Od roku 2007 astronomové zaznamenali asi 20 záhadných rádiových pulzů, jejichž zdroje se nacházely daleko za naší Galaxií. Publicista BBC Earth se rozhodl zjistit více o tomto jevu.
Ve vesmíru není nedostatek zvláštních a plně nepochopených jevů - od černých děr po neobvyklé planety. Vědci se mají nad čím hádat.
Jedna záhada je ale v poslední době obzvláště zajímavá pro astronomy - záhadné záblesky rádiové emise ve vesmíru, známé jako rychlé rádiové pulsy.
Vydrží jen několik milisekund, ale uvolní zhruba milionkrát více energie, než vyprodukuje Slunce ve stejném časovém období.
Od objevení prvního takového impulsu v roce 2007 se astronomům podařilo zaregistrovat méně než 20 takových případů - všechny jejich zdroje byly umístěny mimo naši Galaxii a byly rovnoměrně rozloženy po obloze.
Dalekohledy však mají tendenci pozorovat malé části oblohy v daném okamžiku.
Pokud získaná data extrapolujeme na celou oblohu, pak, jak astronomové předpokládají, může počet takových rádiových pulzů dosáhnout 10 tisíc za den.
A nikdo nezná důvod tohoto jevu.
Propagační video:
Astronomové samozřejmě mají spoustu možných vysvětlení, z nichž některá zní velmi exoticky: srážky neutronových hvězd, výbuchy černých děr, zlomy kosmických řetězců a dokonce i výsledky činnosti mimozemské inteligence.
„V současné době existuje více teorií, které se snaží vysvětlit podstatu rychlých rádiových pulzů, než ve skutečnosti existuje,“říká Duncan Lorimer, výzkumný pracovník na americké univerzitě v Západní Virginii a vedoucí výzkumného týmu, který objevil úplně první rychlý rádiový puls (nazývaný také Lorimerův puls). "Toto je úrodná půda pro teoretiky."
Ale i když se vysvětlení podstaty rychlých rádiových pulzů ukáže jako mnohem běžnější, stále může být pro vědu velkým přínosem.
Nepochybně způsobí revoluci v našem chápání vesmíru.
Tyto rádiové signály jsou jako laserové paprsky, které pronikají vesmírem a setkávají se s magnetickými poli, plazmou a dalšími kosmickými jevy v jejich dráze.
Jinými slovy, po cestě zachycují informace o mezigalaktickém prostoru a mohou představovat jedinečný nástroj pro zkoumání vesmíru.
„Nepochybně způsobí převrat v našem chápání vesmíru, protože je lze použít k provádění velmi přesných měření,“říká astrofyzik Peng Wee-Li z University of Toronto.
Než k tomu ale dojde, musí vědci lépe porozumět povaze rychlých rádiových pulzů.
Astronomové dosáhli v této oblasti slibného pokroku za posledních několik měsíců.
První věc, která Lorimera na pulzu, který objevil, zasáhla, byla jeho intenzita.
Lorimer a jeho kolegové zkontrolovali archivní datové soubory shromážděné pomocí Parks Radio Telescope v Austrálii. Hledali rádiové pulsy - například ty, které vyzařovaly rychle rotující neutronové hvězdy, takzvané pulsary.
Té noci jsem byl tak nadšený, že jsem nemohl spát
Matthew Bales, astronom
Tyto hvězdy, každá s průměrem velkého města, mají hustotu atomového jádra a mohou se otáčet rychlostí vyšší než 1000 otáček za sekundu.
Současně vyzařují úzce směrované toky rádiové emise, v souvislosti s nimiž se jim také říká vesmírné majáky.
Rádiové signály vyzařované pulzary vypadají jako pulzace pozorovatele ze Země.
Ale signál detekovaný Lorimerovým týmem byl velmi podivný.
"Bylo to tak intenzivní, že to přemohlo elektronické součástky dalekohledu," vzpomíná Lorimer. „To je pro zdroj rádia extrémně neobvyklé.“
Pulz trval asi 5 milisekund, poté jeho intenzita poklesla.
"Vzpomínám si, že jsem poprvé viděl diagram hybnosti," řekl člen týmu Lorimer Matthew Bales, astronom na Swinburne University of Technology, Austrálie. „Té noci jsem byl tak nadšený, že jsem nemohl spát.“
Asi pět let po objevení Lorimerova popudu to zůstalo nevysvětlitelnou anomálií.
Někteří vědci věřili, že šlo pouze o instrumentální rušení. A ve studii publikované v roce 2015 se říká, že pulzy podobných parametrů jsou zaznamenávány během provozu mikrovln instalovaných v ekonomické části observatoře Parks.
Jejich zdroje jsou mimo naši Galaxii, možná miliardy světelných let od Země.
Od roku 2012 však astronomové pracující s jinými dalekohledy detekovali několik dalších podobných rádiových pulzů, čímž potvrdili, že signály skutečně přicházejí z vesmíru.
A nejen z vesmíru - jejich zdroje se nacházejí mimo naši Galaxii, možná miliardy světelných let od Země. Tento předpoklad byl učiněn na základě měření jevu známého jako efekt disperze.
Během své cesty vesmírem rádiové vlny interagují s elektrony plazmy, které potkávají na své cestě. Tato interakce způsobuje zpomalení šíření vln v závislosti na frekvenci rádiového signálu.
Vysokofrekvenční rádiové vlny dorazí k pozorovateli o něco rychleji než rádiové vlny s nízkou frekvencí.
Měřením rozdílu v těchto hodnotách mohou astronomové vypočítat, kolik plazmy musel signál projít na cestu k pozorovateli, což jim poskytuje přibližnou představu o vzdálenosti zdroje rádiových pulsů.
Rádiové vlny přicházející k nám z jiných galaxií nejsou nic nového. Je to jen tak, že před objevením rychlých rádiových pulzů vědci nepozorovali signály takové vysoké intenzity.
Existence signálu, jehož intenzita je milionkrát větší než cokoli dříve zjištěného, vzrušuje představivost
Takže kvasary - aktivní galaktická jádra, uvnitř nichž, jak věří vědci, jsou masivní černé hvězdy - vyzařují obrovské množství energie, včetně rádiového dosahu.
Ale kvasary umístěné v jiných galaxiích jsou od nás tak daleko, že rádiové signály přijímané od nich jsou extrémně slabé.
Mohli by být snadno utopeni dokonce i rádiovým signálem z mobilního telefonu umístěného na povrchu měsíce, poznamenává Bailes.
Rychlé rádiové impulsy jsou další věc. "Existence signálu, který je milionkrát silnější než cokoli dříve zjištěného, je vzrušující," říká Bales.
Zejména s ohledem na skutečnost, že rychlé rádiové impulsy mohou naznačovat nové, neprozkoumané fyzikální jevy.
Jedno z nejasných vysvětlení jejich původu má co do činění s takzvanými kosmickými řetězci - hypotetickými jednorozměrnými záhyby časoprostoru, které se mohou protáhnout alespoň na desítky parseků.
Některé z těchto řetězců mohou mít supravodivé vlastnosti a může nimi protékat elektrický proud.
Podle hypotézy navržené v roce 2014 se kosmické řetězce někdy zlomí, což má za následek výbuch elektromagnetického záření.
Nebo, říká Pen, vysvětlením těchto výbuchů mohou být výbuchy černých děr.
Gravitační pole černé díry je tak masivní, že ani světlo vstupující do ní není schopno uniknout zpět.
Pokud předpokládáme, že v počátečním stádiu vývoje vesmíru v něm vznikly malé černé díry, pak se nyní mohou jen odpařit
Nicméně v 70. letech. slavný britský teoretický fyzik Stephen Hawking navrhl, že energie se může odpařovat z povrchu stárnoucích černých děr.
Pokud předpokládáme, že v počátečním stádiu vývoje vesmíru v něm vznikly malé černé díry, pak se nyní mohou jen odpařit a nakonec explodovat, což vede k okamžité emisi rádiových emisí.
V únoru 2016 astronomové oznámili, že mohli učinit průlom ve výzkumu.
Tým vědců pod vedením Evana Keehana pracujícího v sídle rádiového interferometru Square Kilometer Array v Britském astrofyzikálním centru Jodrell Bank analyzoval parametry jednoho rychlého rádiového pulzu zaznamenaného v dubnu 2015.
Podle závěrů astronomů byl zdroj rádiového pulsu v galaxii vzdálené 6 miliard světelných let od nás a sestávající ze starých hvězd.
V tomto případě indikovaly parametry pozorovaného rádiového pulsu pravděpodobnost alespoň jednoho scénáře: srážky spárovaných neutronových hvězd
Poprvé byli vědci schopni určit umístění zdroje radiového vyzařování s přesností galaxie, což byla vědecká komunita vnímána jako nesmírně důležitý objev.
"Identifikace galaxie, která obsahuje zdroj rychlého rádiového pulsu, je součástí skládačky," říká Bailes, který také pracoval na Keehanově týmu. „Pokud můžeme určit galaxii, můžeme zjistit, jak daleko od nás je zdroj.“
Poté můžete přesně změřit množství pulzní energie a začít se zbavovat nejnepravděpodobnějších teorií týkajících se jejího původu.
V tomto případě indikovaly parametry pozorovaného rádiového pulsu pravděpodobnost alespoň jednoho scénáře: kolize spárovaných neutronových hvězd obíhajících kolem sebe.
Zdálo se, že záhada povahy rychlých rádiových pulzů byla téměř vyřešena. "Byl jsem velmi nadšený z výsledků této studie," říká Lorimer.
Ale jen o několik týdnů později vědci Edo Berger a Peter Williams z Harvardské univerzity tuto teorii zpochybnili.
Závěry Keehanova týmu byly založeny na pozorování jevu, které vědci interpretovali jako útlum rádiového signálu po skončení rychlého rádiového pulzu.
Zdroj slabnoucího signálu byl spolehlivě umístěn v galaxii vzdálené 6 miliard světelných let od Země a vědci věřili, že odtud pochází rychlý rádiový puls.
Podle Bergera a Williamse však to, co si Kian vzal za zbytkový - vybledlý - rádiový signál, nemělo nic společného s rychlým rádiovým pulsem.
Pečlivě analyzovali vlastnosti zbytkového signálu nasměrováním amerického dalekohledu Very Large Array na vzdálenou galaxii.
Ke srážkám neutronových hvězd dochází o několik řádů méně často než pravděpodobná frekvence rychlých rádiových pulzů, takže všechny registrované případy nelze vysvětlit pouze tímto jevem.
Zjistilo se, že mluvíme o samostatném jevu způsobeném kolísáním jasu samotné galaxie, protože v jejím středu je supermasivní černá díra pohlcující kosmické plyny a prach.
Jinými slovy, blikající galaxie nebyla místem, ze kterého byl vyzařován rychlý rádiový puls. Jenom to, že se to stalo v zorném poli dalekohledu - buď za skutečným zdrojem, nebo před ním.
A pokud rádiový puls nebyl vyslán z této galaxie, pak to možná nebylo způsobeno srážkou dvou neutronových hvězd.
Neutronový scénář má další slabou stránku. "Frekvence emise rychlých rádiových pulzů je mnohem vyšší než frekvence záření očekávaná od srážek neutronových hvězd," říká Maxim Lyutikov z americké univerzity v Purdue.
Ke srážkám neutronových hvězd navíc dochází o několik řádů méně často než pravděpodobná frekvence rychlých rádiových pulzů, takže všechny registrované případy nelze vysvětlit pouze tímto jevem.
A brzy nové vědecké důkazy pravděpodobnost takového vysvětlení ještě více snížily.
V březnu 2016 skupina astronomů ohlásila ohromující objev. Studovali rádiový pulz zaznamenaný v roce 2014 observatoří Arecibo v Portoriku. Ukázalo se, že se nejednalo o jedinou událost - impuls se opakoval 11krát během 16 dnů.
"Toto byl největší objev od prvního rychlého rádiového výbuchu," říká Penh. „Ukončuje to obrovské množství dosud navržených hypotéz.“
Všechny dříve zaznamenané rychlé rádiové impulsy byly jednoduché - opakování signálů ze stejného sektoru oblohy nebylo zaznamenáno.
Vědci proto předpokládali, že mohou být důsledkem kosmických kataklyzmat, ke kterým v každém případě došlo pouze jednou - například exploze černých děr nebo srážky neutronových hvězd.
Taková teorie ale nevysvětluje možnost (v některých případech) opakování rádiových pulzů v rychlém sledu. Ať už je příčina takové řady impulzů jakákoli, musí být po určitou dobu zachovány podmínky pro jejich výskyt.
Tato okolnost významně zužuje seznam možných hypotéz.
Jeden z nich, který Buttercup zkoumá, říká, že mladé pulsary - neutronové hvězdy rotující rychlostí až jedné otáčky za milisekundu - mohou být zdroji rychlých rádiových pulsů.
Buttercup nazývá takové předměty pulzary na steroidech.
V průběhu času se rotace pulzarů zpomaluje a část rotační energie může být vyvržena do prostoru ve formě rádiového vyzařování.
Není zcela jasné, jak přesně mohou pulzary vyzařovat rychlé rádiové pulsy, ale je známo, že jsou schopné vyzařovat krátké pulsy rádiových vln.
Pulsar nacházející se v Krabí mlhovině je tedy údajně asi 1000 let starý. Je relativně mladý a je jedním z nejmocnějších pulzarů, které známe.
Čím mladší je pulsar, tím rychleji se otáčí a tím více energie má. Buttercup takové objekty nazývá „pulsary na steroidech“.
A ačkoli pulsar v Krabí mlhovině nyní nemá dostatek energie k vyzařování rychlých rádiových pulzů, je možné, že by to mohl udělat hned po svém objevení.
Další hypotéza říká, že zdrojem energie pro rychlé rádiové impulsy není rotace neutronové hvězdy, ale její magnetické pole, které může být tisíckrát bilionkrát silnější než Země.
Neutronové hvězdy s extrémně silnými magnetickými poli, takzvané magnetary, mohou vyzařovat rychlé rádiové impulzy podobným procesem, který vede ke slunečním erupcím.
Ve vesmíru je spousta magnetarů
Jak se magnetar otáčí, magnetická pole v jeho koróně - tenké vnější vrstvě atmosféry - mění konfiguraci a jsou nestabilní.
V určitém okamžiku se řádky těchto polí chovají, jako byste klikli na bič. Uvolňuje se proud energie, který zrychluje nabité částice, které emitují rádiové impulsy.
"Ve vesmíru je spousta magnetarů," říká Bailes. „Jsou nestabilní, což pravděpodobně vysvětluje výskyt rychlých rádiových pulzů.“
Hypotézy týkající se neutronových hvězd jsou konzervativnější a vycházejí z relativně dobře studovaných jevů, proto se zdají být pravděpodobnější.
"Všechny hypotézy o výskytu rychlých rádiových pulzů, které považuji za vážné a o kterých vážně diskutuji se svými kolegy, se týkají neutronových hvězd," říká Bales.
Připouští však, že tento přístup může být poněkud jednostranný. Mnoho astronomů, kteří studují rychlé rádiové pulsy, také studuje neutronové hvězdy, takže jejich tendence dívat se na první přes hranu druhé je pochopitelná.
Je možné, že máme co do činění s neprozkoumanými aspekty fyziky
Existuje také netradičnější vysvětlení. Řada vědců například tvrdí, že rychlé rádiové impulsy vznikají v důsledku srážek pulzarů s asteroidy.
Je možné, že několik hypotéz je správných najednou a každá z nich vysvětluje určitý případ výskytu rychlých rádiových pulzů.
Je možné, že se některé impulsy opakují, zatímco jiné ne, což zcela nevylučuje hypotézu srážek neutronových hvězd a dalších kataklyzmat kosmického měřítka.
"Může se ukázat, že odpověď je velmi jednoduchá," říká Lyutikov. „Může se ale také stát, že máme co do činění s neprozkoumanými aspekty fyziky, s novými astrofyzikálními jevy.“
Bez ohledu na to, jaké rychlé rádiové impulsy se ve skutečnosti stanou, mohou být pro vesmírnou vědu velkým přínosem.
Mohly by být například použity k měření objemu hmoty ve vesmíru.
Jak již bylo zmíněno, rádiové vlny se na své cestě setkávají s intergalaktickou plazmou, což zpomaluje jejich rychlost v závislosti na frekvenci vlny.
Kromě schopnosti měřit vzdálenost ke zdroji signálu poskytuje rozdíl ve vlnové rychlosti také představu o tom, kolik elektronů je mezi naší galaxií a zdrojem záření.
"Rádiové vlny jsou kódovány informacemi o elektronech, které tvoří vesmír," říká Bailes.
Dříve se vědci tomuto tématu věnovali hlavně ve svém volném čase od základního výzkumu.
To dává vědcům příležitost zhruba odhadnout množství obyčejné hmoty ve vesmíru, což jim v budoucnu pomůže při výpočtu modelů pro vznik vesmíru.
Jedinečnost rychlých rádiových pulzů spočívá v tom, že jsou druhem kosmických laserových paprsků, říká Pen.
Pronikají prostorem určitým směrem a jsou dostatečně intenzivní, aby poskytly vynikající přesnost měření.
"Toto je nejpřesnější měřicí nástroj, který máme k dispozici pro studium vzdálených objektů v přímé viditelnosti," vysvětluje.
Podle něj tedy rychlé rádiové impulsy mohou vypovídat o struktuře plazmatu a magnetických polí v blízkosti zdroje záření.
Při průchodu plazmou mohou blikat rádiové impulsy - stejně jako hvězdy blikají při pohledu přes zemskou atmosféru.
Měření charakteristik této scintilace umožní astronomům měřit velikost plazmatických oblastí s přesností několika stovek kilometrů. Vzhledem k vysokému vědeckému potenciálu a v neposlední řadě kvůli nevysvětlitelnosti tohoto jevu v posledních několika letech významně vzrostl zájem vědců o rychlé rádiové pulsy.
"Dříve se vědci tomuto tématu věnovali hlavně ve svém volném čase z hlavního proudu výzkumu," říká Lorimer.
Nyní astronomové intenzivně hledají rychlé rádiové pulsy v dosud neprozkoumaných oblastech oblohy a pokračují ve sledování sektorů oblohy, kde již byly tyto jevy zaznamenány - v naději, že je zaregistrují.
Současně se využívají síly dalekohledů po celém světě, protože při pozorování jednoho pulzu z několika observatoří se významně zvyšuje pravděpodobnost přesnějšího výpočtu zdrojových souřadnic.
Takže v příštích několika letech budou radioteleskopy, jako je Canadian CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment, nebo Canadian Hydrogen Intensive Mapping Experiment), schopné pozorovat rozsáhlé oblasti oblohy a registrovat stovky rychlých rádiových pulzů.
Čím více shromážděných dat, tím srozumitelnější bude fenomén rychlých rádiových pulzů. Možná bude někdy jejich tajemství odhaleno.