Ett kosmiskt ur som bara slutade ticka
Radioteleskop fångade upp ett objekt som fungerade som ett kosmiskt urverk med sekundprecision – ända tills dess emissioner utan förvarning upphörde helt. Forskare söker nu förklaringar till en av de mest gåtfulla radioobservationerna på länge.
Det australiensiska radioteleskopet ASKAP registrerade en signal som upprepade sig med extraordinär regelbundenhet var 36:e minut. Objektet, som astronomer döpte till ASKAP J1424, sände ut sina pulser under ungefär åtta dagar – sedan upphörde aktiviteten lika abrupt som den börjat. Ingen avtagning, ingen gradvis övergång till tystnad. Bara ett plötsligt försvinnande från radiospektrumet.
Det här typen av fenomen utmanar nuvarande modeller för kompakta objekts utveckling. Klassiska pulsarer, alltså snabbt roterande neutronstjärnor, har perioder i storleksordningen millisekunder till sekunder. ASKAP J1424 med sin cykel på 2 147 sekunder passar inte in i den kategorin. Forskare från flera observatorier försöker nu avgöra om det rör sig om en extremt långsam neutronstjärna, en vit dvärg med ovanligt starkt magnetfält, eller en helt ny typ av objekt.
Ursprungsdata kommer från EMU-projektet, som använder Australian SKA Pathfinder för systematisk övervakning av stora himmelszoner. Detta tillvägagångssätt gör det möjligt att fånga övergående fenomen som klassisk djupbildtagning av en enda punkt troligen skulle missa. Utan regelbunden, upprepad skanning hade ASKAP J1424 förblivit okänt.
Varför signalen varade i bara åtta dagar och sedan försvann spårlöst
Forskarna fokuserade på aktivitetsperioden hos ASKAP J1424 och försökte fastställa vad som kunde ha orsakat dess plötsliga tystnad. Under de åtta dagarna av observerbarhet sände källan ut radiopulser med nästan identisk period, där tidsintervallen skilde sig med bara bråkdelar av en sekund. En sådan stabilitet tyder på ett roterande kompakt objekt med ett mycket starkt och välordnat magnetfält.
Efterföljande övervakning med andra radio- och optiska teleskop – inklusive Gemini-observatoriet – gav inga positiva resultat. På den plats varifrån signalen kom finns ingen tydlig optisk motpart. Infraröda observationer visade heller ingenting ovanligt. Det tyder på att merparten av energin frigörs just i radiobandet, medan objektet förblir praktiskt taget osynligt i övriga delar av spektrumet.
Forskare vid Curtin University och University of Sydney lutade åt hypotesen om en neutronstjärna med ultralong period, men dess rotation kring sin egen axel borde enligt vanliga modeller vara betydligt snabbare. En vit dvärg skulle teoretiskt kunna rotera långsammare, men att generera en så intensiv radiosignal skulle kräva ett extremt starkt magnetfält – något som normalt inte observeras hos denna objektklass.
Vilka egenskaper har radiosignalen från ASKAP J1424
En nyckelegenskap hos signalen är dess fullständiga polarisering. Det innebär att de elektromagnetiska vågorna oscillerar i en kraftigt ordnad riktning, något som bara förekommer i miljöer med ett exceptionellt starkt och organiserat magnetfält. Under de åtta dagarnas observation noterade forskarna övergångar mellan elliptisk och linjär polarisering, vilket tyder på en komplex struktur hos magnetfältslinjerna runt källan.
Analysen av pulsens form avslöjade ytterligare en intressant detalj. Varje puls varade ungefär lika länge och hade en konsekvent intensitetsprofil. Denna regelbundenhet påminner om klassiska pulsarers beteende, fast i en mycket längre tidsskala. Forskare från CSIRO jämförde ASKAP J1424 med andra långperiodiska källor som magnetarer eller ultralånga transienter, men matchningen var inte perfekt.
Radioteleskopet ASKAP består av 36 antenner utspridda i västra Australien, och dess breda synfält gör det möjligt att kartlägga stora himmelszoner på kort tid. Tack vare detta kan det avslöja övergående objekt som bara är aktiva under en begränsad period. Det var just förmågan att återkommande besöka samma himmelszoner som hjälpte till att identifiera ASKAP J1424 under dess aktiva fas.
Karakteristiska egenskaper hos ASKAP J1424 inkluderar:
- en emissionsperiod på 2 147 sekunder, alltså nästan 36 minuter
- en aktiv fas på ungefär åtta dagar
- fullständigt polariserad radiosignal
- avsaknad av optisk eller infraröd motpart
- övergångar mellan olika polariseringstyper under enskilda pulser
- abrupt avslutning av emissionen utan gradvis avtagning
- stabil pulsform under hela den observerbara perioden
En ny objektkategori: långperiodiska radiotransienter
Under de senaste åren stöter astronomer allt oftare på källor som beter sig annorlunda än kända pulsarer. Dessa objekt sänder ut pulser i intervall mätta i minuter till timmar, snarare än sekunder eller millisekunder. Därför har begreppet långperiodiska radiotransienter uppstått, som ett samlingsnamn för en hel grupp av gåtfulla källor.
Klassiska neutronstjärnor har rotationsperioder från bråkdelar av en sekund upp till några sekunder. En typisk millisekundpulsar fullföljer en rotation på en tusendels sekund, medan långsammare exemplar roterar på några sekunder. ASKAP J1424 med sin 36-minuterscykel befinner sig långt bortom gränserna för standardmodellerna.
Forskare antar att långperiodiska transienter antingen kan utgöra extremt långsamma neutronstjärnor eller en helt annan population av kompakta objekt. Bland andra kända exempel i denna kategori finns objekt som GCRT J1745 och GPM J1839, vilka också uppvisar ovanligt långa perioder och övergående aktivitet.
Vilka hypoteser kan förklara ASKAP J1424:s beteende
Forskarteamet publicerade i en vetenskaplig tidskrift flera möjliga förklaringar. Den första hypotesen arbetar med en ultralong roterande neutronstjärna med ett extremt starkt magnetfält. Ett sådant objekt skulle teoretiskt kunna generera radiopulser även med en period på tiotals minuter, om dess magnetiska poler vore tillräckligt starka och korrekt orienterade.
Det andra scenariot räknar med en vit dvärg som har ett ovanligt starkt magnetfält och 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 är inte kapabla att producera så intensiva radiosignaler.
Det mest fascinerande är det tredje alternativet: ett tätt dubbelstjärnesystem bestående av två vita dvärgar. I det fallet skulle bådas magnetfält kunna samverka och vid en viss orbital konfiguration generera stark radioemission. En förändring av deras inbördes läge skulle sedan leda till att signalen ”stängs av”.
Astronomer vid University of Melbourne överväger också en engångshändelse där objektet fångade material från omgivningen eller från en följeslagarstjärna. Detta material skulle tillfälligt kunna aktivera emissionen, som sedan upphörde när ”bränslet” tog slut. En liknande mekanism observeras hos vissa röntgentransienter, där ackretionen av massa utlöser tillfällig aktivitet.
Vad ASKAP J1424 lär oss om radiohimmelens dynamik
Under decennier fokuserade radioastronomi framför allt på stabila källor som galaxer, kvasarer eller supernovarester. Först under de senaste åren, med tillkomsten av nya instrument som ASKAP, LOFAR och MeerKAT, framträder hur dynamisk radiohimlen egentligen är.
Signaler som ASKAP J1424 bevisar att det finns en hel population objekt som ”blinkar” på tidsskalor av dagar, timmar eller minuter. De dyker upp, sänder en serie pulser och tystnar sedan under okänd tid. Traditionella observationskampanjer med långa exponeringar av ett enda område hade lätt missat dessa objekt.
Radioteleskopet ASKAP fungerar som en snabb himmelsskanner som regelbundet återvänder till samma zoner och spårar förändringar. Detta tillvägagångssätt påminner om trafikövervakning – de flesta objekt är ”stående ljus”, men ibland dyker ett plötsligt blixtljus upp, kosmikens motsvarighet till en utrycknande ambulans. Utan bred täckningsförmåga och hög upprepningsfrekvens hade ASKAP J1424 troligen undgått uppmärksamhet.
Forskarna planerar att under kommande år fortsätta systematiskt övervaka det område varifrån signalen kom. Om ASKAP J1424 aktiveras igen kan en ny serie pulser bekräfta om perioden har förändrats. Även små förändringar i rytm eller pulsform kan avslöja om det rör sig om ett enda objekts rotation eller en orbital dans mellan två stjärnor. Parallella observationer i optiskt och infrarött spektrum med teleskop som Gemini eller ESO:s europeiska observatoriums teleskop skulle kunna avslöja en svag visuell motpart.
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 sin omgivning. ASKAP J1424 och liknande källor kan hjälpa till att förfina modeller för gravitationsvågor, typ Ia-supernovor eller distributionen 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 kring extrema tillstånd hos materian. Neutronstjärnor och vita dvärgar utgör laboratorier med förhållanden som inte kan replikeras på jorden – tätheter i storleksordningen miljontals ton per kubikcentimeter och magnetfält biljoner gånger starkare än jordens.
Att förstå mekanismerna bakom en så regelbunden och ändå extremt långsam pulsering skulle kunna avslöja nya fysikaliska processer. Forskarna hoppas att fortsatta observationer med instrument som SKA (Square Kilometre Array), som för närvarande är under konstruktion, ska ge svar på de frågor som ASKAP J1424 väckt. När SKA är fullt operationellt kommer dess känslighet att vara hundra gånger större än nuvarande instruments, vilket möjliggör detektion av även mycket svaga och avlägsna transienter.
ASKAP J1424 påminner oss om att även i en era av kraftfulla teleskop stöter vi fortfarande på fenomen som inte passar in i färdiga scheman. Det är just sådana ”besvärliga” signaler som ofta leder till omvärdering av gamla teorier och utveckling av nya instrument. Man kan se det som en kosmisk deckare, där varje nytt bevis hjälper till att lägga ihop pusslet av den kosmiska verkligheten.
