Waarnemingen verviervoudigen het aantal bekende radioflitsen en onthullen twee soorten: eenmalige en repeaters. Om een snelle radio-uitbarsting te kunnen detecteren, moet je extreem veel geluk hebben in waar en wanneer je je schotelantenne richt.
Snelle radio-uitbarstingen, of FRB’s, zijn vreemd heldere lichtflitsen, die plaatsvinden in het radiodeel van het elektromagnetische spectrum en die een paar milliseconden oplaaien voordat ze spoorloos verdwijnen.
Deze korte en mysterieuze bakens zijn waargenomen in verschillende en verre delen van het universum, evenals in onze eigen melkweg. Hun oorsprong is onbekend en hun verschijnen is onvoorspelbaar. Sinds de eerste werd ontdekt in 2007, hebben radioastronomen slechts ongeveer 140 uitbarstingen met hun apparatuur waargenomen.
Nu heeft een grote stationaire radiotelescoop in British Columbia het aantal tot nu toe ontdekte snelle radioflitsen bijna verviervoudigd. De telescoop, bekend als CHIME, afkorting van het Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment, heeft 535 nieuwe snelle radioflitsen gedetecteerd tijdens het eerste jaar van gebruik, tussen 2018 en 2019.
Wetenschappers die met CHIME samenwerken, waaronder onderzoekers van MIT, hebben de nieuwe signalen verzameld in de eerste FRB-catalogus van de telescoop, die ze zullen presenteren op de American Astronomical Society Meeting.
De nieuwe catalogus breidt de huidige bibliotheek van bekende FRB’s aanzienlijk uit en geeft al aanwijzingen over hun eigenschappen. De nieuw ontdekte bursts lijken bijvoorbeeld in twee verschillende klassen te vallen: degenen die zich herhalen (repeaters) en degenen die dat niet doen. Wetenschappers identificeerden 18 FRB-bronnen die herhaaldelijk uitbarsten, terwijl de rest eenmalig lijkt te zijn. De repeaters zien er ook anders uit, waarbij elke burst iets langer duurt en meer gerichte radiofrequenties uitzendt dan bursts van enkele, niet-herhalende FRB’s.
Deze waarnemingen suggereren sterk dat repeaters en eenmalige objecten voortkomen uit afzonderlijke mechanismen en astrofysische bronnen. Met meer waarnemingen hopen astronomen binnenkort de extreme oorsprong van deze merkwaardig heldere signalen vast te stellen.
“Vóór CHIME waren er in totaal minder dan 100 ontdekte FRB’s; nu, na een jaar observatie, hebben we er nog honderden ontdekt”, zegt CHIME-lid Kaitlyn Shin, een afgestudeerde student aan het MIT’s Department of Physics. “Met al deze bronnen kunnen we echt een beeld krijgen van hoe FRB’s er als geheel uitzien, welke astrofysica deze gebeurtenissen mogelijk maakt en hoe ze kunnen worden gebruikt om het universum in de toekomst te bestuderen.”
CHIME bestaat uit vier massieve cilindrische radioantennes, ongeveer de grootte en vorm van halfpipes voor snowboarden, die zich bevinden in het Dominion Radio Astrophysical Observatory, beheerd door de National Research Council of Canada in British Columbia, Canada. CHIME is een stationaire array, zonder bewegende delen. De telescoop ontvangt elke dag radiosignalen van de helft van de hemel terwijl de aarde draait.
Terwijl de meeste radioastronomie wordt gedaan door een grote schotel te draaien om het licht uit verschillende delen van de lucht te focussen, staart CHIME bewegingloos naar de lucht en focust binnenkomende signalen met behulp van een correlator – een krachtige digitale signaalprocessor die zich door enorme hoeveelheden gegevens kan werken met een snelheid van ongeveer 7 terabit per seconde, wat overeenkomt met een paar procent van het internetverkeer in de wereld.
“Digitale signaalverwerking zorgt ervoor dat CHIME in staat is om tegelijkertijd in duizenden richtingen te ‘kijken’ en informatie te reconstrueren”, zegt Kiyoshi Masui, assistent-professor natuurkunde aan het MIT, die de conferentiepresentatie van de groep zal leiden. “Dat helpt ons om FRB’s duizend keer vaker te detecteren dan een traditionele telescoop.”
In het eerste jaar van zijn werkzame leven heeft CHIME 535 nieuwe snelle radioflitsen gedetecteerd. Toen de wetenschappers hun locaties in kaart brachten, ontdekten ze dat de uitbarstingen gelijkmatig in de ruimte waren verdeeld en uit alle delen van het heelal leken te komen. Uit de FRB’s die CHIME kon detecteren, berekenden de wetenschappers dat heldere snelle radio-uitbarstingen plaatsvinden met een snelheid van ongeveer 800 per dag over de hele zichtbare ruimte – de meest nauwkeurige schatting van de totale frequentie van FRB’s tot nu toe.
“Dat is het mooie van dit werkgebied – FRB’s zijn echt moeilijk te zien, maar ze zijn niet ongewoon”, zegt Masui, die lid is van het Kavli Institute for Astrophysics and Space Research van MIT. “Als je ogen radioflitsen konden zien zoals je cameraflitsen kunt zien, zou je ze de hele tijd zien als je gewoon omhoog keek.”
Terwijl radiogolven door de ruimte reizen, kan elk interstellair gas of plasma onderweg de eigenschappen en het traject van de golf vervormen of verspreiden. De mate waarin een radiogolf wordt verspreid, kan aanwijzingen geven over hoeveel gas het is gepasseerd en mogelijk hoeveel afstand het heeft afgelegd vanaf de bron.
Voor elk van de 535 FRB’s die CHIME detecteerde, maten Masui en zijn collega’s de verspreiding ervan en ontdekten dat de meeste uitbarstingen waarschijnlijk afkomstig waren van verre bronnen in verre sterrenstelsels. Het feit dat de uitbarstingen helder genoeg waren om door CHIME te worden gedetecteerd, suggereert dat ze moeten zijn geproduceerd door extreem energetische bronnen. Naarmate de telescoop meer FRB’s detecteert, hopen wetenschappers precies vast te stellen wat voor soort exotische verschijnselen zulke ultraheldere, ultrasnelle signalen kunnen genereren.
Wetenschappers zijn ook van plan om de uitbarstingen en de schatting van hun verspreiding te gebruiken om de verspreiding van gas door het universum in kaart te brengen.
“Elke FRB geeft ons wat informatie over hoe ver ze zich hebben voortgeplant en hoeveel gas ze hebben gepasseerd”, zegt Shin. “Met grote aantallen FRB’s kunnen we hopelijk achterhalen hoe gas en materie op zeer grote schaal in het universum zijn verdeeld. Dus naast het mysterie van wat FRB’s zelf zijn, is er ook het opwindende potentieel van FRB’s als krachtige kosmologische sondes in de toekomst.”
Dit onderzoek werd ondersteund door verschillende instellingen, waaronder de Canada Foundation for Innovation, het Dunlap Institute for Astronomy and Astrophysics van de University of Toronto, het Canadian Institute for Advanced Research, McGill University en het McGill Space Institute via de Trottier Family Foundation, en de universiteit van Brits-Columbia.