Astronomer rustade för en revolution inom snabba radioburstlokaliseringar

Radioastronomer över hela världen rustar sig för en omvandling av deras förmåga att lokalisera snabba radioskurar (FRB). Före årets slut förväntas uppgraderingar av en svit av FRB-jaktteleskop öka lokaliseringshastigheten för FRB till deras värdgalaxer med mer än en storleksordning – vilket potentiellt revolutionerar vår förståelse av universum.

FRB upptäcktes först 2007 och är intensiva skurar av radiovågor som varar mindre än några millisekunder. De finns i två huvudtyper: antingen från källor som upprepar sig eller de som inte gör det. Men av de 1000 eller så FRB som har upptäckts, bara runt 3 % har visat sig upprepas.

Eftersom de varar under så kort tid är det omöjligt att schemalägga uppföljande observationer, vilket gör det svårt att ta reda på varifrån FRB kommer. Alla instrument måste stå redo för att fånga platsen för en FRB, när den än anländer. Faktum är att, tills nyligen, hade astronomer knappt lokaliserat sig två dussin FRB.

Medan de flesta FRB har extragalaktiska ursprung, upptäcktes en galaktisk FRB nyligen i Vintergatan 2020 från en magnetar – en neutronstjärna med ett stort magnetfält. FRB visar sig dock vara användbara för kosmologi tack vare en faktor som kallas "spridningsmåttet" (DM). Genom att mäta DM kan astronomer beräkna antalet fria elektroner längs FRB:s siktlinje och därmed direkt bestämma elektrontätheten i universum.

"Dessa elektroner kan vara svåra att observera, eftersom de flesta av dem är i mycket diffus gas", säger Steffen Hagstotz, en kosmolog vid Ludwig Maximilian-universitetet i München. "I denna mening är FRB verkligen komplementära till andra sonder som svag linsning, som mestadels berättar om fördelningen av mörk materia. Genom att studera båda kan vi lära oss mer om hur vanlig materia spårar mörk materia på kosmologiska skalor.”

Det finns också olika motstridiga mätningar av universums nuvarande expansionshastighet, kallad Hubble-konstanten. Att förena denna "Hubbles spänning" anses vara en av dem de mest angelägna frågorna i modern kosmologi. FRB erbjuder en alternativ väg för att bestämma Hubble-konstanten genom att undersöka relationen mellan rödförskjutning och spridning. Hagstotz nyligen var medförfattare till en studie fann att ett urval av endast cirka 500 lokaliserade FRB:er skulle vara tillräckligt för att konkurrenskraftigt mäta Hubble-konstanten.

En knäpp idé

Den nuvarande bristen på lokaliserade FRB har sporrat team av radioastronomer över hela världen att pressa prestandan på sina anläggningar. Vikram Ravi från California Institute of Technology sparkade igång FRB-loppet på American Astronomical Society möte i januari när han tillkännagav lokaliseringen av 30 nya FRB med den helt nya Deep Synoptic Array (DSA) i Kalifornien. Under driftsättningen 2022 upptäckte DSA mer än en skur per vecka med bara 63 av de 110 antenner som DSA så småningom kommer att ha.

Om DSA är det nya barnet på blocket bland radioteleskop, då Square Kilometer Array Pathfinder (ASKAP) i västra Australien är redan ett bekant ansikte. Dess Commensal Real-Time ASKAP Fast Transients Survey (CRAFT)-program började först lokalisera FRB:er med sub-bågesekunders noggrannhet 2017, vilket gjorde det möjligt att studera FRB-värdgalaxer. CRAFT piggybacks till ASKAP genom att använda ett FRB-sökande datorkluster, som samtidigt skannar dess 30 kvadratgraders synfält efter radiotransienter parallellt med andra observationer.

CRAFT har hittills opererat genom att osammanhängande summera signalerna från sina 36 paraboliska rätter, men detta är på väg att förändras med en uppgradering som kallas CRACO. Inkoherent summering förbättrar känsligheten med kvadratroten av antalet rätter, medan känsligheten för koherent summering förbättrar känsligheten linjärt med antalet rätter.

Koherent sökning kräver dock 65,000 1 gånger mer databearbetningskraft, en bedrift som möjliggjorts av en uppgradering av A$5 miljon till instrumentets datorkluster. "CRACO kommer att vara XNUMX gånger känsligare med samma synfält än det nuvarande FRB-detektionssystem vi använder på ASKAP", säger Keith Bannister, forskningsingenjör vid Australiens Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation, som driver ASKAP.

Klart av bygget för 2 miljarder euro Square Kilometer Array

CRACO fungerar genom att göra en film av himlen och leta efter en FRB i den här filmen. "Bildstorleken är 2.5 miljoner pixlar - liknande full HD-video", tillägger Bannister. "1000 gånger per sekund provar vi 1000 olika DM-försök, totalt 1 miljon bilder per sekund – cirka 25 biljoner pixlar per sekund."

CRACO genomgår för närvarande en driftsättningsperiod på tre månader, med förväntningen att när hela klustret är installerat i slutet av året kommer ASKAP:s upptäcktshastighet att öka med mellan 10 och 20 gånger, och hitta flera FRB:er per vecka.

Medan ASKAP tänjer på känslighetsgränsen för att upptäcka fler FRB:er Kanadensiskt experiment för kartläggning av väteintensitet (CHIME) i British Columbia har redan lyxen att upptäcka flera FRB per dag tack vare dess häpnadsväckande synfält på 200 kvadratgrader. CHIMEs låga upplösning betyder dock att den på ett tillförlitligt sätt kan lokalisera FRB:er endast från närliggande galaxer. Ingenjörer på CHIME har valt att förbättra prestandan på upplösningsgränsen genom att konstruera så kallade "outriggers" - identiska men ändå förminskade versioner av CHIME-teleskopet.

"Utriggers uppgradering av CHIME/FRB-projektet består av tre mini-CHIMEs," säger Ziggy Pleunis från University of Toronto. Dessa stödben, baserade i British Columbia, West Virginia och Kalifornien är spridda 100–3300 km från CHIME, vilket ger CHIME en upplösning på cirka 50 millibågesekunder, vilket gör det möjligt för den att peka FRB:er till sina värdgalaxer.

Arbetet med stödbenen fortskrider snabbt enligt Pleunis: "Två har redan konstruerats och instrumenterats, och marken jämnas nu ut för den tredje platsen." Stötbenet i British Columbia genomgår redan idrifttagning och till och med insamling av data och Pleunis tillägger att målet är att alla tre teleskopen ska fungera i år, varefter CHIME/FRB-samarbetet kommer att optimera sina instrument genom att öva på kända återkommande källor innan de går vidare till upptäcka nya. "Då kan vi förhoppningsvis snabbt börja lokalisera FRBs", tillägger han.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/astronomers-braced-for-a-revolution-in-fast-radio-burst-localizations/