Οι αστρονόμοι προετοιμάζονται για μια επανάσταση στους εντοπισμούς γρήγορων ραδιοφωνικών εκρήξεων

Οι αστρονόμοι προετοιμάζονται για μια επανάσταση στους εντοπισμούς γρήγορων ραδιοφωνικών εκρήξεων

Χρονική σήμανση: 17 Απριλίου 2023 6:00 π.μ.

Τηλεσκόπιο ΑΣΚΑΠ
Το μάτι στον ουρανό: το Square Kilometer Array Pathfinder στη Δυτική Αυστραλία εντοπίζει γρήγορες ραδιοφωνικές εκρήξεις με ακρίβεια δευτερολέπτου τόξου από το 2017 (Ευγενική προσφορά: CSIRO)

Οι αστρονόμοι ραδιοφώνου σε όλο τον κόσμο προετοιμάζονται για έναν μετασχηματισμό στην ικανότητά τους να εντοπίζουν γρήγορες ραδιοφωνικές εκρήξεις (FRB). Πριν από το τέλος του έτους, οι αναβαθμίσεις σε μια σουίτα κυνηγετικών τηλεσκοπίων FRB αναμένεται να αυξήσουν τον ρυθμό εντοπισμού των FRB στους γαλαξίες υποδοχής τους κατά περισσότερο από μια τάξη μεγέθους – δυνητικά φέρνοντας επανάσταση στην κατανόησή μας για το σύμπαν.

Τα FRB που ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά το 2007 είναι έντονες εκρήξεις ραδιοκυμάτων που διαρκούν λιγότερο από μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου. Έρχονται σε δύο βασικούς τύπους: είτε από πηγές που επαναλαμβάνονται είτε από πηγές που δεν επαναλαμβάνονται. Αλλά από τα 1000 περίπου FRB που έχουν εντοπιστεί, μόνο γύρω Το 3% έχει αποδειχθεί ότι επαναλαμβάνει.

Καθώς διαρκούν για τόσο σύντομο χρονικό διάστημα, είναι αδύνατο να προγραμματιστούν επακόλουθες παρατηρήσεις, γεγονός που καθιστά δύσκολο να προσδιοριστεί από πού προέρχονται οι FRB. Όλα τα όργανα πρέπει να είναι έτοιμα για να καταγράψουν τη θέση ενός FRB, όποτε μπορεί να φτάσει. Πράγματι, μέχρι πρόσφατα, οι αστρονόμοι είχαν μόλις εντοπιστεί δύο δωδεκάδες FRB.

Ενώ τα περισσότερα FRB έχουν εξωγαλαξιακή προέλευση, ένα γαλαξιακό FRB εντοπίστηκε πρόσφατα στο Milky Way το 2020 από ένα μαγνητάρι – ένα αστέρι νετρονίων με μεγάλο μαγνητικό πεδίο. Τα FRB αποδεικνύονται, ωστόσο, χρήσιμα για την κοσμολογία χάρη σε έναν παράγοντα που ονομάζεται «μέτρο διασποράς» (DM). Η μέτρηση του DM επιτρέπει στους αστρονόμους να υπολογίσουν τον αριθμό των ελεύθερων ηλεκτρονίων κατά μήκος της οπτικής γραμμής του FRB και έτσι να καθορίσουν άμεσα την πυκνότητα ηλεκτρονίων στο σύμπαν.

«Αυτά τα ηλεκτρόνια μπορεί να είναι δύσκολο να παρατηρηθούν, καθώς τα περισσότερα από αυτά βρίσκονται σε πολύ διάχυτο αέριο», λέει ο Steffen Hagstotz, κοσμολόγος από το Πανεπιστήμιο Ludwig Maximilian του Μονάχου. «Με αυτή την έννοια, οι FRB είναι πραγματικά συμπληρωματικοί με άλλους ανιχνευτές, όπως ο ασθενής φακός, ο οποίος μας λέει κυρίως για την κατανομή της σκοτεινής ύλης. Μελετώντας και τα δύο, μπορούμε να μάθουμε περισσότερα για το πώς η συνηθισμένη ύλη εντοπίζει τη σκοτεινή ύλη σε κοσμολογική κλίμακα».

Υπάρχουν επίσης διάφορες αντικρουόμενες μετρήσεις του σημερινού ρυθμού διαστολής του σύμπαντος, που ονομάζεται σταθερά Hubble. Η συμφιλίωση αυτής της «έντασης Hubble» θεωρείται μία από αυτές τα πιο πιεστικά ζητήματα στη σύγχρονη κοσμολογία. Τα FRB προσφέρουν μια εναλλακτική διαδρομή για τον προσδιορισμό της σταθεράς Hubble διερευνώντας τη σχέση μέτρησης μετατόπισης προς το ερυθρό-διασποράς. Hagstotz πρόσφατα συνέγραψε μια μελέτη διαπιστώνοντας ότι ένα δείγμα μόνο περίπου 500 εντοπισμένων FRB θα ήταν αρκετό για να μετρηθεί ανταγωνιστικά η σταθερά Hubble.

Τραγική ιδέα

Η τρέχουσα έλλειψη εντοπισμένων FRB έχει ωθήσει ομάδες αστρονόμων ραδιοφώνου σε όλο τον κόσμο να συμπιέσουν την απόδοση των εγκαταστάσεων τους. Ο Vikram Ravi από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια ξεκίνησε τον αγώνα FRB στο Αμερικανική Αστρονομική Εταιρεία συνάντηση τον Ιανουάριο, όταν ανακοίνωσε την τοποθέτηση 30 νέων FRB με το ολοκαίνουργιο Deep Synoptic Array (DSA) στην Καλιφόρνια. Κατά τη θέση σε λειτουργία του το 2022, το DSA εντόπισε περισσότερες από μία ριπές την εβδομάδα χρησιμοποιώντας μόνο 63 από τις 110 κεραίες που θα έχει τελικά το DSA.

Εάν το DSA είναι το νέο παιδί στο μπλοκ μεταξύ των ραδιοτηλεσκοπίων, τότε το Pathfinder συστοιχίας τετραγωνικών χιλιομέτρων (ΑΣΚΑΠ) στη Δυτική Αυστραλία είναι ήδη γνώριμο πρόσωπο. Το πρόγραμμα Commensal Real-Time ASKAP Fast Transients Survey (CRAFT) ξεκίνησε για πρώτη φορά να εντοπίζει FRB με ακρίβεια δευτερολέπτου τόξου το 2017, καθιστώντας δυνατή να μελετήσει γαλαξίες-ξενιστές FRB. Το CRAFT επιστρέφει στο ASKAP χρησιμοποιώντας ένα συμπλέγμα υπολογιστών αναζήτησης FRB, το οποίο σαρώνει ταυτόχρονα το οπτικό του πεδίο 30 τετραγωνικών μοιρών για μεταβατικά ραδιόφωνα παράλληλα με άλλες παρατηρήσεις.

Το CRAFT, μέχρι τώρα, λειτουργούσε αθροίζοντας ασυνάρτητα τα σήματα από τα 36 παραβολικά πιάτα του, αλλά αυτό πρόκειται να αλλάξει με μια αναβάθμιση που ονομάζεται CRACO. Η ασυνάρτητη άθροιση βελτιώνει την ευαισθησία κατά την τετραγωνική ρίζα του αριθμού των πιάτων, ενώ η ευαισθησία της συνεπούς άθροισης βελτιώνει την ευαισθησία γραμμικά με τον αριθμό των πιάτων.

Η συνεκτική αναζήτηση, ωστόσο, απαιτεί 65,000 φορές περισσότερη ισχύ επεξεργασίας δεδομένων, ένα κατόρθωμα που κατέστη δυνατό με μια αναβάθμιση 1 εκατομμυρίου δολαρίων Αυστραλία στο σύμπλεγμα υπολογιστών του οργάνου. «Το CRACO θα είναι 5 φορές πιο ευαίσθητο με το ίδιο οπτικό πεδίο από το τρέχον σύστημα ανίχνευσης FRB που χρησιμοποιούμε στο ASKAP», λέει ο Keith Bannister, κύριος ερευνητής μηχανικός στον Οργανισμό Επιστημονικής και Βιομηχανικής Έρευνας της Κοινοπολιτείας της Αυστραλίας, ο οποίος λειτουργεί το ASKAP.

Το CRACO εργάζεται φτιάχνοντας μια ταινία του ουρανού και αναζητώντας ένα FRB σε αυτήν την ταινία. «Το μέγεθος της εικόνας είναι 2.5 εκατομμύρια pixel – παρόμοιο με το βίντεο Full HD», προσθέτει ο Bannister. "1000 φορές το δευτερόλεπτο, δοκιμάζουμε 1000 διαφορετικές δοκιμές DM, συνολικού αριθμού 1 εκατομμυρίου εικόνων ανά δευτερόλεπτο - περίπου 25 τρισεκατομμύρια pixels ανά δευτερόλεπτο."

Η CRACO βρίσκεται επί του παρόντος σε μια τρίμηνη περίοδο έναρξης λειτουργίας, με την προσδοκία ότι μόλις εγκατασταθεί το πλήρες cluster μέχρι το τέλος του έτους, το ποσοστό ανίχνευσης της ASKAP θα αυξηθεί από 10 έως 20 φορές, βρίσκοντας πολλά FRB την εβδομάδα.

Ενώ ο ASKAP ωθεί τα όρια ευαισθησίας για να ανιχνεύσει περισσότερα FRB, το Καναδικό πείραμα χαρτογράφησης έντασης υδρογόνου Το (CHIME) στη Βρετανική Κολομβία έχει ήδη την πολυτέλεια να ανιχνεύει πολλά FRB την ημέρα χάρη στο εκπληκτικό οπτικό του πεδίο των 200 τετραγωνικών μοιρών. Ωστόσο, η χαμηλή ανάλυση του CHIME σημαίνει ότι μπορεί να εντοπίζει αξιόπιστα FRB μόνο από κοντινούς γαλαξίες. Οι μηχανικοί στο CHIME επέλεξαν να βελτιώσουν την απόδοση στα σύνορα ανάλυσης κατασκευάζοντας τα λεγόμενα "outriggers" - πανομοιότυπες αλλά μειωμένες εκδόσεις του τηλεσκοπίου CHIME.

«Η αναβάθμιση των outriggers του έργου CHIME/FRB αποτελείται από τρία mini-CHIME», λέει Ζίγκι Πλεύνης από το Πανεπιστήμιο του Τορόντο. Αυτοί οι εξάρτες, που εδρεύουν στη Βρετανική Κολομβία, τη Δυτική Βιρτζίνια και την Καλιφόρνια, απλώνονται 100–3300 km από το CHIME, παρέχοντας στο CHIME ανάλυση περίπου 50 χιλιοστών του δευτερολέπτου, επιτρέποντάς του να εντοπίσει τους FRB μέσα στους γαλαξίες που τους φιλοξενούν.

Οι εργασίες για τα εξαρτήματα προεξοχής προχωρούν με ταχείς ρυθμούς, σύμφωνα με τον Pleunis: «Δύο έχουν ήδη κατασκευαστεί και οργανωθεί, και το έδαφος τώρα ισοπεδώνεται για την τρίτη θέση». Το outrigger στη Βρετανική Κολομβία βρίσκεται ήδη σε λειτουργία και μάλιστα συλλέγει δεδομένα και ο Pleunis προσθέτει ότι ο στόχος είναι να λειτουργήσουν και τα τρία τηλεσκόπια φέτος, μετά την οποία η συνεργασία CHIME/FRB θα βελτιστοποιήσει τα όργανά τους εξασκώντας σε γνωστές επαναλαμβανόμενες πηγές προτού προχωρήσει σε εντοπισμός νέων. «Τότε ελπίζουμε να αρχίσουμε γρήγορα να τοπικοποιούμε τα FRB», προσθέτει.

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής