Et kosmisk ur der stoppede uden varsel
Radioteleskoper registrerede et objekt, der fungerede som et kosmisk ur med præcision til sekundet – indtil dets emissioner ophørte uden nogen form for advarsel. Forskere søger nu en forklaring på en af de mest gådefulde radioobservationer i nyere tid.
Det australske radioteleskop ASKAP opfangede for nogen tid siden et signal, der gentog sig med bemærkelsesværdig regelmæssighed hvert 36. minut. Objektet, som astronomer døbte ASKAP J1424, udsendte sine impulser i cirka otte dage, hvorefter aktiviteten ophørte lige så pludseligt, som den begyndte. Ingen gradvis aftagen, ingen blød overgang til stilhed – blot en øjeblikkelig forsvinden fra radiospektret.
Denne type fænomen udgør en reel udfordring for nutidens modeller for kompakte objekters udvikling. Klassiske pulsarer, altså hurtigt roterende neutronstjerner, har perioder i størrelsesordenen millisekunder til sekunder. ASKAP J1424 med sin cyklus på 2147 sekunder passer ikke ind i den kategori. Forskere fra flere observatorier forsøger derfor at afgøre, om der er tale om en ekstremt langsomt roterende neutronstjerne, en hvid dværg med et usædvanligt kraftigt magnetfelt, eller en helt ny type objekt.
De oprindelige data stammer fra projektet EMU, som anvender Australian SKA Pathfinder til systematisk overvågning af store himmelområder. Denne tilgang gør det muligt at opdage forbigående fænomener, som klassisk dybdeafbildning af ét enkelt punkt sandsynligvis ville have overset. Uden regelmæssig, gentagen scanning ville ASKAP J1424 være forblevet ukendt.
Hvorfor signalet kun varede otte dage og derefter forsvandt sporløst
Forskerne koncentrerede sig om ASKAP J1424‘s aktivitetsperiode og forsøgte at fastslå, hvad der kunne have forårsaget dets pludselige forstummen. I løbet af de otte observerbare dage udsendte kilden radioimpulser med næsten identisk periode, hvor tidsintervallerne kun afveg med brøkdele af et sekund. En sådan stabilitet peger på et roterende kompakt objekt med et meget kraftigt og velordnet magnetfelt.
Efterfølgende overvågning med yderligere radio- og optiske teleskoper, herunder Gemini-observatoriet, gav intet positivt resultat. Der eksisterer ingen tydelig optisk modpart på det sted, hvorfra signalet kom. Infrarøde observationer viste heller ikke noget usædvanligt. Dette tyder på, at størstedelen af energien undslipper netop i radiobåndet, mens objektet forbliver praktisk talt usynligt i andre dele af spektret.
Forskere fra Curtin University og University of Sydney hældte til hypotesen om en neutronstjerne med ultralang periode, men dens rotation om sin egen akse burde ifølge gængse modeller være langt hurtigere. En hvid dværg kunne teoretisk rotere langsommere, men at generere et så intenst radiosignal ville kræve et ekstremt kraftigt magnetfelt, som ikke normalt observeres hos denne klasse objekter.
Hvilke egenskaber har radiosignalet fra ASKAP J1424
En central egenskab ved signalet er dets fulde polarisering. Det betyder, at de elektromagnetiske bølger svinger i en stærkt ordnet retning, hvilket kun optræder i miljøer med et usædvanligt kraftigt og organiseret magnetfelt. I løbet af de otte dages overvågning observerede forskerne overgange mellem elliptisk og lineær polarisering, hvilket antyder en kompleks struktur af magnetiske feltlinjer omkring kilden.
En analyse af impulsformen afslørede endnu en interessant detalje. Hver impuls varede omtrent lige lang tid og havde en konsistent intensitetsprofil. Denne regelmæssighed minder om klassiske pulsarers adfærd, dog på en meget længere tidsskala. Forskere fra CSIRO sammenlignede ASKAP J1424 med andre langperiodiske kilder som magnetarer eller ultralangt-periodiske transienter, men overensstemmelsen var ikke fuldstændig.
ASKAP-radioteleskopet består af 36 antenner fordelt i det vestlige Australien, og dets brede synsfelt giver det mulighed for at kortlægge store himmelområder på kort tid. Takket være dette kan det afsløre forbigående objekter, som kun er aktive i en kort periode. Netop evnen til gentagne gange at vende tilbage til de samme himmelområder hjalp med at identificere ASKAP J1424 under dets aktive fase.
De karakteristiske egenskaber ved ASKAP J1424 omfatter:
- en emissionsperiode på 2147 sekunder, svarende til næsten 36 minutter
- en aktiv fase med en varighed på cirka otte dage
- et fuldt polariseret radiosignal
- fraværet af en optisk eller infrarød modpart
- overgange mellem forskellige polariseringstyper under de enkelte impulser
- pludseligt ophør af emissionen uden gradvis aftagen
- stabil impulsform gennem hele den observerbare periode
En ny kategori objekter: langperiodiske radiotransienter
I de seneste år støder astronomer stadig hyppigere på kilder, der opfører sig anderledes end kendte pulsarer. Disse objekter udsender impulser med intervaller målt i minutter til timer frem for sekunder eller millisekunder. Derfor er begrebet langperiodiske radiotransienter opstået som betegnelse for en hel gruppe af gådefulde kilder.
Klassiske neutronstjerner har rotationsperioder fra brøkdele af et sekund til et par sekunder. En typisk millisekundpulsar fuldfører én rotation på en tusindedel af et sekund, mens langsommere eksemplarer roterer i løbet af få sekunder. ASKAP J1424 med sin 36-minutters cyklus befinder sig langt uden for standardmodellernes grænser.
Forskere antager, at langperiodiske transienter enten kan repræsentere ekstremt langsomt roterende neutronstjerner eller en helt anden population af kompakte objekter. Blandt andre kendte eksempler i denne kategori finder vi objekter som GCRT J1745 og GPM J1839, der ligeledes udviser usædvanligt lange perioder og forbigående aktivitet.
Hvilke hypoteser kan forklare ASKAP J1424’s adfærd
Forskningsholdet offentliggjorde i et fagfællebedømt tidsskrift flere mulige forklaringer. Den første hypotese arbejder med en ultralangsamt roterende neutronstjerne med et ekstremt kraftigt magnetfelt. Et sådant objekt kunne teoretisk generere radioimpulser selv med en periode på adskillige minutter, hvis dets magnetiske poler var tilstrækkeligt kraftige og korrekt orienterede.
Det andet scenarie involverer en hvid dværg med et usædvanligt kraftigt magnetfelt, der roterer langsommere end de fleste kendte hvide dværge. Denne model forklarer den lange periode, men har problemer med mængden af energi frigivet i radiobåndet. Almindelige hvide dværge er ikke i stand til at producere så intense radiosignaler.
Den mest fascinerende mulighed er den tredje: et tæt dobbeltstjernesystem bestående af to hvide dværge. I dette tilfælde kunne de to objekters magnetfelter interagere med hinanden og ved en bestemt orbital konfiguration generere kraftig radioemission. En ændring i den indbyrdes position ville da føre til signalets “slukning”.
Astronomer fra University of Melbourne overvejer også en engangsbegivenhed, hvor objektet optog materiale fra sine omgivelser eller fra en ledsagerstjerne. Dette materiale kunne midlertidigt aktivere emissionen, som ville ophøre, når “brændstoffet” var opbrugt. En lignende mekanisme observeres hos visse røntgentransienter, hvor akkretions af masse udløser midlertidig aktivitet.
Hvad ASKAP J1424 lærer os om radiohimlens dynamik
I årtier koncentrerede radioastronomi sig primært om stabile kilder som galakser, kvasarer eller supernovarester. Først i de seneste år, med fremkomsten af nye instrumenter som ASKAP, LOFAR og MeerKAT, er det blevet tydeligt, hvor dynamisk radiohimlen faktisk er.
Signaler som ASKAP J1424 beviser eksistensen af en hel population af objekter, der “blinker” på tidsskalaer af dage, timer eller minutter. De dukker op, udsender en serie impulser og forstummer derefter i en ukendt periode. Traditionelle observationskampagner med lange eksponeringer af ét område ville nemt have overset disse objekter.
ASKAP-radioteleskopet fungerer som en hurtig himmelscanner, der regelmæssigt vender tilbage til de samme områder og registrerer ændringer. Denne tilgang minder om trafikovervågning – de fleste objekter er “faste lys”, men ind imellem dukker der en pludselig glimt op, den kosmiske ækvivalent til en ambulance med blinkende lys. Uden bred dækningsevne og høj gentagelsesfrekvens ville ASKAP J1424 sandsynligvis have undgået opmærksomheden.
Forskerne planlægger i de kommende år at fortsætte den systematiske overvågning af det område, hvorfra signalet kom. Hvis ASKAP J1424 aktiveres igen, vil en serie nye impulser gøre det muligt at verificere, om dets periode har ændret sig. Selv mindre ændringer i rytmen eller impulsformen kan afsløre, om der er tale om rotation af ét objekt eller den orbitale dans mellem to stjerner. Parallelle observationer i det optiske og infrarøde spektrum med teleskoper som Gemini eller teleskoper tilhørende det europæiske observatorium ESO kunne afsløre en svag visuel modpart.
Hvorfor disse gådefulde signaler er vigtige for astrofysikken
Enhver ny type kompakt objekt ændrer vores forståelse af, hvordan stjerner afslutter deres liv, og hvordan de påvirker det omgivende miljø. ASKAP J1424 og lignende kilder kan hjælpe med at præcisere modeller for gravitationsbølger, type Ia-supernovaer eller fordelingen af tunge grundstoffer i vores galakse. En bedre forståelse af disse kilder kan desuden forbedre kalibreringen af gravitationsbølgedetektorer som LIGO og Virgo.
Disse tilsyneladende eksotiske signaler har en bredere betydning for kosmologien og fysikken bag stoflets ekstreme tilstande. Neutronstjerner og hvide dværge repræsenterer laboratorier med betingelser, der ikke kan genskabes på Jorden – densiteter i størrelsesordenen millioner af tons pr. kubikcentimeter og magnetfelter billioner af gange stærkere end Jordens.
En forståelse af de mekanismer, der muliggør en så regelmæssig og samtidig ekstremt langsom pulsering, kunne afsløre helt nye fysiske processer. Forskere håber, at yderligere observationer med instrumenter som SKA (Square Kilometre Array), der i øjeblikket er under opbygning, vil give svar på de spørgsmål, som ASKAP J1424 har rejst. Når SKA er fuldt operationelt, vil dets følsomhed være hundrede gange større end nutidens instrumenter, hvilket vil gøre det muligt at opdage selv meget svage og fjerne transienter.
ASKAP J1424 minder os om, at selv i en epoke med kraftfulde teleskoper støder vi stadig på fænomener, der ikke passer ind i færdige skemaer. Netop sådanne “ubehagelige” signaler fører ofte til en revision af gamle teorier og udviklingen af nye instrumenter – en ægte kosmisk kriminalfortælling, hvor hvert nyt bevis hjælper med at samle puslespillet om den kosmiske virkelighed.
