Chalmersledd forskning ger upptäckter om mystiska radioblixtar

Mysteriet kring radioblixtar klarnar i och med nya upptäckter publicerade i Nature Astronomy. Dessa gjordes av en internationell forskargrupp ledda av Franz Kirsten från Chalmers tekniska högskola i Göteborg och Onsala rymdobservatorium. Med sinnrika observationsmetoder, mycket tålamod, och en gnutta tur har gruppen upptäckt nya blixtar från neutronstjärnan SGR 1935+2154 som ligger inom Vintergatan, 30 000 ljusår från jorden.

Radioblixtar (på engelska Fast radio bursts, FRB) är ett relativt nyupptäckt naturfenomen med oklart ursprung. Franz Kirsten skrev en artikel så sent som i Populär Astronomi nr 2018-2 om fenomenet och forskningen som pågår kring detta. Kortfattat upptäckte amerikanska astronomer 2006 en plötslig och extremt stark puls av radiostrålning från en annan galax när de studerade data från 2001, från det Australienska radioteleskopet i Parkes. Pulsen kom att kallas för Lorimerutbrottet och är fortfarande en av de starkaste radioblixtar som uppmätts. Radioblixtar kan komma inom ett väldigt brett spann av radiofrekvenser och sker under bara några få millisekunder (tusendels sekunder).

Ursprunget till radioblixtarna har länge varit okänt. Fler upptäcktes men alla var från andra galaxer än Vintergatan, ibland så långt bort som miljarder ljusår. Blixtarna påminner om signaler från pulsarer, det vill säga snabbt roterande neutronstjärnor som skickar regelbundna pulser. Perioder hos pulsarer kan vara så korta som millisekunder till sekunder. Svarta hål är också en möjlig källa till radioblixtar, eller så kan de komma ifrån någonting helt nytt och tidigare okänt.

I april i år, 2020, upptäcktes en ny radioblixt. Detta var den starkaste någon hittills hade upptäckt, den första radioblixten med ursprung i Vintergatan, samt den första som också har en känd ursprungskälla; magnetaren SGR 1935+2154. En magnetar är en sorts neutronstjärna som har ovanligt starka magnetfält (ungefär tusen gånger starkare än hos vanliga neutronstjärnor). Radioblixten upptäcktes av både det Kanadensiska teleskopet CHIME och det amerikanska projektet STARE2 som nyttjar teleskop i Goldstone och OVRO i Kalifornien. Några dagar senare upptäcktes ytterligare en radioblixt från SGR 1935+2154 med det kinesiska jätteteleskopet FAST. Den radioblixten hade en mycket svagare intensitet, hela 25 miljoner gånger svagare än den första!

Franz Kirsten från Chalmers, och hans internationellt utspridda grupp av forskare fick då tid på fyra stycken radioteleskop i Europa: De svenska 20 och 25 meter-teleskopen på Onsala rymdobservatorium, ett av de 14 stycken 25 meter-teleskopen i Westerbork i Nederländerna, och 32 meter-teleskopet i Toruń i Polen. Vanligtvis när flera teleskop utspridda över stora avstånd används samtidigt görs det för att nå högre upplösning än vad ett ensamt teleskop kan. Dessa teleskop observerade istället varsitt band av frekvenser för att kunna täcka ett oerhört brett spann av frekvenser eftersom radioblixtars frekvens kan variera mycket.

– Exakt, detta är inga interferometriska observationer. Varje teleskop drevs som ett enskilt teleskop. Vi koordinerade observationerna så att de täcker kompletterande frekvenser. Vi är inte intresserade i hög upplösning här, utan tiden är det viktiga, berättar Franz Kirsten över E-post.

Franz Kirsten berättar mer om arbetet bakom upptäckten i Nature:s Behind the paper. Teleskopen observerade magnetaren under en period av fyra veckor i maj i år, 2020, upp mot 12 timmar nästan dagligen och sammanlagt knappt 523 timmar. Under tiden bearbetade och studerade laget kontinuerligt alla data. Under mer än tre veckor fångades inga radioblixtar. Det var en besvikelse men även icke-resultat är ett resultat så de började skissa på en artikel i alla fall. Att bearbeta data tar tid och först två veckor efter sista mätningarna var avslutade kom de till de sista datan. Där syntes två stycken starka radioblixtar med bara 1,4 sekunders mellanrum!

– Jag var först i laget med att se blixtarna eftersom det var jag som ansvarade för detektionsprogrammen, berättar Franz Kirsten. Jag såg först bara en blixt. En av kollegorna i gruppen, Mark Snelders, kollade noggrannare tiden runt radioblixten och hittade ytterligare en blixt! Detta gjorde oss ännu mer exalterade, som ni nog kan föreställa er. Blixtarna låg så nära varandra att algoritmen vi använde såg dem som en. Vi fick genast uppdatera våra sökparametrar för att inte missa några fler sådana blixtar i framtiden.

– Vi visste inte vad vi kunde vänta oss. Våra radioteleskop hade tidigare knappt kunnat se radioblixtar, och den här källan tycktes hålla på med något helt nytt. Vi hoppades att bli förvånade! Berättar Mark Sneldens i Chalmers pressmeddelande. Han är från Anton Pannekoek-institutet för astronomi vid Amsterdams universitet i Nederländerna.

Observationerna avslutades den 25 maj 2020 och då, efter fyra veckors observationer var det bara deras teleskop vid Westerbork i Nederländerna som fortfarande observerade.

– Vi såg tydligt två blixtar, extremt nära i tid. Precis som med blixten från samma källa den 28 april påminde detta om radioblixtarna som vi hade sett från det avlägsna universum, fast inte lika starka. De två blixtarna som vi upptäckte den 24 maj var ännu ljussvagare, berättar Kenzie Nimmo i Chalmers pressmeddelande, astronom vid Anton Pannekoek-institutet för astronomi och ASTRON, båda i Nederländerna.

Sammanlagt har nu alltså fyra stycken radioblixtar detekterats från SGR 1935+2154. De två första från april 2020 hade en intensitetsskillnad som var mer än 10 miljoner gånger stor. De här två nya radioblixtarna från maj 2020 har istället en styrka som är mitt emellan de två första. Upptäckten ger både svar och nya frågor:

– Vi har nu visat att denna magnetar verkar producera blixtar som täcker ett intensitetsspann så stort som sju storleksordningar [10 miljoner gånger]. Tidigare var detta inte alls tydligt. Vi hade sett den väldigt starka blixten som CHIME och STARE2 rapporterade, samt den relativt svaga blixten från FAST. Nu visade vi att det finns blixtar mitt emellan dessa två extremer. Det visar att snabba radioblixtar kan komma i alla möjliga intensiteter. Frågorna är vad som är den underliggande mekanismen och om den är samma för alla blixtar, berättar Franz Kirsten om upptäckten.

Tidigare observerades bara väldigt starka radioblixtar, antagligen för att alla kom från riktigt stora avstånd och därför blivit så pass svaga innan de nått jorden. Endast de starkaste radioblixtarna syntes därför. Här finns nu en känd radioblixtkälla på så pass nära håll att det går att detektera svagare radioblixtar.

Studien stärker bevisen för att radioblixtar främst verkar komma från magnetarer, även de som är på kosmologiska avstånd (det vill säga i avlägsna galaxer, miljarder ljusår bort). Men den Vintergatsbelägna SGR 1935+2154 verkar inte vara en exakt kopia av tidigare kända, mer avlägsna källor. Till exempel så finns det kosmologiska radioblixtar som kommer periodvis med ett par veckor till månaders mellanrum. Det tyder på att de kommer från neutronstjärnor som har en kompanjonstjärna.

Än så länge har för få radioblixtar upptäckts från SGR 1935+2154 för att en periodicitet ska kunna påvisas. Det är inte heller känt om denna magnetar har en kompanjonstjärna. En annan skillnad kan vara att de mycket mer avlägsna radioblixtkällorna är mycket yngre neutronstjärnor än SGR 1935+2154. Två saker är tydliga iallafall: Det ena är att SGR 1935+2154 är en viktig pusselbit till att förstå mysterierna kring radioblixtars ursprung och det andra är att mycket mer observationer behövs innan den pusselbiten kan läggas.

Omslagsbild: Konstnärlig illustration av magnetaren SGR 1935+2154. Bild: ESA