En kosmisk klocka som stannade utan förvarning
Radioteleskop registrerade ett objekt som fungerade som en kosmisk klocka med sekundprecision – tills dess utsändningar upphörde utan någon som helst varning. Forskare söker nu en förklaring till en av de mest gåtfulla radioobservationerna under senare tid.
Det australiska radioteleskopet ASKAP fångade för en tid sedan upp en signal som upprepades med anmärkningsvärd regelbundenhet var 36:e minut. Objektet, som astronomer döpte till ASKAP J1424, sände ut sina pulser under ungefär åtta dagar, varefter aktiviteten upphörde lika plötsligt som den började. Ingen gradvis avmattning, ingen mjuk övergång till tystnad – bara ett ögonblickligt försvinnande från radiospektrumet.
Den här typen av fenomen utgör en verklig utmaning för dagens modeller för kompakta objekts utveckling. Klassiska pulsarer, det vill säga snabbt roterande neutronstjärnor, har perioder i storleksordningen millisekunder till sekunder. ASKAP J1424 med sin cykel på 2147 sekunder passar inte in i den kategorin. Forskare från flera observatorier försöker därför avgöra om det handlar om en extremt långsamt roterande neutronstjärna, en vit dvärg med ett ovanligt kraftfullt magnetfält, eller en helt ny typ av objekt.
De ursprungliga uppgifterna kommer från projektet EMU, som använder Australian SKA Pathfinder för systematisk övervakning av stora himmelsområden. Detta tillvägagångssätt gör det möjligt att upptäcka förbigående fenomen som klassisk djupavbildning av en enda punkt sannolikt skulle ha missat. Utan regelbunden, upprepad skanning skulle ASKAP J1424 ha förblivit okänt.
Varför signalen varade bara åtta dagar och sedan försvann spårlöst
Forskarna koncentrerade sig på ASKAP J1424:s aktivitetsperiod och försökte fastställa vad som kunde ha orsakat dess plötsliga tystnad. Under de åtta observerbara dagarna sände källan ut radiopulser med nästan identisk period, där tidsintervallerna bara avvek med bråkdelar av en sekund. En sådan stabilitet pekar på ett roterande kompakt objekt med ett mycket kraftfullt och välordnat magnetfält.
Efterföljande övervakning med ytterligare radio- och optiska teleskop, däribland Gemini-observatoriet, gav inget positivt resultat. Det finns ingen tydlig optisk motsvarighet på den plats varifrån signalen kom. Infraröda observationer visade heller inte något ovanligt. Detta tyder på att merparten av energin flyr just i radiobandet, medan objektet förblir praktiskt taget osynligt i andra delar av spektrumet.
Forskare från Curtin University och University of Sydney lutade åt hypotesen om en neutronstjärna med ultralång period, men dess rotation kring sin egen axel borde enligt gängse modeller vara långt snabbare. En vit dvärg kunde teoretiskt rotera långsammare, men att generera en så intensiv radiosignal skulle kräva ett extremt kraftfullt magnetfält, som normalt inte observeras hos denna klass objekt.
Vilka egenskaper har radiosignalen från ASKAP J1424
En central egenskap hos signalen är dess fullständiga polarisering. Det betyder att de elektromagnetiska vågorna svänger i en starkt ordnad riktning, vilket bara uppträder i miljöer med ett ovanligt kraftfullt och organiserat magnetfält. Under de åtta dagarnas övervakning observerade forskarna övergångar mellan elliptisk och linjär polarisering, vilket antyder en komplex struktur av magnetiska fältlinjer omkring källan.
En analys av pulsformen avslöjade ytterligare en intressant detalj. Varje puls varade ungefär lika länge och hade en konsekvent intensitetsprofil. Denna regelbundenhet påminner om klassiska pulsarers beteende, dock på en mycket längre tidsskala. Forskare från CSIRO jämförde ASKAP J1424 med andra långperiodiska källor som magnetarer eller ultralångperiodiska transienter, men överensstämmelsen var inte fullständig.
ASKAP-radioteleskopet består av 36 antenner fördelade i västra Australien, och dess breda synfält ger det möjlighet att kartlägga stora himmelsområden på kort tid. Tack vare detta kan det avslöja förbigående objekt som bara är aktiva under en kort period. Just förmågan att upprepade gånger återvända till samma himmelsområden hjälpte till att identifiera ASKAP J1424 under dess aktiva fas.
De karakteristiska egenskaperna hos ASKAP J1424 omfattar:
- en emissionsperiod på 2147 sekunder, motsvarande nästan 36 minuter
- en aktiv fas med en varaktighet på cirka åtta dagar
- en fullständigt polariserad radiosignal
- frånvaron av en optisk eller infraröd motsvarighet
- övergångar mellan olika polariseringstyper under de enskilda pulserna
- plötsligt upphörande av emissionen utan gradvis avmattning
- stabil pulsform genom hela den observerbara perioden
En ny kategori objekt: långperiodiska radiotransienter
Under de senaste åren stöter astronomer allt oftare på källor som uppför sig annorlunda än kända pulsarer. Dessa objekt sänder ut pulser med intervall mätta i minuter till timmar i stället för sekunder eller millisekunder. Därför har begreppet långperiodiska radiotransienter uppstått som beteckning för en hel grupp av gåtfulla källor.
Klassiska neutronstjärnor har rotationsperioder från bråkdelar av en sekund till ett par sekunder. En typisk millisekundpulsar fullbordar en rotation på en tusendels sekund, medan långsammare exemplar roterar under loppet av några sekunder. ASKAP J1424 med sin 36-minuterscykel befinner sig långt utanför standardmodellernas gränser.
Forskare antar att långperiodiska transienter antingen kan representera extremt långsamt roterande neutronstjärnor eller en helt annan population av kompakta objekt. Bland andra kända exempel i denna kategori finner vi objekt som GCRT J1745 och GPM J1839, som likaså uppvisar ovanligt långa perioder och förbigående aktivitet.
Vilka hypoteser kan förklara ASKAP J1424:s beteende
Forskargruppen offentliggjorde i en referentgranskad tidskrift flera möjliga förklaringar. Den första hypotesen arbetar med en ultralångsamt roterande neutronstjärna med ett extremt kraftfullt magnetfält. Ett sådant objekt kunde teoretiskt generera radiopulser även med en period på flera minuter, om dess magnetiska poler var tillräckligt kraftfulla och korrekt orienterade.
Det andra scenariot involverar en vit dvärg med ett ovanligt kraftfullt magnetfält som roterar långsammare än de flesta kända vita dvärgar. Denna modell förklarar den långa perioden, men har problem med mängden energi som frigörs i radiobandet. Vanliga vita dvärgar kan inte producera så intensiva radiosignaler.
Den mest fascinerande möjligheten är den tredje: ett tätt dubbelstjärnesystem bestående av två vita dvärgar. I detta fall kunde de två objektens magnetfält interagera med varandra och vid en bestämd orbital konfiguration generera kraftfull radioemission. En förändring i det inbördes läget skulle då leda till signalens ”avstängning”.
Astronomer från University of Melbourne överväger också en engångshändelse, där objektet tog upp material från sin omgivning eller från en följeslagare. Detta material kunde tillfälligt aktivera emissionen, som skulle upphöra när ”bränslet” var förbrukat. En liknande mekanism observeras hos vissa röntgentransienter, där ackretion av massa utlöser tillfällig aktivitet.
Vad ASKAP J1424 lär oss om radiohimlens dynamik
I årtionden koncentrerade sig radioastronomi främst på stabila källor som galaxer, kvasarer eller supernovarester. Först under de senaste åren, med framväxten av nya instrument som ASKAP, LOFAR och MeerKAT, har det blivit tydligt hur dynamisk radiohimlen faktiskt är.
Signaler som ASKAP J1424 bevisar existensen av en hel population av objekt som ”blinkar” på tidsskalor av dagar, timmar eller minuter. De dyker upp, sänder ut en serie pulser och tystnar sedan under en okänd period. Traditionella observationskampanjer med långa exponeringar av ett område skulle lätt ha missat dessa objekt.
ASKAP-radioteleskopet fungerar som en snabb himmelsskanner som regelbundet återvänder till samma områden och registrerar förändringar. Detta tillvägagångssätt påminner om trafikövervakning – de flesta objekten är ”fasta ljus”, men då och då dyker det upp en plötslig glimt, den kosmiska ekvivalenten till en ambulans med blinkande ljus. Utan bred täckningsförmåga och hög repetitionsfrekvens skulle ASKAP J1424 sannolikt ha undgått uppmärksamheten.
Forskarna planerar under de kommande åren att fortsätta den systematiska övervakningen av det område varifrån signalen kom. Om ASKAP J1424 aktiveras igen kommer en serie nya pulser göra det möjligt att verifiera om dess period har förändrats. Även mindre förändringar i rytmen eller pulsformen kan avslöja om det handlar om rotation av ett objekt eller den orbitala dansen mellan två stjärnor. Parallella observationer i det optiska och infraröda spektrumet med teleskop som Gemini eller teleskop tillhörande det europeiska observatoriet ESO kunde avslöja en svag visuell motsvarighet.
Varför dessa gåtfulla signaler är viktiga för astrofysiken
Varje ny typ av kompakt objekt förändrar vår förståelse av hur stjärnor avslutar sina liv och hur de påverkar den omgivande miljön. ASKAP J1424 och liknande källor kan hjälpa till att precisera modeller för gravitationsvågor, typ Ia-supernovor eller fördelningen av tunga grundämnen i vår galax. En bättre förståelse av dessa källor kan dessutom förbättra kalibreringen av gravitationsvågsdetektorer som LIGO och Virgo.
Dessa till synes exotiska signaler har en bredare betydelse för kosmologin och fysiken bakom materiens extrema tillstånd. Neutronstjärnor och vita dvärgar representerar laboratorier med förhållanden som inte kan återskapas på jorden – densiteter i storleksordningen miljoner ton per kubikcentimeter och magnetfält biljoner gånger starkare än jordens.
En förståelse av de mekanismer som möjliggör en så regelbunden och samtidigt extremt långsam pulsering kunde avslöja helt nya fysiska processer. Forskare hoppas att ytterligare observationer med instrument som SKA (Square Kilometre Array), som för närvarande är under uppbyggnad, kommer att ge svar på de frågor som ASKAP J1424 har väckt. När SKA är fullt operativt kommer dess känslighet att vara hundra gånger större än dagens instrument, vilket kommer att göra det möjligt att upptäcka även mycket svaga och avlägsna transienter.
ASKAP J1424 påminner oss om att även i en epok med kraftfulla teleskop stöter vi fortfarande på fenomen som inte passar in i färdiga scheman. Just sådana ”besvärliga” signaler leder ofta till en revision av gamla teorier och utvecklingen av nya instrument – en äkta kosmisk deckare där varje nytt bevis hjälper till att sätta samman pusslet om den kosmiska verkligheten.
