Astronomi so pripravljeni na revolucijo v lokalizaciji hitrih radijskih izbruhov

Astronomi so pripravljeni na revolucijo v lokalizaciji hitrih radijskih izbruhov

Časovni žig: 17. april 2023 6

ASKAP teleskop
Eye uprt v nebo: Square Kilometer Array Pathfinder v Zahodni Avstraliji od leta 2017 lokalizira hitre radijske izbruhe z natančnostjo pod ločno sekundo (z dovoljenjem: CSIRO)

Radijski astronomi po vsem svetu se pripravljajo na preobrazbo svoje sposobnosti lokalizacije hitrih radijskih izbruhov (FRB). Pred koncem leta naj bi nadgradnje nabora teleskopov za lov na FRB povečale stopnjo lokalizacije FRB v njihovih gostiteljskih galaksijah za več kot red velikosti – kar bi lahko spremenilo naše razumevanje vesolja.

Prvič odkriti leta 2007 so FRB intenzivni izbruhi radijskih valov, ki trajajo manj kot nekaj milisekund. Prihajajo v dveh glavnih vrstah: iz virov, ki se ponavljajo, ali tistih, ki se ne ponavljajo. Toda od približno 1000 FRB, ki so jih odkrili, le okoli Dokazano je, da se ponavljajo 3 %.

Ker trajajo tako kratek čas, je nemogoče načrtovati nadaljnja opazovanja, zaradi česar je težko ugotoviti, od kod prihajajo FRB. Vsi instrumenti morajo biti pripravljeni, da zajamejo lokacijo FRB, kadar koli prispe. Dejansko so do nedavnega astronomi komaj lokalizirali dva ducata FRB-jev.

Medtem ko ima večina FRB zunajgalaktični izvor, je bil galaktični FRB nedavno odkrit v Mlečna cesta leta 2020 iz magnetarja – nevtronske zvezde z velikim magnetnim poljem. Izkazalo pa se je, da so FRB uporabni za kozmologijo zaradi faktorja, imenovanega "mera disperzije" (DM). Merjenje DM omogoča astronomom, da izračunajo število prostih elektronov vzdolž vidne črte FRB in tako neposredno določijo gostoto elektronov v vesolju.

"Te elektrone je težko opazovati, saj jih je večina v zelo difuznem plinu," pravi Steffen Hagstotz, kozmolog z Univerze Ludwiga Maximiliana v Münchnu. »V tem smislu so FRB resnično komplementarni drugim sondam, kot je šibka leča, ki nam večinoma pove o porazdelitvi temne snovi. S preučevanjem obeh lahko izvemo več o tem, kako navadna snov sledi temni snovi na kozmoloških lestvicah.«

Obstajajo tudi različne nasprotujoče si meritve današnje hitrosti širjenja vesolja, imenovane Hubblova konstanta. Usklajevanje te "Hubble napetosti" velja za enega od najbolj pereča vprašanja sodobne kozmologije. FRB-ji ponujajo alternativno pot za določanje Hubblove konstante s preizkušanjem razmerja mere rdečega premika in disperzije. Hagstotz nedavno soavtor študije ugotovitev, da bi vzorec samo približno 500 lokaliziranih FRB zadostoval za konkurenčno merjenje Hubblove konstante.

Čudovita ideja

Sedanje pomanjkanje lokaliziranih FRB-jev je spodbudilo skupine radijskih astronomov po vsem svetu, da zmanjšajo zmogljivost svojih naprav. Vikram Ravi s Kalifornijskega inštituta za tehnologijo je začel dirko FRB na Ameriško astronomsko društvo sestanku januarja, ko je napovedal lokalizacijo 30 novih FRB s povsem novim Deep Synoptic Array (DSA) v Kaliforniji. Med zagonom leta 2022 je DSA zaznal več kot en izbruh na teden z uporabo samo 63 od 110 anten, ki jih bo DSA sčasoma imel.

Če je DSA novinec med radijskimi teleskopi, potem je Square Kilometer Array Pathfinder (ASKAP) v Zahodni Avstraliji je že znan obraz. Njegov program Commensal Real-Time ASKAP Fast Transients Survey (CRAFT) je leta 2017 prvič začel lokalizirati FRB z natančnostjo pod ločno sekundo, kar je omogočilo za preučevanje gostiteljskih galaksij FRB. CRAFT se poveže z ASKAP z uporabo računalniške gruče za iskanje po FRB, ki vzporedno z drugimi opazovanji skenira svoje 30 kvadratnih stopinj vidnega polja za radijske prehode.

CRAFT je do zdaj deloval tako, da je neskladno sešteval signale iz svojih 36 paraboličnih krožnikov, vendar se bo to spremenilo z nadgradnjo, imenovano CRACO. Nekoherentno seštevanje izboljša občutljivost za kvadratni koren števila krožnikov, medtem ko občutljivost koherentnega seštevanja izboljša občutljivost linearno s številom krožnikov.

Koherentno iskanje pa zahteva 65,000-krat več moči za obdelavo podatkov, kar je omogočila nadgradnja računalniške skupine instrumenta v vrednosti 1 milijona avstralskih dolarjev. »CRACO bo 5-krat bolj občutljiv z enakim vidnim poljem kot trenutni sistem zaznavanja FRB, ki ga uporabljamo na ASKAP,« pravi Keith Bannister, glavni raziskovalni inženir pri avstralski organizaciji Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation, ki upravlja ASKAP.

CRACO dela tako, da posname film neba in v tem filmu išče FRB. »Velikost slike je 2.5 milijona slikovnih pik – podobno videu polne visoke ločljivosti,« dodaja Bannister. "1000-krat na sekundo poskusimo 1000 različnih poskusov DM, skupaj 1 milijon slik na sekundo - približno 25 trilijonov slikovnih pik na sekundo."

CRACO trenutno preživlja trimesečno obdobje zagona, pri čemer se pričakuje, da se bo, ko bo do konca leta nameščena celotna gruča, stopnja zaznavanja ASKAP povečala za 10- do 20-krat, pri čemer bo odkril več FRB-jev na teden.

Medtem ko ASKAP premika mejo občutljivosti za zaznavanje več FRB-jev, je Kanadski eksperiment preslikave intenzivnosti vodika (CHIME) v Britanski Kolumbiji že ima razkošje zaznavanja več FRB-jev na dan zahvaljujoč osupljivemu vidnemu polju 200 kvadratnih stopinj. Vendar nizka ločljivost CHIME pomeni, da lahko zanesljivo lokalizira FRB samo iz bližnjih galaksij. Inženirji pri CHIME so se odločili izboljšati zmogljivost na meji ločljivosti s konstruiranjem tako imenovanih "outriggerjev" – enakih, a pomanjšanih različic teleskopa CHIME.

"Nadgradnja zunanjih opornikov projekta CHIME/FRB je sestavljena iz treh mini-CHIME-jev," pravi Ziggy Pleunis z Univerze v Torontu. Ti izvlečki s sedežem v Britanski Kolumbiji, Zahodni Virginiji in Kaliforniji so razporejeni 100–3300 km od CHIME in zagotavljajo CHIME ločljivost približno 50 milisekund, kar mu omogoča natančno določanje FRB-jev znotraj njihovih gostiteljskih galaksij.

Po Pleunisovih besedah ​​dela na izvlečnih nosilcih potekajo hitro: "Dva sta bila že zgrajena in opremljena z instrumenti, zdaj pa se izravnava teren za tretjo lokacijo." Teleskop v Britanski Kolumbiji že naroča in celo zbira podatke, Pleunis pa dodaja, da je cilj, da vsi trije teleskopi delujejo letos, nato pa bo sodelovanje CHIME/FRB optimiziralo svoje instrumente z vadbo na znanih ponavljajočih se virih, preden se premakne na odkrivanje novih. "Potem lahko upamo, da bomo hitro začeli lokalizirati FRB-je," dodaja.

Časovni žig:

Več od Svet fizike