Toen astronomen in 2007 voor het eerst de detectie van een Fast Radio Burst (FRB) opmerkten (ook bekend als de Lorimer Burst), waren ze zowel verbaasd als geïntrigeerd. Deze hoogenergetische burst van radiopulsen, die slechts een paar milliseconden duurde, leek van buiten ons sterrenstelsel te komen. Sinds die tijd hebben astronomen bewijs gevonden van veel FRB's in eerder geregistreerde gegevens en speculeren ze nog steeds over de oorzaak ervan.
Dankzij latere ontdekkingen en onderzoek weten astronomen nu dat FRB's veel vaker voorkomen dan eerder werd gedacht. Volgens een nieuwe studie door een team van onderzoekers van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) kunnen FRB's zelfs één keer per seconde voorkomen in het waarneembare heelal. Als dat waar is, zouden FRB's een krachtig hulpmiddel kunnen zijn om de oorsprong en evolutie van de kosmos te onderzoeken.
De studie, getiteld "Een snelle radio-uitbarsting komt elke seconde voor in het waarneembare heelal", verscheen onlangs in The Astrophysical Journal Letters. De studie werd geleid door Anastasia Fialkov, een postdoc-onderzoeker en fellow bij het CfA's Institute for Theory and Computation (ITC). Ze werd vergezeld door Professor Abraham Loeb, de directeur van de ITC en de Frank B. Baird, Jr. Professor of Science aan Harvard.
Zoals opgemerkt, zijn FRB's een mysterie gebleven sinds ze voor het eerst werden ontdekt. Niet alleen blijven hun oorzaken onbekend, maar veel van hun ware aard wordt nog steeds niet begrepen. Zoals Dr. Fialkov via e-mail aan Space Magazine vertelde:
“FRB's (of snelle radiostoten) zijn astrofysische signalen van onbepaalde aard. De waargenomen bursts zijn van korte duur (of milliseconden), heldere pulsen in het radiogedeelte van het elektromagnetische spectrum (bij GHz-frequenties). Er zijn tot nu toe slechts 24 uitbarstingen waargenomen en we weten nog steeds niet zeker welke fysieke processen ze veroorzaken. De meest plausibele verklaring is dat ze worden gelanceerd door roterende gemagnetiseerde neutronensterren. Deze theorie moet echter worden bevestigd. '
Voor hun studie vertrouwden Fialkov en Loeb op observaties gemaakt door meerdere telescopen van de zich herhalende snelle radiostoot bekend als FRB 121102. Deze FRB werd voor het eerst waargenomen in 2012 door onderzoekers die de Arecibo radiotelescoop gebruikten in Puerto Rico, en is sindsdien bevestigd dat het afkomstig is van een sterrenstelsel op 3 miljard lichtjaar afstand in de richting van het sterrenbeeld Auriga.
Sinds het werd ontdekt, zijn er extra bursts gedetecteerd die afkomstig zijn van de locatie, waardoor FRB 121102 het enige bekende voorbeeld is van een zich herhalende FRB. Deze repetitieve aard heeft astronomen ook in staat gesteld er meer gedetailleerde onderzoeken naar uit te voeren dan welke andere FRB dan ook. Zoals prof.Loeb via e-mail aan Space Magazine vertelde, maakten deze en andere redenen het een ideaal doelwit voor hun studie:
“FRB 121102 is de enige FRB waarvoor een gaststelsel en een afstand werden geïdentificeerd. Het is ook de enige herhalende FRB-bron waaruit we inmiddels honderden FRB's hebben gedetecteerd. Het radiospectrum van de FRB's is gecentreerd op een karakteristieke frequentie en bestrijkt niet een zeer brede band. Dit heeft belangrijke implicaties voor de detecteerbaarheid van dergelijke FRB's, omdat om ze te vinden de radio-observatorium moet worden afgestemd op hun frequentie. ”
Op basis van wat bekend is over FRB 121102, hebben Fialkov en Loeb een reeks berekeningen uitgevoerd waarbij werd aangenomen dat het gedrag representatief was voor alle FRB's. Vervolgens projecteerden ze hoeveel FRB's er over de hele hemel zouden bestaan en bepaalden dat binnen het waarneembare heelal waarschijnlijk één keer per seconde een FRB zou plaatsvinden. Fialkov legde uit:
“Ervan uitgaande dat FRB's worden geproduceerd door sterrenstelsels van een bepaald type (bijvoorbeeld vergelijkbaar met FRB 121102), kunnen we berekenen hoeveel FRB's door elk sterrenstelsel moeten worden geproduceerd om de bestaande waarnemingen te verklaren (d.w.z. 2000 per lucht per dag). Met dit aantal in gedachten kunnen we de productiesnelheid afleiden voor de hele populatie van sterrenstelsels. Deze berekening laat zien dat er elke seconde een FRB optreedt als er rekening wordt gehouden met alle zwakke gebeurtenissen. ”
Hoewel de exacte aard en oorsprong van FRB's nog steeds niet bekend zijn, zijn er suggesties zoals roterende neutronensterren en zelfs buitenaardse intelligentie! - Fialkov en Loeb geven aan dat ze kunnen worden gebruikt om de structuur en evolutie van het heelal te bestuderen. Als ze inderdaad met zo'n regelmatige frequentie in de hele kosmos voorkomen, kunnen verder weg gelegen bronnen als sondes fungeren waarop astronomen dan zouden vertrouwen om de diepten van de ruimte te doorgronden.
Over grote kosmische afstanden is er bijvoorbeeld een aanzienlijke hoeveelheid tussenliggend materiaal dat het voor astronomen moeilijk maakt om de kosmische microgolfachtergrond (CMB) te bestuderen - de overgebleven straling van de oerknal. Studies van dit tussenliggende materiaal zouden kunnen leiden tot nieuwe schattingen van hoe dicht de ruimte is - d.w.z. hoeveel ervan bestaat uit gewone materie, donkere materie en donkere energie - en hoe snel het zich uitbreidt.
En zoals Prof. Loeb aangaf, zouden FRB's ook kunnen worden gebruikt om blijvende kosmlogische vragen te onderzoeken, zoals hoe het "donkere tijdperk" van het heelal eindigde:
“FRB's kunnen worden gebruikt om de kolom met vrije elektronen naar hun bron te meten. Dit kan worden gebruikt om de dichtheid van gewone materie tussen sterrenstelsels in het huidige universum te meten. Bovendien kunnen FRB's in vroege kosmische tijden worden gebruikt om erachter te komen wanneer het ultraviolette licht van de eerste sterren de primordiale atomen van waterstof die over zijn gebleven van de oerknal, in hun samenstellende elektronen en protonen heeft gebroken. "
De "Dark Age", die plaatsvond tussen 380.000 en 150 miljoen jaar na de Big Bang, werd gekenmerkt door een "mist" van waterstofatomen die interageren met fotonen. Hierdoor is de straling van deze periode niet waarneembaar door onze huidige instrumenten. Op dit moment proberen wetenschappers nog steeds op te lossen hoe het universum de overgang maakte tussen deze 'donkere middeleeuwen' en de daaropvolgende tijdperken toen het universum gevuld was met licht.
Deze periode van "reionisatie", die 150 miljoen tot 1 miljard jaar na de oerknal plaatsvond, was het moment waarop de eerste sterren en quasars werden gevormd. Er wordt algemeen aangenomen dat UV-licht van de eerste sterren in het heelal naar buiten is gereisd om het waterstofgas te ioniseren (en dus de mist op te ruimen). Een recente studie suggereerde ook dat zwarte gaten die in het vroege heelal bestonden, de nodige 'winden' creëerden waardoor deze ioniserende straling kon ontsnappen.
Daartoe zouden FRB's kunnen worden gebruikt om deze vroege periode van het heelal te onderzoeken en te bepalen wat deze "mist" heeft afgebroken en licht heeft laten ontsnappen. Door ver weg gelegen FRB's te bestuderen, kunnen wetenschappers bestuderen waar, wanneer en hoe dit proces van "reionisatie" plaatsvond. Vooruitblikkend, legden Fialkov en Loeb uit hoe toekomstige radiotelescopen veel FRB's zullen kunnen ontdekken.
"Toekomstige radio-observatoria, zoals de Square Kilometre Array, zullen gevoelig genoeg zijn om FRB's van de eerste generatie sterrenstelsels aan de rand van het waarneembare universum te detecteren," zei prof. Loeb. "Ons werk geeft de eerste schatting van het aantal en de eigenschappen van de eerste flitsen van radiogolven die oplichtten in het jonge universum."
En dan is er het Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME) bij het Dominion Radio Astrophysical Observatory in British Columbia, dat onlangs is begonnen met opereren. Deze en andere instrumenten zullen dienen als krachtige instrumenten voor het detecteren van FRB's, die op hun beurt kunnen worden gebruikt om voorheen onzichtbare gebieden van tijd en ruimte te bekijken, en om enkele van de diepste kosmologische mysteries te ontrafelen.
"[We] vinden dat een telescoop van de volgende generatie (met een veel betere gevoeligheid dan de bestaande) naar verwachting veel meer FRB's zal zien dan wat er tegenwoordig wordt waargenomen", zei Dr. Fialkov. “Dit zou het mogelijk maken om de populatie FRB's te karakteriseren en hun oorsprong te identificeren. Het begrijpen van de aard van FRB's zal een grote doorbraak zijn. Zodra de eigenschappen van deze bronnen bekend zijn, kunnen FRB's worden gebruikt als kosmische bakens om het universum te verkennen. Een toepassing is het bestuderen van de geschiedenis van reionisatie (kosmische faseovergang toen het intergalactische gas werd geïoniseerd door sterren). ”
Het is een geïnspireerde gedachte, waarbij natuurlijke kosmische verschijnselen worden gebruikt als onderzoeksinstrumenten. In dat opzicht lijkt het gebruik van FRB's om de verste objecten in de ruimte te onderzoeken (en zo ver terug in de tijd als we kunnen) quasars te gebruiken als navigatiebakens. Door onze kennis van het heelal te vergroten, kunnen we er uiteindelijk meer van ontdekken.
