Radio Kosmos nadaje

Radio Kosmos nadaje
Odkrycia trudnych do wyjaśnienia sygnałów radiowych, rozbłysków oraz innego rodzaju anomalii to ostatnio stały punkt „newsów” astronomicznych. Coraz częściej mówi się o kosmosie, że wcale nie jest to pustka i cisza, ale przestrzeń niemal tętniąca zgiełkiem. W dodatku często niełatwym do identyfikacji.

W lipcu 2006 r. NASA wypuściła w przestrzeń kosmiczną balon stratosferyczny wyposażony w niezwykle czuły przyrząd radiowy. Wysłany w ramach programu Absolute Radiometer for Cosmology, Astrophysics, and Diffuse Emission (w skrócie ARCADE) uniósł się na wysokość ponad 36 km i znalazł się w strefie, w której atmosfera Ziemi przechodzi w próżnię Wszechświata. Jego głównym zadaniem był pomiar mikrofalowego promieniowania tła emitowanego przez najstarsze generacje gwiazd, które narodziły się przed 13 miliardami lat. Zamiast cichego reliktowego szumu najstarszych galaktyk, sprzęt ARCADE zarejestrował tajemniczy hałas, nad pochodzeniem którego badacze nie przestają się głowić.

Grzmiący huk dochodzący z kosmosu był sześć razy silniejszy niż słaby sygnał, jakiego oczekiwali badacze. Szukając potencjalnych źródeł kakofonii, naukowcy wykluczyć musieli stare gwiazdy oraz inne znane źródła fal radiowych, a także tzw. halo znajdujące się na zewnętrznej powłoce naszej Drogi Mlecznej. Zdaniem astronomów w naszym Wszechświecie nie ma wystarczająco dużej liczby galaktyk radiowych, które byłyby w stanie wytwarzać tak silne sygnały, jakie zarejestrowała sonda ARCADE.

Donosząc o tego rodzaju niewytłumaczalnych detekcjach, łatwo popaść w tanią sensację i przesadę. Faktem jednak niezaprzeczalnym jest, że przestrzeń kosmiczna pulsuje rozmaitymi sygnałami o nieznanym pochodzeniu.

Zastanawiające radiowe rozbłyski

Do naszych radioteleskopów i innych urządzeń odbiorczych dociera sporo sygnałów, których natury i pochodzenia nie potrafimy zidentyfikować. Najbardziej intrygujące są te z nich, które mają regularne, powtarzające się charakterystyki.

Balon ARCADE - wizualizacja
Balon ARCADE - wizualizacja

Jeszcze dekadę temu z tajemniczych zjawisk tego typu wiadomo było głównie o słynnym Wow! z 1977 r., wykrytym przez radioteleskop Big Ear w Delaware (Ohio). Nawiasem mówiąc, chyba wreszcie udało się rozwiązać zagadkę jego pochodzenia. Na początku czerwca 2017 r. zespół badaczy z Center of Planetary Science (CPS) podał, że źródłem sygnału była kometa - nieznana jeszcze w momencie zarejestrowania sygnału. Naukowcy poinformowali, że sygnał radiowy emitowany przez kometę 266/P Christensen pasuje do sygnału Wow! sprzed czterdziestu lat. Główny autor badań, Antonio Paris, opisał odkrycie w artykule opublikowanym w „Journal of the Washington Academy of Sciences”.

Nawet jeśli wiedzielibyśmy już z całą pewnością, co odpowiada Wow!, to nie brakuje innych nie mniej dziwnych sygnałów. Przeróżnych szmerów, radiowych trzasków itp. rejestrujemy dziś na pęczki. Ma to oczywiście związek ze zwiększeniem liczby i czułości naszych systemów odbiorczych. Ważny jest też postęp w identyfikacji sygnałów. Gdy wiedzieliśmy mniej, paradoksalnie łatwiej było rozpisać tajemnicze zjawiska ogólnie na „aktywność kosmosu”. Teraz, kiedy znamy dokładniej charakterystyki wielu typów zjawisk we Wszechświecie, można precyzyjniej wyłapywać te nie dające się zidentyfikować.

Jedną z najbardziej frapujących zagadek były w ostatniej dekadzie fast radio bursts (FRB) - pozagalaktyczne krótkie sygnały radiowe. Po raz pierwszy sygnał FRB odkryto w 2007 r., w trakcie analizy archiwalnych danych obserwacyjnych, dokonanej przez zespół pod kierownictwem Duncana R. Lorimera. Najpopularniejsze hipotezy, powstałe przez lata od pierwszej detekcji, zakładają, że źródłami FRB mogą być bardzo gęste obiekty, takie jak czarne dziury czy gwiazdy neutronowe. Innym możliwym źródłem pochodzenia są także blitzary, hipotetycznie istniejące odmiany gwiazd neutronowych.

„Nature” z 2 marca 2016 r. w raporcie zespołu uczonych, skupionych w Radioastronomicznym Instytucie Maxa Plancka w Bonn, donosiło o odkryciu innego rodzaju rozbłysków radiowych, które charakteryzują się powtarzalną aktywnością. Był to więc też rozbłysk typu FRB, ale podwójny - po pierwszym niemal natychmiast następuje drugi, a dzieli je czas kilku tysięcznych sekundy. Te podwójne rozbłyski różnią się od poprzednich także jasnością i widmem. Wiadomo też, że raczej nie są efektem wybuchów gwiazd supernowych, ponieważ wybuchy te stanowią zdarzenia jednorazowe, niepowtarzalne.

Naukowcy wciąż nie potrafią więc powiedzieć ze stuprocentową pewnością, co jest źródłem FRB - i tych klasycznych, i tych nowszych, powtarzalnych. Na pewno coś nagłego, być może jakaś katastrofa, której towarzyszy emisja ogromnej energii. Przypuszcza się jedynie, że podobnie nagłych i silnych rozbłysków radiowych jest znacznie więcej niż tych, które udało się zarejestrować. Być może na całym niebie dochodzi aż do 10 tys. FRB dziennie, spośród których my wyławiamy jedynie nieliczne. Trzeba je dokładniej zbadać, najlepiej jednocześnie metodami radioastronomii i teleskopami optycznymi. Poważni uczeni wykluczają, że ich źródłem są obce cywilizacje. Jednak mamy i inne sygnały, jeszcze bardziej zastanawiające.

A imię jego 187,5

Charakterystyka pierwszego z „sygnałów Lorimera” wyraźnie sugeruje, że przybył on spoza naszej Galaktyki - musiał przejść przez znaczne skupiska elektronów, więc pochodzi ze znacznej odległości, ale nie większej niż jeden gigaparsek; i to z bardzo silnego źródła. Z kierunku, z którego nadszedł, nie odkryto żadnych dodatkowych sygnałów w ciągu następnych 90 godzin obserwacji, co wskazuje, że zrodził się z pojedynczego zjawiska, takiego jak wybuch supernowej czy też zderzenie się lub połączenie obiektów relatywistycznych (gwiazd neutronowych).

W 2012 r. Obserwatorium Arecibo zarejestrowało z kierunku gwiazdozbioru Woźnicy sygnał FRB 121102, który także sklasyfikowano jako mający pochodzenie pozagalaktyczne, na co wskazuje efekt dyspersji plazmowej. W 2013 r. w Parkes Observatory w Australii zidentyfikowano następne cztery sygnały, określone jako najprawdopodobniej pozagalaktyczne. Wskazują na to przeprowadzone przez naukowców pomiary dyspersji fali.

Wizualizacja FRB
Wizualizacja FRB

Jak podał w wydaniu z marca 2015 r. magazyn „NewScientist”, dwóch uczonych, Michael Hippke z niemieckiego Instytutu Analizy Danych w Neukirchen-Vluyn oraz John Learned z Uniwersytetu Manoa na Hawajach, uważa, iż pomiary dyspersji sygnałów wykazują określoną regularność - rozpiętości pomiędzy pierwszą a ostatnią długością fali są mianowicie wielokrotnościami liczby 187,5. Jak wyliczono, szansa na to, by te wartości przypadkowo ułożyły się w ten sposób, wynosi jak pięć do 10 tys.

Oznaczałoby to rozłożenie źródeł sygnałów na przestrzeni miliardów kilometrów w regularnych odstępach od Ziemi lub też - i taką hipotezę naukowcy uważają za bardziej prawdopodobną, że pochodzą one z miejsc znajdujących się w Drodze Mlecznej, emitujących w sposób naturalny sygnał o wyższej częstotliwości po sygnale o częstotliwości niższej, w odstępach będących wielokrotnościami 187,5.

Jednym ze źródeł powtarzających się sygnałów radiowych są pulsary, ale nie znamy przypadków ich regularnego pulsowania w bardziej złożonych i skoordynowanych układach oraz wysyłania przez nie sygnałów o tak wielkiej mocy (energie FRB porównuje się do miesięcznej „pracy” Słońca). Hippke i Learned dopuszczają, jako „możliwość, której nie da się wykluczyć”, że sygnały pochodzą ze sztucznego źródła „ludzkiego lub pozaludzkiego.” Ta ostatnia ewentualność roznieca wyobraźnię, ale wielu co bardziej sceptycznych i trzeźwych uczonych zwraca uwagę, że gdyby ktoś chciał przesyłać sygnały coś znaczące, to akurat FRB są niezwykle kosztownym energetycznie sposobem, zwłaszcza jeśli pochodzą spoza Drogi Mlecznej.

Rozkład sygnałów FRB o wielokrotności 187,5
Rozkład sygnałów FRB o wielokrotności 187,5

Zdaniem cytowanej przez „NewScientist” Maury McLaughlin z Uniwersytetu Zachodniej Wirginii, dysponujemy w rzeczywistości niewielką statystycznie próbką sygnałów FRB. A co jeśli przy większej liczbie danych z obserwacji regularność 187,5 zniknie? - pytają sceptyczni badacze.

Warto dodać, iż istnieją też sugestie, że FRB mogą mieć jednak pochodzenie ziemskie - są generowane przez szpiegowskie satelity, te oficjalnie nieistniejące… Mogłyby „udawać” sygnał z dalekiej przestrzeni kosmicznej, aby maskować swoją działalność. Nie od rzeczy będzie też pamiętać, że rozwiązania niektórych tajemnic bywają trywialne - tak jak historia „perytonów”, sygnałów podobnych pod względem charakterystyki do FRB, odbieranych od 1998 r. przez wspomniany już australijski radioteleskop Parkes. Niedawno okazało się, że pochodziły one z… kuchenki mikrofalowej w kuchni obserwatorium, gdzie astronomowie odgrzewali sobie jedzenie.

Sygnał, którego nie powinno być

W Obserwatorium Arecibo w Puerto Rico zarejestrowano powtarzające się FRB - informował w marcu 2017 r. magazyn „Science News”. Każdy z nich napotkał taką samą ilość międzygalaktycznej plazmy, co oznacza, że przebył taką samą drogę w kosmosie. Powtarzalność sygnału wyklucza kolizję rdzeni gwiazd jako przyczynę powstawania FRB. Bardziej prawdopodobnym źródłem są wybuchy radiowe z gwiazd neutronowych, takich jak pulsary czy magnetary.

Powtarzalność wybuchów radiowych to nie jedyna różnica pomiędzy najnowszymi a dawnymi FRB. Różnią się także jasnością oraz widmem. Nowo odkryte powtarzalne zjawisko sugeruje, że przynajmniej niektóre z tych radiowych pulsów mogą mieć odmienne pochodzenie, a może nawet jest to całkiem osobna podklasa. Hipoteza, że powtarzalne FRB pochodzą od bardzo młodych pozagalaktycznych gwiazd neutronowych stoi w sprzeczności z wynikami opublikowanymi w „Nature” tydzień wcześniej. Inny zespół badawczy sugerował tam, że wybuchy FRB wiążą się z kataklizmami na skalę kosmiczną, np. z krótkotrwałymi rozbłyskami gamma, które nie są w stanie generować powtarzalnych zdarzeń.

Dwa miesiące później, w maju tego roku, astronomowie uznali sygnał radiowy oznaczony jako FRB 150215 za jeden z najbardziej tajemniczych sygnałów, jakie do tej pory zarejestrowano. Biorąc pod uwagę kierunek, z którego pochodził, naukowcy stwierdzili, że nie powinien zostać w ogóle odebrany, ponieważ musiał przebyć drogę przez wyjątkowo gęsty obszar naszej galaktyki. Po raz pierwszy FRB150215 wykryli w 2015 r. badacze z Holenderskiego Instytutu Astronomii Radiowej. Pomimo tego, że spędzili dwa lata na obserwacji rozbłysku, wciąż nie wiedzą, skąd pochodzi. W artykule opublikowanym w „arXiv” napisali: „Wybuch był śledzony przez jedenaście teleskopów, w celu wyszukania promieniowania radiowego, optycznego, rentgenowskiego, gamma i neutrino. W ciągu ponad siedemnastu godzin obserwacji nie wykryto żadnej emisji związanej z wybuchem i nie zaobserwowano powtarzających się impulsów”.

Szmery o fundamentalnym znaczeniu

O tym, że identyfikacja tajemniczych sygnałów jest ważna dla nauki w sensie bardziej ogólnym i może mieć doniosłe konsekwencje świadczy odkrycie dr Esry Bülbül (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics i NASA Goddard). Badając wraz z zespołem gromadę galaktyk w Perseuszu, przy pomocy Kosmicznego Obserwatorium Chandra, natrafiła na nietypową linię w widmie promieniowania rentgenowskiego o energii 3,56 keV, co odpowiada długości fali ok. 0,35 nm.

Gromada galaktyk w Perseuszu jest otoczona chmurą gorącej plazmy z jonów przeważnie krzemu, siarki i żelaza. Emitowane stamtąd kwanty promieniowania X nie mogą pochodzić ze znanych nam przejść między stanami kwantowymi atomów tych pierwiastków. Pomiary zweryfikowano za pomocą kosmicznego teleskopu XMM-Newton przez współpracowników dr Esry Bülbül i wzmocniono dodatkowym odkryciem tej samej linii 3,56 keV w 73 innych gromadach galaktyk.

Oznaczenia neutrin
Oznaczenia neutrin

Po tych badaniach niezależna grupa astronomów kierowana przez Alexeya Boyarsky’ego z Uniwersytetu Leiden w Holandii, pracując z teleskopem XMM-Newton natrafiła na tę samą linię w Galaktyce Andromedy. Pojawiły się dziesiątki hipotez i modeli wyjaśniających źródła i przyczyny tajemniczych promieni X. Pośród wielu koncepcji pojawił się rozpad masywnego, sterylnego neutrino o energii 7 keV, jako składnika ciemnej materii w oddziaływaniu grawitacyjnym ze zwykłą materią. Fizycy wiedzą, że jeżeli istnieją masywne, sterylne neutrina jako główny składnik ciemnej materii, to model Wielkiego Wybuchu (a szczególnie jego wczesnej, bezpośrednio postinflacyjnej fazy) będzie musiał być zmieniony.

I tak oto kosmiczne szumy, trzaski i rozbłyski mogą przekształcić fundamenty naszej wiedzy o Wszechświecie i jego powstaniu. Może to być nawet bardziej frapujące niż ewentualne istnienie hałaśliwej rozgłośni radiowej Obcych, gdzieś w sąsiedniej galaktyce…