ستاره‌شناس‌ها ۲۵ سیگنال تکرارشونده را از اعماق فضا دریافت کردند

انفجارهای رادیویی سریع (FRB) هم مانند انفجارهای پرتوی گاما (GRB) و امواج گرانشی (GW)، یکی از قدرتمندترین و اسرارآمیزترین پدیده‌های نجومی هستند. این رویدادهای گذرا از انفجارهایی تشکیل شده‌اند که انرژی آن‌ها در چند میلی‌ثانیه از انرژی خورشید در سه روز بیشتر است. بااینکه اغلب انفجارها تنها چند میلی‌ثانیه دوام می‌آورند، در برخی رویدادهای نادر FRB-ها تکرار می‌شوند. بااینکه ستاره‌شناس‌ها هنوز از علت این رویدادها مطمئن نیستند و نظرهای متفاوتی درباره‌ی این پدیده وجود دارند، رصدهای اختصاصی و همکاری‌های بین‌المللی به شکل چشمگیری تعداد رویدادهای کشف‌شده را افزایش داده‌اند.

رصدخانه‌‌‌ی CHIME (آزمایش نقشه‌برداری شدت هیدروژن کانادا)، تلسکوپ رادیویی نسل بعدی واقع در رصدخانه‌ی رادیویی اخترفیزیکی دومینیون (DRAO) در بریتیش کلمبیای کانادا است. این تلسکوپ به لطف میدان دید وسیع و پوشش فرکانسی بالا، ابزاری مهم برای کشف FRB-ها (بیش از ۱۰۰۰ منبع تا امروز) است. همکاری مشترک CHIME/FRB با استفاده از نوع جدیدی از الگوریتم به شواهدی از بیست‌وپنج FRB جدید و تکرارشونده در داده‌های CHIME رسید که بین سال‌های ۲۰۱۹ و ۲۰۲۱ کشف شدند.

FRB-ها با وجود ماهیت اسرارآمیز، فراوان هستند و بر اساس بهترین تخمین‌ها این رویدادها روزانه هزار بار به زمین می‌رسند. هیچ‌کدام از نظریه‌ها یا مدل‌های پیشنهادی نتوانسته‌اند به‌طور کامل ویژگی‌ها یا منبع این انفجارها را توضیح دهند. بااینکه برخی علت این انفجارها را ستاره‌های نوترونی و سیاه‌چاله‌ها می‌دانند (به‌دلیل چگالی انرژی بالای محیط اطرافشان)، برخی دیگر با این دسته‌بندی مخالف‌اند. به همین دلیل نظریه‌های دیگری مثل تپ‌اخترها و مگنتارها تا GRB-ها و ارتباطات فرازمینی برای این پدیده‌ها برشمرده می‌شوند.

هدف اولیه‌ی CHIME، اندازه‌گیری تاریخ انبساط جهان از طریق کشف هیدروژن خنثی بود. دقیقا ۳۷۰ هزار سال پس از بیگ‌بنگ، جهان مملو از این گاز بود و تنها فوتون‌های موجود، تشعشعات حاصل از بیگ‌بنگ موسوم به تابش پس‌زمینه‌ی کیهانی (CMB) بودند یا توسط اتم‌های هیدروژن خنثی منتشر می‌شدند. به همین دلیل ستاره‌شناس‌ها و کیهان‌شناس‌ها به این دوره «عصر تاریکی» می‌گویند که پس از یک میلیارد سال با یونیزاسیون مجدد هیدروژن خنثی در اولین ستاره‌ها و کهکشان‌ها به پایان رسید (عصر یونیزاسیون مجدد).

همان‌طور که در بالا هم گفته شد، CHIME در اصل برای کشف طول موج نوری که هیدروژن خنثی جذب و منتشر می‌کند (موسوم به خط هیدروژن ۲۱ سانتی‌متری) طراحی شده بود. بدین‌ترتیب ستاره‌شناسان می‌توانند سرعت انبساط جهان را در «عصر تاریکی» اندازه‌گیری کنند و آن را با عصر‌های بعدی جهان مرئی مقایسه کنند. بااین‌حال CHIME به دلیل برخورداری از میدان دید عریض و پوشش طیف وسیعی از فرکانس‌ها (۴۰۰ تا ۸۰۰ مگاهرتز)، توانایی خود را برای بررسی FRB-ها نیز اثبات کرده است. بنابراین هدف همکاری CHIME/FRB، کشف و شناسایی FRB-ها و ردیابی منبع آن‌ها است.

زیگی پلونیس، مؤلف ارشد پژوهش و دانشجوی پسادکترای دانلپ در گفتگو با یونیورس تودی گفت، هر FRB بر اساس موقعیتش در آسمان و کمیتی به نام شاخص پراکندگی (DM) توصیف می‌شود. این مقیاس به تأخیر زمانی از فرکانس‌های بالا به پائین گفته می‌شود که بر اثر برهم‌کنش انفجار با مواد در فضا رخ می‌دهد. همکاری CHIME/FRB در مقاله‌ای که در آگوست ۲۰۲۱ منتشر شد، اولین کاتالوگ بزرگ FRB-ها شامل ۵۳۶ رویداد کشف‌شده توسط CHIME بین سال‌های ۲۰۱۸ و ۲۰۱۹ را رونمایی کرد. این کاتالوگ همچنین شامل ۶۲ انفجار از ۱۸ منبع تکرارشونده است.

پلیونیس و همکاران او برای این پژوهش از الگوریتم دسته‌بندی جدیدی استفاده کردند که به جست‌وجوی رویدادهای هم‌مکان در آسمان با شاخص‌های پراکندگی مشابه می‌پردازد. او درباره‌ی این پژوهش می‌گوید:

می‌توانیم موقعیت انفجار رادیویی سریع و شاخص پراکندگی آن را با دقت مشخصی اندازه‌گیری کنیم که به طراحی تلسکوپ به‌کاررفته وابسته است. الگوریتم دسته‌بندی تمام انفجارهای رادیویی سریع را که تلسکوپ CHIME تاکنون شناسایی کرده، در نظر می‌گیرد و به جستجوی دسته‌های FRB می‌پردازد که دارای موقعیت منطبق در آسمان هستند. در مرحله‌ی بعدی بررسی‌های مختلفی را انجام می‌دهیم تا مطمئن شویم انفجارها از منبعی یکسان می‌آیند.

از میان بیش از هزار FRB که تاکنون کشف شده‌اند، تنها ۲۹ عدد ماهیت تکرارشونده داشتند. علاوه بر این تمام FRB-های تکراری به شکل نامنظم تکرار شدند. تنها استثنای موجود، FRB 180915 بود که در سال ۲۰۱۸ توسط پژوهشگرهای CHIME کشف شد. این FRB هر ۱۶٫۳۵ روز تکرار می‌شود. همکاری CHIME/FRB به کمک الگوریتم جدید، ۲۵ منبع تکرارشونده‌ی جدید را کشف کرد.

علاوه‌براین، پژوهشگرها به ویژگی‌های جذابی اشاره کردند که می‌توانند علت‌ها و ویژگی‌های این پدیده‌ها را آشکار کنند. پلیونیس و تیم او با بررسی دقیق تمام انفجارهای رادیویی سریع و منابع‌ تکرارشونده، متوجه شدند تنها ۲٫۶ درصد از کل انفجارهای رادیویی سریع کشف‌شده، تکرار می‌شوند. از میان منابع جدید، تنها چند انفجار کشف شدند که می‌توان نتیجه گرفت بسیاری از منابع غیرفعال هستند به‌طوری‌که تنها یک بار دیده شده‌اند.

بنابراین نمی‌توان منابعی را که صرفاً یک انفجار از آن‌ها دیده شده حذف کرد. این احتمال وجود دارد که تمام منابع انفجار رادیویی سریع در نهایت تکرار شوند، اما تعداد زیادی از منابع فعال نیستند. هر توضیحی برای انفجارهای رادیویی سریع باید نشان دهد چرا برخی منابع فرافعال هستند در حالی که برخی دیگر تقریباً غیرفعال‌اند.

این یافته‌ها می‌توانند به پژوهش‌های آینده کمک کنند که از تلسکوپ‌های رادیویی نسل بعدی سال‌های آینده استفاده خواهند کرد. یکی از این تلسکوپ‌ها، رصدخانه‌ی آرایه‌ی کیلومتر مربعی (SKAO) است که انتظار می‌رود اولین نورهای خود را تا سال ۲۰۲۷ جمع‌آوری کند. این تلسکوپ با ۱۲۸ بشقاب در استرالیا واقع شده است و با آرایه‌ی MeerKat در آفریقای جنوبی برای ایجاد بزرگ‌ترین تلسکوپ رادیویی جهان ترکیب خواهد شد. در حال حاضر، سرعت بالای کشف FRB-های جدید به ویژه رویدادهای تکرارشونده می‌تواند به معنی نزدیک شدن ستاره‌شناسان رادیویی به پیشرفتی غیرمنتظره باشد.

یافته‌های پژوهشگران در پایگاه داده آرکایو منتشر شده است.