly rádiový pulz. Je to tak, že sa to stalo v zornom poli ďalekohľadu - buď za skutočným zdrojom, alebo pred ním.
A ak rádiový pulz nebol vyslaný z tejto galaxie, potom to asi nebolo spôsobené zrážkou dvoch neutrónových hviezd.
Neutrónový scenár má ešte jednu slabú stránku. „Frekvencia vyžarovania rýchlych rádiových impulzov je oveľa vyššia ako frekvencia žiarenia očakávaného od zrážok neutrónových hviezd,“hovorí Maxim Lyutikov z americkej univerzity Purdue.
Navyše ku kolíziám neutrónových hviezd dochádza o niekoľko rádov menej často, ako je pravdepodobná frekvencia rýchlych rádiových impulzov, takže všetky registrované prípady nemožno vysvetliť iba týmto javom.
A čoskoro nové vedecké dôkazy pravdepodobnosť takéhoto vysvetlenia ešte viac znížili.
V marci 2016 oznámila skupina astronómov ohromujúci objav. Študovali rádiový pulz zaznamenaný v roku 2014 observatóriom Arecibo v Portoriku. Ukázalo sa, že nešlo o jednu udalosť - impulz sa opakoval 11-krát počas 16 dní.
"Toto bol najväčší objav od prvého rýchleho rádiového výbuchu," hovorí Penh. „Končí sa tým obrovské množstvo doteraz navrhovaných hypotéz.“
Všetky predtým zaznamenané rýchle rádiové impulzy boli jednoduché - opakovania signálov z rovnakého sektoru oblohy sa nezaznamenali.
Vedci preto predpokladali, že môžu byť dôsledkom kozmických katakliziem, ku ktorým dôjde v každom prípade iba raz - napríklad výbuchom čiernych dier alebo zrážkam neutrónových hviezd.
Ale takáto teória nevysvetľuje možnosť (v niektorých prípadoch) opakovania rádiových impulzov v rýchlom slede. Nech už je príčina takejto série impulzov akákoľvek, musia sa určitý čas udržiavať podmienky ich výskytu.
Táto okolnosť významne zužuje zoznam možných hypotéz.
Jeden z nich, ktorý skúma Buttercup, hovorí, že mladé pulzary - neutrónové hviezdy rotujúce rýchlosťou až jednej otáčky za milisekundu - môžu byť zdrojom rýchlych rádiových impulzov.
Buttercup nazýva také predmety pulzarmi na steroidoch.
V priebehu času sa rotácia pulzarov spomaľuje a časť rotačnej energie môže byť vyvrhovaná do vesmíru vo forme rádiovej emisie.
Nie je úplne jasné, ako presne môžu pulzary emitovať rýchle rádiové impulzy, ale je známe, že sú schopné vysielať krátke impulzy rádiových vĺn.
Takže pulzar nachádzajúci sa v Krabí hmlovine je údajne asi 1000 rokov starý. Je pomerne mladý a je jedným z najsilnejších pulzarov, aké poznáme.
Čím je pulzar mladší, tým rýchlejšie sa otáča a má viac energie. Maslák nazýva také objekty „pulzary na báze steroidov“.
A hoci pulzar v Krabí hmlovine teraz nemá dostatok energie na vyžarovanie rýchlych rádiových impulzov, je možné, že by to mohol urobiť hneď po jeho objavení.
Ďalšia hypotéza hovorí, že zdrojom energie pre rýchle rádiové impulzy nie je rotácia neutrónovej hviezdy, ale jej magnetické pole, ktoré môže byť tisíc biliónkrát silnejšie ako zemské.
Neutrónové hviezdy s extrémne silnými magnetickými poľami, takzvané magnetary, môžu emitovať rýchle rádiové impulzy podobným procesom, ktorý vedie k slnečným erupciám.
Vo vesmíre je veľa magnetarov
Pri otáčaní magnetaru magnetické polia v jeho koróne - tenkej vonkajšej vrstve atmosféry - menia konfiguráciu a sú nestabilné.
V určitom okamihu sa riadky týchto polí správajú, akoby ste klikli na bič. Uvoľňuje sa prúd energie, ktorý urýchľuje nabité častice, ktoré emitujú rádiové impulzy.
"Vo vesmíre je veľa magnetarov," hovorí Bales. „Sú nestabilné, čo pravdepodobne vysvetľuje výskyt rýchlych rádiových impulzov.“
Hypotézy týkajúce sa neutrónových hviezd sú konzervatívnejšie a založené na relatívne dobre preskúmaných javoch, preto sa zdajú pravdepodobnejšie.
„Všetky hypotézy o výskyte rýchlych rádiových impulzov, ktoré považujem za vážne, a o ktorých vážne diskutujem so svojimi kolegami, súvisia s neutrónovými hviezdami,“hovorí Bales.
Pripúšťa však, že tento prístup môže byť trochu jednostranný. Mnoho astronómov, ktorí študujú rýchle rádiové impulzy, študuje aj neutrónové hviezdy, takže ich tendencia pozerať sa na prvé cez prizmu druhej je pochopiteľná.
Je možné, že máme do činenia s nepreskúmanými aspektmi fyziky
Existuje aj viac netradičných vysvetlení. Napríklad množstvo vedcov tvrdilo, že rýchle rádiové impulzy vznikajú v dôsledku zrážok pulzarov s asteroidmi.
Je možné, že je pravdivých niekoľko hypotéz naraz a každá z nich vysvetľuje určitý prípad výskytu rýchlych rádiových impulzov.
Je možné, že niektoré impulzy sa opakujú, zatiaľ čo iné nie, čo úplne nevylučuje hypotézu o zrážkach neutrónových hviezd a ďalších kataklizmách kozmického rozsahu.
"Môže sa ukázať, že odpoveď je veľmi jednoduchá," hovorí Lyutikov. „Môže sa však tiež stať, že máme do činenia s neprebádanými aspektmi fyziky, s novými astrofyzikálnymi javmi.“
Bez ohľadu na to, aké rýchle rádiové impulzy sa v skutočnosti ukážu, môžu byť pre vesmírnu vedu veľkým prínosom.
Mohli by sa napríklad použiť na meranie objemu hmoty vo vesmíre.
Ako už bolo spomenuté, rádiové vlny sa na svojej ceste stretávajú s intergalaktickou plazmou, čo spomaľuje ich rýchlosť v závislosti od frekvencie vlny.
Okrem toho, že je možné zmerať vzdialenosť k zdroju signálu, rozdiel vo vlnovej rýchlosti poskytuje aj predstavu o tom, koľko elektrónov je medzi našou galaxiou a zdrojom žiarenia.
„Rádiové vlny sú kódované informáciami o elektrónoch, ktoré tvoria vesmír,“hovorí Bailes.
Predtým sa vedci venovali tejto téme hlavne vo svojom voľnom čase od základného výskumu.
To dáva vedcom príležitosť zhruba odhadnúť množstvo obyčajnej hmoty vo vesmíre, čo im v budúcnosti pomôže pri výpočte modelov pre vznik vesmíru.
Jedinečnosť rýchlych rádiových impulzov spočíva v tom, že sú to akési kozmické laserové lúče, hovorí Penh.
Prebodávajú priestor konkrétnym smerom a sú dostatočne intenzívne, aby poskytli vynikajúcu presnosť merania.
„Toto je najpresnejší nástroj na meranie, ktorý máme k dispozícii na štúdium vzdialených objektov v priamej viditeľnosti,“vysvetľuje.
Podľa neho teda rýchle rádiové impulzy môžu vypovedať o štruktúre plazmy a magnetických polí v blízkosti zdroja žiarenia.
Pri prechode plazmy môžu blikať rádiové impulzy, rovnako ako pri pohľade cez zemskú atmosféru blikajú hviezdy.
Meranie charakteristík tejto scintilácie umožní astronómom merať rozmery plazmatických oblastí s presnosťou na niekoľko stoviek kilometrov. Kvôli vysokému vedeckému potenciálu a v neposlednom rade kvôli nevysvetliteľnosti tohto javu sa za posledných pár rokov výrazne zvýšil záujem vedcov o rýchle rádiové impulzy.
„Predtým sa vedci venovali tejto téme predovšetkým vo svojom voľnom čase od základného výskumu,“poznamenáva Lorimer.
Teraz astronómovia intenzívne hľadajú rýchle rádiové impulzy v zatiaľ nepreskúmaných oblastiach oblohy a pokračujú v pozorovaní sektorov oblohy, kde už boli tieto javy zaznamenané - v nádeji, že ich zaregistrujú.
Zároveň sa využívajú sily ďalekohľadov po celom svete, pretože pri pozorovaní jedného impulzu z viacerých observatórií sa významne zvyšuje pravdepodobnosť presnejšieho výpočtu súradníc zdroja.
Takže v najbližších niekoľkých rokoch budú môcť rádioteleskopy ako Canadian CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment alebo Canadian Hydrogen Intensive Mapping Experiment) pozorovať rozsiahle oblasti oblohy a registrovať stovky rýchlych rádiových impulzov.
Čím viac údajov sa zhromaždí, tým zrozumiteľnejším bude jav rýchlych rádiových impulzov. Možno niekedy bude ich tajomstvo odhalené.