Las ráfagas de radio rápidas son ráfagas cortas y brillantes de ondas de radio emitidas por objetos extremadamente compactos como estrellas de neutrones y posiblemente agujeros negros. Estas rápidas explosiones duran sólo una milésima de segundo y pueden transportar enormes cantidades de energía, suficiente para superar brevemente a galaxias enteras.
Desde el descubrimiento de la primera ráfaga de radio rápida (FRB) en 2007, los astrónomos han detectado miles de FRB, con ubicaciones que van desde dentro de nuestra propia galaxia hasta 8 mil millones de años luz de distancia. Cómo se lanzan estas llamaradas de radio cósmicas es una incógnita muy controvertida.
Ahora, los astrónomos del MIT han identificado el origen de al menos una ráfaga de radio rápida utilizando una nueva técnica que podría hacer lo mismo con otras FRB. En su nuevo estudio, que aparece en la revista la naturalezael equipo se centró en FRB 20221022A, una rápida ráfaga de radio previamente descubierta procedente de una galaxia a unos 200 millones de años luz de distancia.
El equipo se centró más analizando el “centelleo” de la señal de radio para determinar su ubicación exacta, similar a las estrellas que titilan en el cielo nocturno. Los científicos estudiaron los cambios en el brillo de la FRB y determinaron que la explosión puede haberse originado en la región más cercana a su fuente de lo que predijeron algunos modelos.
El equipo estima que FRB 20221022A surgió de una región muy cercana a la estrella de neutrones en rotación, a como máximo 10.000 kilómetros de distancia. Es menos que la distancia entre Nueva York y Singapur. A una distancia tan corta, es probable que la estrella de neutrones atraviese la magnetosfera, la región altamente magnética que rodea a una estrella ultracompacta.
Los hallazgos del equipo proporcionan la primera evidencia concluyente de que una ráfaga de radio de alta velocidad puede originarse en la magnetosfera, el entorno altamente magnético que rodea inmediatamente a un objeto extremadamente compacto.
“En estos entornos de estrellas de neutrones, los campos magnéticos están realmente en el límite que el universo puede producir”, dice Kenzie Nimmo, becario postdoctoral en el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT. “Ha habido mucho debate sobre si esta brillante emisión de radio puede escapar de este plasma extremo”.
“Los átomos no pueden existir alrededor de estas estrellas de neutrones altamente magnéticas, también conocidas como magnetares; simplemente serán desgarradas por campos magnéticos”, dice Kiyoshi Masui, profesor asociado de física en el MIT. “Lo interesante aquí es que encontramos que la energía almacenada en estos campos magnéticos, cerca de la fuente, se gira y se reorganiza para que pueda emitirse como ondas de radio que podemos detectar en la mitad del universo. podemos ver.”
Los coautores del estudio del MIT incluyen a Adam Leinman, Shavin Andrews, Daniel Mitchley y Caitlin Shin, junto con colegas de múltiples instituciones.
tamaño de ráfaga
Gracias al Experimento Canadiense de Mapeo de la Intensidad del Hidrógeno (CHIME), la detección de ráfagas de radio rápidas se ha acelerado en los últimos años. El conjunto de radiotelescopios consta de cuatro grandes receptores estacionarios, cada uno en forma de medio tubo, diseñados para detectar emisiones de radio dentro del rango más sensible a ráfagas de radio rápidas.
Desde 2020, CHIME ha detectado miles de FRB en todo el universo. Aunque los científicos generalmente coinciden en que las explosiones se originan en objetos extremadamente compactos, la física exacta que impulsa los FRB sigue sin estar clara. Algunos modelos predicen que una ráfaga de radio rápida debería provenir de una magnetosfera turbulenta alrededor de un objeto compacto, mientras que otros predicen que la ráfaga debería originarse mucho más lejos, como parte de una onda de choque que se extiende más allá del objeto central.
Para distinguir entre los dos escenarios y determinar dónde se origina la rápida ráfaga de radio, el equipo analizó el centelleo, el efecto que se produce cuando la luz de una pequeña fuente brillante, como una estrella, incide en el gas galáctico como si estuviera filtrada a través de una estrella. medio. A medida que la luz de las estrellas se filtra a través del gas, se curva de manera que a un observador distante le parezca como si la estrella estuviera brillando. Cuanto más pequeño o más lejos esté un objeto, más brilla. Los planetas grandes o cercanos, como los de nuestro sistema solar, experimentan menos desviación de la luz y, por lo tanto, no parecen parpadear.
El equipo razonó que si pudieran estimar hasta qué punto se propaga una FRB, podrían determinar el tamaño relativo de la región donde se originó la FRB. Cuanto más pequeña es la región, más cerca está la explosión de su origen y es más probable que provenga de un entorno magnéticamente turbulento. Cuanto más grande es la región, más distante es el estallido, lo que respaldaría la idea de que los FRB son generados por shocks provenientes de lugares muy lejanos.
patrón brillante
Para probar su idea, los investigadores observaron FRB 20221022A, una ráfaga de radio rápida descubierta por CHIME en 2022. Esta señal dura aproximadamente dos milisegundos y es un FRB relativamente común y corriente en términos de brillo. Sin embargo, sus compañeros de equipo de la Universidad McGill descubrieron que FRB 20221022A exhibía una propiedad notable: la luz de la explosión estaba altamente polarizada y el ángulo de polarización formaba una curva suave en forma de S. Este patrón se ha interpretado como evidencia de que el sitio de emisión de FRB está girando, una característica observada previamente en los púlsares, que son estrellas de neutrones en rotación altamente magnetizadas.
Fue el primero en ver una polarización similar en una ráfaga de radio rápida, lo que sugiere que la señal puede haberse originado cerca de una estrella de neutrones. Los hallazgos del equipo de McGill se presentan hoy en un artículo complementario. la naturaleza.
El equipo del MIT se dio cuenta de que si FRB 20221022A procedía de las proximidades de una estrella de neutrones, deberían poder demostrarlo mediante centelleo.
En su nuevo estudio, Nimmo y sus colegas analizaron datos de CHIME y observaron grandes variaciones en el brillo que indicaban centelleo; en otras palabras, el FRB estaba brillando. Confirmaron que hay gas en algún lugar entre el telescopio y el FRB que dobla y filtra las ondas de radio. Luego, el equipo determinó dónde podría estar ubicado este gas, confirmando que el gas dentro de la galaxia anfitriona de la FRB era responsable de parte del centelleo observado. Este gas actuó como una lente natural, lo que permitió a los investigadores acercarse al sitio de FRB y determinar que la explosión se originó en un área extremadamente pequeña, de unos 10.000 km de ancho.
“Esto significa que el FRB está potencialmente a millones de kilómetros de la fuente”, dice Nimmo. “Está muy cerca. En comparación, esperaríamos que la señal estuviera a más de decenas de millones de kilómetros de distancia si comenzara con una onda de choque, y no veríamos ninguna onda de choque”.
“Acercarnos a una región de 10.000 kilómetros a 200 millones de años luz de distancia es como poder medir el ancho de una hélice de ADN en la superficie de la Luna”, dice Masui. “Hay una asombrosa variedad de escalas involucradas”.
Los resultados del equipo, combinados con los del equipo de McGill, descartan la posibilidad de que FRB 20221022A se haya originado en las afueras de un objeto compacto. En cambio, los estudios demuestran por primera vez que las rápidas ráfagas de radio pueden comenzar muy cerca de una estrella de neutrones, en un entorno magnético altamente caótico.
“Estas ráfagas ocurren siempre y CHIME las detecta varias veces al día”, dice Masui. “Puede haber mucha diversidad en cómo y dónde ocurren, y esta técnica de centelleo será realmente útil para ayudar a desentrañar las diferentes físicas que impulsan estas explosiones”.
La investigación contó con el apoyo de varias instituciones, incluida la Fundación Canadiense para la Innovación, el Instituto Dunlop de Astronomía y Astrofísica de la Universidad de Toronto, el Instituto Canadiense de Investigación Avanzada, el Instituto Espacial Trotier de la Universidad McGill y la Universidad de Columbia Británica.
