Astronomowie łączą „trzęsienia gwiazd” z tajemniczymi sygnałami radiowymi z kosmosu

Badania przeprowadzone na Uniwersytecie Tokijskim łączą szybkie rozbłyski radiowe (FRB) z „trzęsieniami gwiazd” na gwiazdach neutronowych, dostarczając nowego wglądu w trzęsienia ziemi i fizykę jądrową.

Szybkie rozbłyski radiowe, w skrócie FRB, stanowią astronomiczną tajemnicę, a ich przyczyna i pochodzenie pozostają niepewne. Te intensywne wybuchy energii radiowej są niewidoczne dla ludzkiego oka, ale widoczne są jasno w radioteleskopach. Poprzednie badania wykazały duże podobieństwa między rozkładem energii powtarzających się szybkich rozbłysków radiowych a rozkładem energii trzęsień ziemi i rozbłysków słonecznych.

Jednak nowe badania przeprowadzone na Uniwersytecie Tokijskim dotyczyły czasu i energii FRB i wykazały wyraźne różnice między FRB a rozbłyskami słonecznymi, istnieje jednak wiele zauważalnych podobieństw między FRB a trzęsieniami ziemi. Potwierdza to teorię, że FRB powstają w wyniku „trzęsień gwiazd” na powierzchni gwiazd neutronowych. Odkrycie to może pomóc nam lepiej zrozumieć trzęsienia ziemi, zachowanie materiałów o dużej gęstości i aspekty fizyki jądrowej.

Chiński radioteleskop z aperturą pięćsetmetrową (FAST). Dane FRB zostały dostarczone przez Teleskop Sferyczny z Aperturą Pięćsetmetrowej (FAST) w Chinach i Teleskop Arecibo w Puerto Rico, dwa z największych jednotarczowych teleskopów na świecie. Niestety teleskop Arecibo został uszkodzony i wycofany z użytku pod koniec 2020 r. Źródło: Bojun Wang, Jinchen Jiang i Qisheng Cui

Tajemnica szybkich błysków radiowych (FRB).

Ogrom kosmosu kryje wiele tajemnic. Chociaż niektórzy ludzie marzą o odważnym udaniu się gdzieś, gdzie nikt wcześniej nie był, wiele możemy się nauczyć, siedząc w zaciszu lądu. Dzięki postępowi technologicznemu możemy eksplorować powierzchnię MarsCuda Saturnpierścienie, zbierając tajemnicze sygnały z głębokiego kosmosu. Szybkie rozbłyski radiowe to niezwykle potężne, jasne wybuchy energii, które można zobaczyć na falach radiowych.

Rozbłyski te, odkryte po raz pierwszy w 2007 roku, mogą podróżować miliardy lat świetlnych, ale zazwyczaj trwają tylko milisekundy. Szacuje się, że gdybyśmy mogli obserwować całe niebo, każdego dnia mogłoby wystąpić do 10 000 FRB. Podczas gdy większość odkrytych do tej pory źródeł impulsów wydaje się emitować jednorazowe zdarzenie, istnieje około 50 szybkich źródeł impulsów, które emitują impulsy wielokrotnie.

Dane sejsmiczne pobrano z regionu Kanto w Japonii (w tym Tokio i Narita) oraz Izumo w regionie Chugoku (na północ od Hiroszimy). Czarne kropki oznaczają epicentra trzęsień ziemi zarejestrowanych między 6 maja 2010 r. a 31 grudnia 2012 r. Źródło: ©2023 T. Totani i Y. Tsuzuki

Teorie wyjaśniające przyczynę szybkich rozbłysków radiowych

Nie wiadomo, dlaczego powstają szybkie rozbłyski radiowe, ale wysunięto pewne koncepcje, łącznie z tym, że mogą one mieć pochodzenie obce. Jednak obecnie dominująca teoria głosi, że przynajmniej niektóre szybkie rozbłyski radiowe są emitowane przez gwiazdy neutronowe. Gwiazdy te powstają w wyniku zapadnięcia się gigantycznej gwiazdy, której masa waha się od ośmiokrotności masy naszego Słońca (średnio) do ultragęstego jądra o średnicy zaledwie 20 do 40 kilometrów. Magnetary to gwiazdy neutronowe o niezwykle silnych polach magnetycznych i zaobserwowano, że emitują FRB.

„Teoretycznie sądzono, że na powierzchni magnetara może nastąpić trzęsienie gwiazd, czyli uwolnienie energii podobne do trzęsień ziemi na Ziemi” – powiedział profesor Tomonori Totani z Wydziału Astronomii Graduate School of Science. „Ostatnie postępy w zakresie obserwacji doprowadziły do ​​odkrycia tysięcy kolejnych szybkich rozbłysków radiowych, dlatego skorzystaliśmy z okazji, aby porównać duże zbiory danych statystycznych dostępnych obecnie na temat szybkich rozbłysków radiowych z danymi pochodzącymi z trzęsień ziemi i rozbłysków słonecznych, aby zbadać potencjalne podobieństwa”.

Naukowcy przeanalizowali rozkład czasu i energii szybkich rozbłysków radiowych i zdarzeń sejsmicznych, a następnie wykreślając prawdopodobieństwo wstrząsów wtórnych jako funkcję różnicy czasu, odkryli, że są one bardzo podobne. Źródło: ©2023 T. Totani i Y. Tsuzuki

Analiza statystyczna i wyniki

Do tej pory analiza statystyczna szybkich impulsów radiowych skupiała się na rozkładzie czasu oczekiwania pomiędzy dwoma kolejnymi impulsami. Jednakże Totani i współautorka Yuya Tsuzuki, absolwentka tego samego wydziału, zwracają uwagę, że obliczenie jedynie rozkładu czasu oczekiwania nie uwzględnia korelacji, które mogą istnieć w przypadku innych impulsów. Dlatego zespół zdecydował się obliczyć korelację w przestrzeni 2D, analizując czas i energię emisji prawie 7000 błysków z trzech różnych źródeł szybkich błysków radiowych. Następnie zastosowali tę samą metodę do zbadania związku między trzęsieniami ziemi, czasem i energią (wykorzystując dane z Japonii) i rozbłyskami słonecznymi (wykorzystując dane z… Hinode Międzynarodowa Misja Badań nad Słońcem) i porównaj wyniki trzech zjawisk.

Totani i Tsuzuki byli zaskoczeni, że w przeciwieństwie do innych badań, ich analiza wykazała uderzające podobieństwo między FRB i danymi sejsmicznymi, ale wyraźną różnicę między FRB i rozbłyskami słonecznymi.

„Wyniki pokazują niezwykłe podobieństwa między szybkimi rozbłyskami radiowymi a trzęsieniami ziemi w następujący sposób: po pierwsze, prawdopodobieństwo wstrząsu wtórnego w przypadku pojedynczego zdarzenia wynosi 10–50%; po drugie, częstość występowania wstrząsów wtórnych maleje z czasem wraz z siłą czasu; po trzecie, tempo wstrząsów wtórnych jest zawsze stałe, nawet jeśli aktywność trzęsienia ziemi FRB (średnia szybkość) zmienia się znacząco, i po czwarte, nie ma związku pomiędzy energiami głównego wstrząsu i jego wstrząsów wtórnych.

To silnie sugeruje, że na powierzchni gwiazd neutronowych znajduje się solidna skorupa i że trzęsienia gwiazd pojawiające się nagle na tych skorupach uwalniają ogromne ilości energii, którą postrzegamy jako FRB. Zespół planuje kontynuować analizę nowych danych na temat szybkich rozbłysków radiowych, aby sprawdzić, czy znalezione podobieństwa są uniwersalne.

„Badając gwiezdne trzęsienia ziemi na odległych, bardzo gęstych gwiazdach, które znajdują się w środowiskach bardzo odmiennych od Ziemi, możemy zyskać nowy wgląd w trzęsienia ziemi” – powiedział Totani. „Wnętrze A Gwiazda neutronowa Jest to najgęstsze miejsce we wszechświecie w porównaniu do wnętrza jądra atomowego. Trzęsienia gwiazd w gwiazdach neutronowych otworzyły możliwość uzyskania nowego wglądu w materię o dużej gęstości i podstawowe prawa fizyki jądrowej.

Odniesienie: „Szybkie rozbłyski radiowe wywołują wstrząsy wtórne przypominające trzęsienie ziemi, ale nie rozbłyski słoneczne”, Tomonori Totani i Yuya Tsuzuki, 11 października 2023 r., Miesięczne powiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego.
doi: 10.1093/manras/stad2532