Vieni iš labai trumpų reiškinių yra greitieji radijo žybsniai. Aptikti šio amžiaus pradžioje, jie vis dar yra mįslingi reiškiniai, tačiau naujausi atradimai leidžia šį tą pasakyti apie galimą jų kilmę. Hipotezių netrūksta, nuo mažų žvaigždžių liekanų susidūrimų iki, žinoma, nežemiškos gyvybės signalų. Kviečiu šiek tiek daugiau susipažinti su tuo, ką apie juos žinome.
Iššūkis – trukmė
Trumpalaikių reiškinių paieška yra nedėkingas uždavinys astronomams. Neturėdami galimybės visą laiką stebėti visą dangų visame elektromagnetinių bangų diapazone, mokslininkai turi tenkintis laimingais atsitiktinumais.
Be to, net ir tokie riboti stebėjimai generuoja milžiniškus duomenų kiekius, kurių analizė gali užtrukti ne vienerius metus. Ypač kai kalbame apie kokio nors visai naujo reiškinio atradimą. Nes ieškoti jau žinomų reiškinių naujų pavyzdžių – tarkim, naujų kintančiųjų žvaigždžių (kitaip – kintamųjų žvaigždžių), galima ir automatiškai, pasitelkiant įvairaus sudėtingumo algoritmus. O štai atrasti kažką visiškai naujo kol kas yra labai sudėtinga.
2007 metais grupė astronomų tyrinėjo Australijoje esančio Parkes radijo teleskopo archyvinius duomenis, ieškodami trumpalaikių žybsnių. Tuo metu visai neseniai buvo atrasti į pulsarus panašūs kintantys šaltiniai, praminti besisukančiais radijo trumpalaikiais įvykiais (angl. Rotating RAdio Transient, RRAT). Taigi entuziazmo rasti kokių nors naujų neįprastų reiškinių buvo daug.
Ir komandai pavyko – 2007 metų spalį pranešta apie labai trumpo, bet labai stipraus radijo žybsnio aptikimą. Žybsnis buvo neįprastas daugeliu atžvilgių. Visų pirma, jis buvo toks stiprus, kad prisotino vieną Parkes radijo detektorių. Dažnai tokie įvykiai yra didelės populiacijos energingiausi atstovai, taigi, būtų galima tikėtis aptikti daug daugiau panašių, bet mažiau energingų reiškinių. Bet jų neaptikta.
Žybsnis truko ypatingai trumpai – mažiau nei penkias tūkstantąsias sekundės dalis. Tai reiškia, kad jo šaltinis turi būti kompaktiškas – mažesnis, nei 1500 kilometrų skersmens. Iš kitos pusės, gautas signalas pasižymėjo labai didele dispersija: aukštesnio dažnio signalai mus pasiekė anksčiau, nei žemesnio. Dispersiją radijo bangos patiria sklisdamos pro tarpžvaigždinę ir tarpgalaktinę medžiagą, o skirtingo dažnio signalų išplitimas leidžia apskaičiuoti, kokį atstumą nukeliavo signalas.
Paaiškėjo, kad jis atsklido iš už maždaug milijardo parsekų – daugiau nei tūkstantį kartų toliau, nei Andromedos galaktika. Jei žybsnis buvo sferiškai simetriškas, jo metu išspinduliuota energija prilygo energijai, kurią Saulė išspinduliuoja per maždaug dešimt metų. O čia viskas įvyko per penkias milisekundes ir vien radijo bangų ruože! Natūralu, kad kilo susidomėjimas. Tolesnė to paties duomenų rinkinio analizė neparodė pasikartojančių žybsnių, o erdvinės skyros neužteko, kad galėtume susieti žybsnį su kuria nors konkrečia galaktika.
Riboja technologijos
Po šio atradimo kurį laiką tęsėsi tyla. Nors įvairiais vertinimais žybsnių mūsų danguje turėtų būti matoma daugybė – gal net dešimtys tūkstančių kasdien – esami radijo detektoriai nebuvo pakankamai jautrūs ir neaprėpė pakankamos dangaus dalies, kad galėtume tuos žybsnius aptikti. Nauji atradimai paskelbti tik 2013 metais – tada to paties Parkes teleskopo duomenyse rasti keturi žybsniai.
2014 metais paskelbti dar keli archyviniai atradimai. Taip pat tais metais pirmą kartą radijo žybsnį pavyko užfiksuoti realiu laiku. Šie stebėjimai leido nustatyti, kad radijo bangos yra nemenkai poliarizuotos – elektrinio lauko vektoriaus kryptis sukasi apskritimu. Taip pat patikslinti vertinimai, kiek žybsnių būtų įmanoma aptikti, stebint visą dangų – jie stipriai nenukrypo nuo ankstesniųjų. Nusistovėjo žybsnių pavadinimai: FRBYYMMDD, kur santrumpa „FRB“ reiškia „Greitasis radijo žybsnis“ (angl. Fast Radio Burst), o toliau eina metai, mėnuo ir diena. Ir visgi supratimo, kas juos sukelia, nepadaugėjo.
Įdomus atsitikimas įvyko 2010 metais. Tos pačios Parkes observatorijos darbuotojai aptiko net 16 žybsnių, tačiau jų savybės, nors ir panašios į pirmojo aptikto, aiškiai rodė juos esant žemiškos kilmės. Ypatingai įdomu buvo tai, kad jie dažniausiai įvykdavo tarp 11 valandos ryto ir vidurdienio vietos laiku. Prireikė net penkerių metų, kol išaiškintas šių signalų, pramintų peritonais, šaltinis.
Tai buvo viso labo… observatorijoje stovinčios mikrobangų krosnelės durys, kurias atidarius krosnelė išsijungdama paskleisdavo radijo bangų pliūpsnį. Jei teleskopo antena tuo metu būdavo nukreipta daugmaž į krosnelės pusę, ji pagaudavo šį signalą. Kuriam laikui peritonų egzistavimas metė šešėlį ant visų FRB aptikimų, ypač todėl, kad jie buvo aptinkami tik vieninteliu Parkes teleskopu.
Be to, tais pačiais 2015 metais nustatyta, kad vienuolikos tuo metu žinomų FRB dispersija atrodė keistai kvantuota – labai artima 187,5 pc cm$^-3$ kartotiniui (pc cm$^-3$ yra dispersijos matavimo vienetai), o jų pradžios laikai labai artimi pilnai sekundei. Visgi 2015 metais žybsnis aptiktas analizuojant Virdžinijoje esančio Green Bank teleskopo duomenis. Aptikus daugiau žybsnių, dispersijos bei atėjimo laiko pasiskirstymai tapo daug tolygesni. Taigi, nebeliko priežasčių abejoti žybsnių realumu.
2016 metais įvyko svarbus proveržis FRB tyrimuose: pirmą kartą aptiktas pasikartojantis žybsnių šaltinis. Pirmasis žybsnis iš šio šaltinio užfiksuotas dar 2012 metais – FRB121102. 2015 metų pabaigoje, naudodami Arecibo teleskopą Puerto Rike, mokslininkai aptiko dar dešimt žybsnių, atsklidusių iš to paties taško; apie atradimą paskelbta 2016-ųjų pradžioje. Netrukus žybsnio pasikartojimų atrasta ir dar daugiau.
Šie duomenys parodė, kad bent kai kurie greitieji radijo žybsniai kyla ne kataklizmiškų įvykių metu, t. y. jų šaltiniai nėra vienkartiniai įvykiai, pavyzdžiui supernovų sprogimai. Iš kitos pusės, atradimas užminė ir klausimų. Kodėl žybsniai pasikartoja visiškai neperiodiškai? Kodėl kartojasi ne visi žybsniai? O gal jie visi kartojasi, tik nepajėgiame aptikti? Bet kodėl tada aptinkame ne visus?
Šių metų pradžioje aptiktas vos antrasis pasikartojantis žybsnis – FRB180814; apie tai rašiau astronaujienoje. Žybsnis buvo vienas iš keliolikos, aptiktų naudojant Kanadoje esantį radijo teleskopą CHIME, skirtą vandenilio dujų pasiskirstymo Visatoje tyrimams. Birželį aptiktas dar vieno žybsnio pasikartojimas, rugpjūtį – dar aštuoni. Iš viso šiuo metu žinoma apie šimtą žybsnių ir jų vis daugėja.
Trys žybsniai – pasikartojantis FRB121102 ir du vienkartiniai – susieti su konkrečiomis galaktikomis. Įdomu, kad jos ganėtinai skirtingos. FRB121102 sklinda iš žvaigždėdaros regiono nykštukinėje galaktikoje, kurios masė maždaug tūkstantį kartų mažesnė, nei Paukščių Tako.
Tuo tarpu FRB180924 ir FRB190523 lokalizuoti prasčiau, bet yra gana aiškiai susiję su didelėmis galaktikomis, panašiomis į mūsiškę. Šis skirtumas dar sustiprina įtarimą, kad pasikartojančius ir vienkartinius žybsnius greičiausiai sukelia skirtingi reiškiniai.
Niekas neturi atsakymo
Kol kas neturime aiškaus atsakymo, kas sukelia žybsnius. Greičiausiai paaiškinimui reikės dviejų modelių: vieno pasikartojantiems žybsniams, kito – vienkartiniams. Abu modeliai turėtų paaiškinti mažą žybsnių trukmę, didelę energiją ir dispersiją ir, žinoma, duoti patikrinamų prognozių ateities stebėjimams. Pasikartojančių žybsnių modelis turėtų paaiškinti, kodėl pasikartojimai vyksta neperiodiškai. Vienkartinių žybsnių modelis turėtų paaiškinti, kodėl tie žybsniai neatrodo susiję nei su supernovomis, nei su gama spindulių žybsniais.
Per daugiau nei dešimtmetį po pirmojo FRB atradimo modelių pasiūlyta įvairių. Jiems skirtas puslapis FRB Theory Catalogue šiuo metu turi 51 įrašą; tiesa, daugelis modelių gana panašūs. Kai kurie modeliai skamba egzotiškai: sproginėjančios juodosios skylės, kosminių stygų vibracijos, egzotiškos materijos formos ir taip toliau. Visgi kalbama ir apie įprastesnius reiškinius, tokius kaip: neutroninių žvaigždžių susijungimai, gama spindulių žybsniai ir supernovos ar aktyvūs galaktikų branduoliai.
Susijungdamos neutroninės žvaigždės suformuoja arba masyvesnę neutroninę žvaigždę, arba juodąją skylę. Taip pat jos sukelia trumpą gama spindulių žybsnį, bet pastarojo spinduliuotė sklinda siauru pluoštu, taigi Žemėje nebūtinai jį pamatysime. Susijungimo metu neutroninių žvaigždžių magnetiniai laukai sąveikauja tarpusavyje ir gali stabdo žvaigždžių sukimąsi.
Išlaisvinta sukimosi energija gali būti išspinduliuota kaip vienkartinis radijo žybsnis. FRB skaičiai yra šiek tiek mažesni, nei tikėtinas neutroninių žvaigždžių susiliejimų dažnumas, taigi statistiškai šiuo modeliu įmanoma paaiškinti visus FRB. Įdomu, kad po keleto metų tokia neutroninė žvaigždė, turinti labai stiprų magnetinį lauką, gali tapti ir pasikartojančių radijo žybsnių šaltiniu.
Persijunginėjantis magnetinis laukas sukelia radijo žybsnius, kurie tokiu metu jau prasiveržia pro vis retėjantį susijungimo metu išmestos medžiagos kevalą. Magnetinio lauko persijungimas yra stochastiškas procesas, kitaip tariant, vyksta neperiodiškai.
Šis modelis prognozuoja, kad vienkartiniai radijo žybsniai turėtų sietis su gravitacinių bangų signalais iš neutroninių žvaigždžių susiliejimų, o pasikartojantys galėtų būti aptinkami ten, kur prieš keletą metų buvo stebimas susijungimas. Pirmojo tokio įvykio GW170817 vietoje vėlesniais stebėjimais jokio radijo žybsnio neaptikta, bet verta ten reguliariai žvalgytis bent artimiausius dešimt metų.
Tuo tarpu gama žybsniai (GRB) kyla ir susijungiant neutroninėms žvaigždėms, ir mirštant labai masyvioms greitai besisukančioms žvaigždėms. Pastaruoju atveju sprogimo vietoje gali susiformuoti ypatingai masyvi greitai besisukanti labai stiprų magnetinį lauką turinti neutroninė žvaigždė – magnetaras. Sukimasis sulaiko ją nuo kolapso į juodąją skylę, bet sulėtėjusi neutroninė žvaigždė visgi neišvengia tokio likimo.
Kolapso metu dalis išorinių žvaigždės sluoksnių išlieka už įvykių horizonto ribų; ten pasilieka ir neutroninės žvaigždės magnetinis laukas, nes juodoji skylė magnetinio lauko turėti negali. Taigi naujai atsiradusios juodosios skylės aplinkoje įvyksta staigi magnetinio lauko rekonfigūracija ir sukuriamas radijo žybsnis. Norint paaiškinti stebimus FRB skaičius, maždaug vienas iš trisdešimties GRB turėtų sukurti ypatingai masyvią greitai besisukančią neutroninę žvaigždę.
Panašus modelis gali paaiškinti ir pasikartojančius žybsnius, tik tuo atveju objektas nekolapsuoja į juodąją skylę. Tiesiog magnetaras besisukdamas sukelia smūgines bangas aplink esančioje sprogimo išmestoje medžiagoje, o pastarosios išmeta radijo spinduliuotės pliūpsnius.
Na, o aktyvūs galaktikų branduoliai yra aktyvaus branduolio čiurkšlė, kuri kirsdama aplinkinius dujų debesis, sujaukia juos bei jonizuoja ten esančias dujas. Elektronai ir atomų branduoliai, veikiami magnetinio lauko, nutolsta vieni nuo kitų, tad debesyse atsiranda elektrinis laukas.
Čiurkšlės elektronai, judėdami pro elektrinį lauką, nukreipiami į vieną pusę ir gali spinduliuoti labai tvarkingas poliarizuotas radijo bangas. Tokie reiškiniai gali būti ir vienkartiniai, ir pasikartojantys. Šiuo atveju žybsniai turėtų sklisti iš centrinių galaktikų dalių, o tose galaktikose turėtume matyti aktyvius branduolius ir jų čiurkšles.
Žinoma, negalima pamiršti ir visada tokiais atvejais iškylančios nežemiškos gyvybės signalų hipotezės. Tai galėtų būti atspindžiai nuo šviesos burių, kurios įgreitinamos radijo bangų lazerių signalais. Visgi žybsnių sklidimas iš visų dangaus pusių daro šią hipotezę mažiau tikėtiną, nes tai reikštų, kad Visatoje yra daugybė civilizacijų, naudojančių tokią pačią technologiją.
Kas toliau?
Kokie FRB atradimai laukia ateityje – vienareikšmiškai atsakyti neįmanoma, bet galima tikėtis reikšmingo duomenų kiekio augimo. Esami ir nauji teleskopai, tokie kaip Australijoje ir Pietų Afrikoje statomas SKA arba Pietų Afrikos HIRAX, turėtų pagauti šimtus, o gal ir tūkstančius žybsnių.
Tai leis nustatyti jų dažnumą, stiprumo įvairovę, pasiskirstymą Visatoje ir panašias savybes, kurios padės patikrinti modelius. Duomenys apie FRB kilmės galaktikas leis geriau tyrinėti tarpgalaktinę erdvę, ten esančią medžiagą ir magnetinio lauko stiprumą.
Žvelgiant optimistiškai, radijo žybsniai netgi gali tapti kosmologinių tyrimų įrankių, duoti informacijos apie Visatos plėtimosi spartos pokyčius ir medžiagos pasiskirstymą didžiausiais masteliais. Ateitis laukia tikrai įdomi.
