Znanstvenici su zabilježili dosad najudaljeniji poznati brzi radijski bljesak, tajanstveni signal koji je do Zemlje putovao kroz gotovo cijelu kozmičku povijest kakvu poznajemo. Označen je kao FRB 20240304B, a emitiran je u svega tisućinki sekunde. Njegovo otkriće, objavljeno u časopisu Science, donijelo je važan trag o mogućem izvoru ovih neobičnih signala: iza njega bi mogla stajati magnetarska zvijezda, smještena u iznenađujuće maloj i mladoj galaksiji. Signal je astronomima pritom pomogao otkriti i strukture svemira koje su im dosad bile nepoznate.

Svemir povremeno šalje neobične radijske signale koje astronomi još ne uspijevaju potpuno objasniti. Pojave se iznenada, traju tek djelić sekunde i nestanu gotovo jednako brzo kao što su stigle. Upravo zbog te prolaznosti znanstvenici već godinama pokušavaju otkriti što ih stvara i odakle dolaze.

Riječ je o brzim radijskim bljeskovima, poznatima pod engleskom kraticom FRB (fast radio bursts). Ti kratkotrajni izboji radiovalova među najzagonetnijim su pojavama u svemiru, a njihovo je podrijetlo predmet intenzivnih astronomskih istraživanja još od prvog otkrića 2007. godine.

Njihova nepredvidivost dodatno otežava posao. Bljeskovi se pojavljuju na različitim dijelovima neba, a budući da traju iznimno kratko, znanstvenici često nemaju dovoljno vremena da precizno odrede njihovo ishodište.

Novo otkriće moglo bi promijeniti dosadašnje razumijevanje tih pojava. Međunarodni tim astronoma zabilježio je najudaljeniji brzi radijski bljesak dosad, signal koji je putovao kroz približno 80 posto povijesti svemira prije nego što je stigao do nas.

Signal je trajao samo tisućinku sekunde, a putovao je milijardama godina

Bljesak označen kao FRB 20240304B emitiran je u ožujku 2024. godine, a njegovo je otkriće znanstvenicima omogućilo proučavanje događaja iz vrlo ranog razdoblja kozmičke povijesti.

Njegov izvor potječe iz vremena poznatog kao kozmičko podne, razdoblja koje je nastupilo približno tri milijarde godina nakon Velikog praska. Tada je stvaranje zvijezda u svemiru bilo na vrhuncu.

Iako je sam signal trajao tek tisućinku sekunde, njegova je poruka putovala kroz golem dio povijesti svemira. Astronomi su tako dobili priliku proučavati pojavu koja se dogodila u davnoj prošlosti, kada su se galaksije i zvijezde razvijale u uvjetima drukčijima od današnjih.

„Brzi radijski bljeskovi zanimljivi su zato što ne znamo što ih stvara. Imamo teorije o tome koji bi ih objekti mogli proizvoditi, ali nemamo konačan dokaz”, objasnila je glavna autorica istraživanja Manisha Caleb, radioastronomkinja i astrofizičarka sa Sveučilišta u Sydneyju.

Upravo je neizvjesnost oko njihova izvora razlog zbog kojeg astronomi pomno proučavaju svaki novi bljesak. Svaki zabilježeni signal može pružiti dodatne informacije o fizikalnim procesima koji se odvijaju u ekstremnim uvjetima svemira.

Magnetari su glavni osumnjičenici, ali znanstvenici još nemaju konačan dokaz

Jedno od vodećih objašnjenja za nastanak brzih radijskih bljeskova uključuje magnetare. Riječ je o posebnoj vrsti neutronskih zvijezda koje imaju iznimno snažna magnetska polja, među najjačima poznatima u svemiru.

Neutronske zvijezde nastaju kada masivne zvijezde potkraj svojeg života kolabiraju. Njihova je masa golema u odnosu na njihovu veličinu, pa materija u njima postaje nevjerojatno gusto zbijena. Magnetari su posebno zanimljivi jer u tako kompaktnom objektu stvaraju magnetska polja iznimne snage.

Njihova bi veličina, slikovito rečeno, mogla stati u prostor usporediv s područjem zaljeva San Francisca, a pritom mogu sadržavati masu usporedivu s masom Sunca. Njihovi procesi mogu osloboditi goleme količine energije u vrlo kratkom vremenu.

Prema procjenama navedenima u izvornom izvješću, pojedini brzi radijski bljeskovi mogu u tisućinki sekunde osloboditi energiju usporedivu s energijom koju emitira 500 milijuna Sunaca. Unatoč takvim brojkama, energija tih bljeskova u ukupnom smislu može biti manja od energije nekih drugih zvjezdanih eksplozija, što dodatno otežava pronalaženje njihova izvora.

Astronom i astrofizičar J. Xavier Prochaska sa Sveučilišta Kalifornije u Santa Cruzu objasnio je za portal ScienceAlert zašto je problem toliko složen.

„U osnovi, razlog je to što su energije uključene u te procese razmjerno skromne. Izrazito su velike kada je riječ o emisiji radiovalova, ali nisu ni približno usporedive s energijom supernove ili izboja gama-zračenja”, rekao je Prochaska.

Upravo zato znanstvenici još ne mogu pouzdano utvrditi koji je mehanizam odgovoran za svaki zabilježeni bljesak.

„Teoretičari su dosad osmislili gotovo stotinu modela koji bi mogli objasniti njihov nastanak. Mi promatrači možemo odbacivati modele, ali ih ne možemo jednostavno dokazati. Kada ih imate stotinu koje treba provjeriti, potrebno je dosta vremena”, objasnio je Prochaska.

Teleskopi su isprva pronašli samo prazninu

Istraživanje je provedeno u okviru velike međunarodne suradnje astronoma, koji su za proučavanje bljeska FRB 20240304B upotrijebili nekoliko opservatorija.

Signal je prvi put zabilježen u ožujku 2024. godine pomoću radioteleskopa MeerKAT, smještenog u Nacionalnom parku Meerkat u Južnoafričkoj Republici. Sustav se sastoji od 64 radijske antene koje omogućuju otkrivanje slabih signala iz svemira.

Nakon što su identificirali bljesak, astronomi su pokušali pronaći galaksiju iz koje potječe. Usmjerili su dva vrlo osjetljiva teleskopa na Zemlji prema području neba iz kojeg je signal stigao, nadajući se da će uočiti njegovu matičnu galaksiju.

Međutim, njihova su promatranja završila neobičnim rezultatom: nisu vidjeli ništa.

„Promatrali smo koliko god duboko smo mogli, ali jednostavno nije bilo ničega što bismo mogli vidjeti”, rekao je Prochaska.

Budući da zemaljski teleskopi nisu uspjeli otkriti izvor, istraživači su se okrenuli svemirskom teleskopu James Webb, poznatom po iznimnoj osjetljivosti u infracrvenom području. Njegove mogućnosti omogućuju promatranje vrlo udaljenih i slabih objekata koje je teško otkriti drugim instrumentima.

Astronomi su očekivali da bi se iza snažnog radijskog bljeska mogla nalaziti velika galaksija bogata zvijezdama. Umjesto toga, dočekalo ih je iznenađenje.

„Mislili smo da ćemo pronaći veliku, lijepo oblikovanu galaksiju s mnogo zvijezda, a umjesto toga otkrili smo malu patuljastu galaksiju, iako se u njoj zvijezde aktivno stvaraju”, rekla je Caleb.

Iza snažnog signala krije se patuljasta galaksija

Otkriće je pokazalo da je galaksija iz koje je bljesak potekao približno tisuću puta manje masivna nego što su astronomi očekivali.

Riječ je i o iznimno mladoj galaksiji. Čak 90 posto njezine zvjezdane mase nastalo je tijekom posljednjih 30 milijuna godina, što upućuje na razdoblje intenzivnog stvaranja zvijezda.

Takva otkrića važna su za razumijevanje uvjeta u kojima nastaju brzi radijski bljeskovi. Umjesto da se oslanjaju samo na svojstva signala, astronomi sada mogu proučavati i okolinu iz koje je on stigao.

Mlada patuljasta galaksija dala je istraživačima važan razlog da kao moguće objašnjenje prednost daju magnetaru. Takvi se objekti mogu formirati i osloboditi dio svoje magnetske energije tijekom razmjerno kratkog razdoblja, koje se mjeri milijunima godina.

Drukčije je s jednim od drugih istaknutih teorijskih objašnjenja za nastanak brzih radijskih bljeskova: sudarom dviju neutronskih zvijezda.

Zašto sudar dviju neutronskih zvijezda nije najbolje objašnjenje?

Sudar dviju neutronskih zvijezda iznimno je nasilan kozmički događaj. Takav sudar može rezultirati nastankom crne rupe ili još masivnije neutronske zvijezde, a pritom se mogu stvarati i teški elementi, uključujući zlato.

Međutim, neutronske zvijezde koje kruže jedna oko druge mogu milijardama godina postupno gubiti orbitalnu energiju prije nego što se sudare. Taj dugotrajan proces predstavlja problem ako se pokušava objasniti bljesak koji potječe iz vrlo mlade galaksije.

U galaksiji u kojoj je većina zvjezdane mase nastala tijekom posljednjih 30 milijuna godina možda jednostavno nije bilo dovoljno vremena da se takav sustav razvije i dovede do sudara.

Magnetari se, s druge strane, mogu oblikovati tijekom kraćeg razdoblja. Njihovo nastajanje i oslobađanje magnetske energije mogu se odvijati tijekom milijuna godina, zbog čega se bolje uklapaju u opažanja mlade galaksije.

Posebno je važan i njezin kemijski sastav. Riječ je o galaksiji siromašnoj metalima. U astronomiji se izraz „metali” odnosi na sve kemijske elemente teže od vodika i helija. Takve galaksije mogu stvarati masivne zvijezde, koje su važne za nastanak neutronskih zvijezda i magnetara.

Zbog toga su svojstva galaksije dodatno ojačala pretpostavku da bi magnetar mogao biti izvor zabilježenog bljeska. Ipak, istraživači naglašavaju da to još nije konačan dokaz.

Radijski bljesak poslužio je kao kozmička svjetiljka

Otkriće nije važno samo zbog mogućeg izvora signala. Dok je putovao svemirom, bljesak je prolazio kroz plin i druge strukture koje su promijenile njegova svojstva, ostavljajući tragove o okolini kroz koju se kretao.

Svjetlost u vakuumu putuje najvećom mogućom brzinom, no međuzvjezdani i međugalaktički prostor nije potpuno prazan. Ispunjavaju ga, među ostalim, hladni ionizirani plinovi, odnosno plinovi čiji su atomi izgubili ili dobili elektrone te zato nose električni naboj.

Dok je radijski signal prolazio kroz taj plin, njegovi su se valovi različitih frekvencija usporavali u različitoj mjeri. Valovi nižih frekvencija kasnili su više od onih viših frekvencija, pa do promatrača nisu stigli istodobno.

Osim toga, turbulentni plin, najvjerojatnije u matičnoj galaksiji bljeska, raspršio je signal i razmazao ga tijekom nekoliko milisekundi.

Takve promjene nisu samo prepreka astronomima. One im omogućuju da proučavaju materiju koja bi inače bila vrlo teško uočljiva.

Brzi radijski bljeskovi zato mogu poslužiti kao svojevrsne kozmičke svjetiljke. Njihovi signali prolaze kroz velike udaljenosti i otkrivaju tragove plina i drugih struktura koje se nalaze na putu između izvora i Zemlje.

U slučaju FRB-a 20240304B signal je bio promijenjen djelovanjem dviju struktura golemih razmjera. Pritom je pomogao osvijetliti dosad nepoznatu skupinu galaksija udaljenu približno 3,5 milijardi svjetlosnih godina od nas.

Istodobno je signal nosio i tragove ioniziranog plina povezanog s jatima galaksija u području Djevice, odnosno skupu galaksija poznatom kao jato Djevice. Ta se struktura nalazi na približno 54 milijuna svjetlosnih godina od Zemlje i jedno je od nama najbližih velikih galaktičkih jata.

Tako je jedan kratkotrajni radijski bljesak astronomima omogućio da prouče ne samo vrlo udaljenu galaksiju u kojoj je nastao nego i materiju te strukture kroz koje je prošao na svojem putu prema nama.

Zašto je ovo otkriće toliko važno?

Astronomi dosad imaju potvrđene matične galaksije za tek približno stotinu brzih radijskih bljeskova. Većina tih izvora nalazi se na kozmičkim udaljenostima koje su manje od udaljenosti novootkrivenog bljeska.

Zbog toga FRB 20240304B predstavlja važan korak u istraživanju tih pojava. Ne samo da je riječ o najudaljenijem poznatom primjeru nego je otkriće omogućilo proučavanje bljeska u vrlo ranom razdoblju kozmičke povijesti i u galaksiji koja se pokazala znatno drukčijom od očekivanja.

„Budući da vrlo malo razumijemo što stvara brze radijske bljeskove, mogli smo se samo nadati da postoje i u tako ranim razdobljima svemira”, rekao je Prochaska za ScienceAlert.

„Sada smo dokazali da postoje, a to će potaknuti nova, namjenska istraživanja kojima ćemo pokušati pronaći druge takve bljeskove i istražiti još veće udaljenosti”, dodao je.

Takva bi promatranja mogla pomoći u razjašnjavanju pitanja koja astronomi postavljaju gotovo dva desetljeća: koji objekti proizvode brze radijske bljeskove, kakvi uvjeti omogućuju njihov nastanak i koliko se često pojavljuju u različitim vrstama galaksija.

Osim toga, daljnja istraživanja mogla bi omogućiti da se ti signali sve više koriste za proučavanje materije između galaksija, uključujući plin koji je teško izravno promatrati.

Tajanstveni signali mogli bi otkriti još više o svemiru

Brzi radijski bljeskovi i dalje su jedna od velikih neriješenih zagonetki moderne astronomije. Iako postoje brojni teorijski modeli koji pokušavaju objasniti njihov nastanak, znanstvenici još nemaju konačan odgovor koji bi objasnio sve zabilježene slučajeve.

Otkriće FRB-a 20240304B donijelo je važan dokaz da se takvi događaji zbivaju i u vrlo ranom svemiru. Ujedno je pokazalo koliko neočekivane mogu biti galaksije iz kojih dolaze: iza iznimno snažnog signala ne mora se nalaziti velika i sjajna galaksija, nego i malena patuljasta galaksija u kojoj se zvijezde intenzivno stvaraju.

Još je važnije to što radijski bljesak nije prenio samo informacije o vlastitom izvoru. Promjene koje je pretrpio tijekom putovanja otkrile su podatke o plinu i galaktičkim strukturama koje su mu se našle na putu.

Istraživanje, objavljeno u znanstvenom časopisu Science, tako otvara nove mogućnosti za proučavanje najudaljenijih dijelova svemira. Svaki novi signal mogao bi približiti astronome odgovoru na pitanje što pokreće te neobične kozmičke bljeskove, ali i pomoći u otkrivanju struktura koje bi bez njih ostale skrivene.