การศึกษาใหม่บอกว่าการระเบิดอย่างรวดเร็วของวิทยุเกิดขึ้นทุก ๆ วินาทีในจักรวาล

เมื่อนักดาราศาสตร์สังเกตเห็นการค้นพบ Fast Radio Burst (FRB) ครั้งแรกในปี 2550 (aka the Lorimer Burst) พวกเขาต่างก็ประหลาดใจและทึ่ง การระเบิดของคลื่นวิทยุพลังงานสูงซึ่งกินเวลาเพียงไม่กี่มิลลิวินาทีดูเหมือนว่ามาจากนอกกาแลคซีของเรา ตั้งแต่เวลานั้นนักดาราศาสตร์ได้พบหลักฐานของ FRB จำนวนมากในข้อมูลที่บันทึกไว้ก่อนหน้านี้และยังคงคาดเดาว่าอะไรเป็นสาเหตุของพวกเขา

ต้องขอบคุณการค้นพบและการวิจัยที่ตามมาทำให้นักดาราศาสตร์รู้ว่า FRBs เป็นเรื่องปกติมากกว่าที่คิดไว้ก่อนหน้านี้ ในความเป็นจริงตามการศึกษาใหม่โดยทีมนักวิจัยจากศูนย์ดาราศาสตร์ฟิสิกส์ฮาร์วาร์ด - สมิ ธ โซเนียน (CfA), FRBs อาจเกิดขึ้นทุกๆวินาทีภายในเอกภพที่สังเกตเห็นได้ ถ้าเป็นจริง FRB อาจเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพสำหรับการค้นคว้าต้นกำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล

การศึกษาเรื่อง“ ระเบิดเร็ววิทยุเกิดขึ้นทุก ๆ วินาทีทั่วเอกภพที่สังเกตได้” เมื่อไม่นานมานี้ จดหมายวารสารทางฟิสิกส์. การศึกษานำโดย Anastasia Fialkov นักวิจัยหลังปริญญาเอกและเพื่อนร่วมงานที่สถาบันทฤษฎีและการคำนวณของ CfA เธอเข้าร่วมโดยศาสตราจารย์ Abraham Loeb ผู้อำนวยการของ ITC และ Frank B. Baird จูเนียร์ศาสตราจารย์วิทยาศาสตร์ที่ Harvard

ตามที่ระบุไว้ FRBs ยังคงเป็นสิ่งที่ลึกลับตั้งแต่พวกเขาค้นพบครั้งแรก ไม่เพียง แต่สาเหตุของพวกเขายังไม่ทราบ แต่เกี่ยวกับธรรมชาติที่แท้จริงของพวกเขายังไม่เข้าใจ ดังที่ Dr. Fialkov บอกกับนิตยสาร Space ผ่านอีเมล:

“ FRBs (หรือการระเบิดของคลื่นวิทยุเร็ว) เป็นสัญญาณทางดาราศาสตร์ทางธรรมชาติที่ไม่อาจระบุได้ การระเบิดที่สังเกตเห็นนั้นสั้น (หรือระยะเวลามิลลิวินาที), พัลส์สว่างในส่วนวิทยุของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (ที่ความถี่ GHz) มีการตรวจพบการระเบิดเพียง 24 ครั้งเท่านั้นและเรายังไม่รู้ว่ากระบวนการทางกายภาพใดที่ทำให้เกิด คำอธิบายที่เป็นไปได้มากที่สุดก็คือพวกมันถูกเปิดตัวโดยการหมุนของดาวนิวตรอนที่เป็นแม่เหล็ก อย่างไรก็ตามทฤษฎีนี้จะต้องได้รับการยืนยัน”

เพื่อประโยชน์ในการศึกษาของพวกเขา Fialkov และ Loeb อาศัยข้อสังเกตจากกล้องโทรทรรศน์หลายตัวของวิทยุกระจายเสียงซ้ำอย่างรวดเร็วที่รู้จักกันในชื่อ FRB 121102 FRB นี้ถูกค้นพบครั้งแรกในปี 2012 โดยนักวิจัยที่ใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุ Arecibo ในเปอร์โตริโก ยืนยันว่ามาจากกาแลคซีซึ่งอยู่ห่างออกไป 3 พันล้านปีแสงในทิศทางของกลุ่มดาว Auriga

นับตั้งแต่ถูกค้นพบการตรวจจับการระเบิดเพิ่มเติมมาจากที่ตั้งทำให้ FRB 121102 เป็นตัวอย่างที่รู้จักกันเพียง FRB ที่ทำซ้ำ ธรรมชาติที่เกิดขึ้นซ้ำ ๆ นี้ยังช่วยให้นักดาราศาสตร์ทำการศึกษาอย่างละเอียดมากกว่า FRB อื่น ๆ ดังที่ศาสตราจารย์โลบบอกกับนิตยสารอวกาศผ่านอีเมลเหตุผลเหล่านี้และเหตุผลอื่นทำให้เป็นเป้าหมายในอุดมคติสำหรับการศึกษา:

“ FRB 121102 เป็น FRB เดียวที่กาแลคซีโฮสต์และระยะทางถูกระบุ นอกจากนี้ยังเป็นแหล่งข้อมูล FRB ที่ทำซ้ำซึ่งเราตรวจพบ FRB หลายร้อยรายการในขณะนี้ คลื่นความถี่วิทยุของ FRB อยู่ที่ความถี่ลักษณะเฉพาะและไม่ครอบคลุมย่านความถี่กว้างมาก สิ่งนี้มีความหมายที่สำคัญสำหรับการตรวจจับของ FRB เช่นนั้นเพราะในการที่จะพบพวกมันหอสังเกตการณ์วิทยุจะต้องปรับตามความถี่ของพวกเขา”

ตามสิ่งที่เป็นที่รู้จักเกี่ยวกับ FRB 121102 Fialkov และ Loeb ได้ทำการคำนวณแบบต่าง ๆ ซึ่งสันนิษฐานว่าพฤติกรรมของมันเป็นตัวแทนของ FRB ทั้งหมด จากนั้นพวกเขาก็คาดการณ์ว่าจะมี FRBs กี่แห่งทั่วทั้งท้องฟ้าและพิจารณาว่าภายในเอกภพที่สังเกตเห็นได้นั้น FRB น่าจะเกิดขึ้นทุก ๆ วินาที Fialkov อธิบาย:

“ สมมติว่า FRB ผลิตโดยกาแลคซีบางประเภท (เช่นคล้ายกับ FRB 121102) เราสามารถคำนวณจำนวน FRB ที่ผลิตโดยกาแลคซีแต่ละแห่งเพื่ออธิบายการสังเกตการณ์ที่มีอยู่ (เช่น 2000 ต่อท้องฟ้าต่อวัน) ด้วยจำนวนนี้ในใจเราสามารถอนุมานอัตราการผลิตสำหรับประชากรทั้งหมดของกาแลคซี การคำนวณนี้แสดงให้เห็นว่า FRB เกิดขึ้นทุก ๆ วินาทีเมื่อบัญชีสำหรับเหตุการณ์ที่ไม่แน่นอนทั้งหมด”

ในขณะที่ธรรมชาติและต้นกำเนิดของ FRB ยังไม่เป็นที่แน่ชัด - ข้อเสนอแนะรวมถึงดาวนิวตรอนที่กำลังหมุนและแม้แต่ปัญญาของมนุษย์ต่างดาว! - Fialkov และ Loeb ระบุว่าพวกเขาสามารถใช้เพื่อศึกษาโครงสร้างและวิวัฒนาการของจักรวาล หากพวกมันเกิดขึ้นกับความถี่ปกติทั่วทั้งจักรวาลก็จะมีแหล่งกำเนิดที่ไกลออกไปมากขึ้นซึ่งเป็นเครื่องมือตรวจสอบซึ่งนักดาราศาสตร์จะต้องพึ่งพาความลึกของอวกาศ

ยกตัวอย่างเช่นในระยะทางเอกภพอันกว้างใหญ่มีวัสดุจำนวนมากที่แทรกแซงซึ่งทำให้ยากสำหรับนักดาราศาสตร์ที่จะศึกษาพื้นหลัง Cosmic ไมโครเวฟ (CMB) - รังสีที่เหลือจากบิ๊กแบง การศึกษาเนื้อหาที่ถูกแทรกแซงนี้อาจนำไปสู่การประมาณการใหม่ว่าพื้นที่หนาแน่นเพียงใด - นั่นคือมันประกอบด้วยสสารธรรมดาสสารมืดและพลังงานมืด - เท่าไหร่และขยายตัวเร็วแค่ไหน

และตามที่ศาสตราจารย์ Loeb ระบุ FRB สามารถใช้ในการสำรวจคำถามทางจักรวาลวิทยาที่ยืนยงเช่นเดียวกับที่“ ยุคมืด” ของจักรวาลสิ้นสุดลง:

“ FRB สามารถใช้วัดคอลัมน์ของอิเล็กตรอนอิสระไปยังแหล่งกำเนิด สิ่งนี้สามารถใช้วัดความหนาแน่นของสสารปกติระหว่างกาแลคซีในจักรวาลยุคปัจจุบัน นอกจากนี้ FRBs ในช่วงแรกของจักรวาลสามารถใช้เพื่อหาว่าแสงอัลตราไวโอเลตจากดาวฤกษ์ดวงแรกสลายอะตอมของไฮโดรเจนดั้งเดิมที่เหลือจากบิกแบงไปเป็นอิเล็กตรอนและโปรตอนที่เป็นส่วนประกอบ

“ ยุคมืด” ซึ่งเกิดขึ้นระหว่าง 380,000 ถึง 150 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบงมีลักษณะเป็น“ หมอก” ของอะตอมไฮโดรเจนที่มีปฏิสัมพันธ์กับโฟตอน ด้วยเหตุนี้การแผ่รังสีของช่วงเวลานี้จึงไม่สามารถตรวจพบได้โดยเครื่องมือปัจจุบันของเรา ในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ยังคงพยายามแก้ไขวิธีที่จักรวาลทำการเปลี่ยนแปลงระหว่าง“ ยุคมืด” และยุคต่อ ๆ มาเมื่อเอกภพเต็มไปด้วยแสง

ช่วงเวลาของการ“ ปฏิรูป” ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อ 150 ล้านถึง 1 พันล้านปีหลังจากบิ๊กแบงคือเมื่อดาวและควาซาร์เกิดขึ้นครั้งแรก เป็นที่เชื่อกันโดยทั่วไปว่าแสง UV จากดวงดาวดวงแรกในจักรวาลเดินทางออกไปเพื่อทำให้เกิดก๊าซไฮโดรเจน (ทำให้เกิดหมอก) การศึกษาเมื่อเร็ว ๆ นี้ยังชี้ให้เห็นว่าหลุมดำที่มีอยู่ในเอกภพยุคแรก ๆ ได้สร้าง“ ลม” ที่จำเป็นซึ่งทำให้การแผ่รังสีไอออไนซ์นี้หนี

ด้วยเหตุนี้ FRB สามารถใช้ในการตรวจสอบในช่วงแรกของจักรวาลและตัดสินว่าอะไรคือ "หมอก" นี้และอนุญาตให้แสงหนีออกมาได้ การศึกษา FRB ที่อยู่ห่างไกลมาก ๆ จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษาได้ว่ากระบวนการ“ reionization” เกิดขึ้นที่ไหนและเมื่อไหร่และอย่างไร เมื่อมองไปข้างหน้า Fialkov และ Loeb อธิบายว่ากล้องโทรทรรศน์วิทยุในอนาคตจะสามารถค้นพบ FRB ได้อย่างไร

“ หอสังเกตการณ์วิทยุในอนาคตเช่น Square Kilometer Array จะมีความไวพอที่จะตรวจจับ FRBs จากกาแลคซีรุ่นแรกที่ขอบของเอกภพที่สังเกตการณ์ได้” Prof. Loeb กล่าว “ งานของเรามีการประมาณจำนวนครั้งแรกและคุณสมบัติของแสงแฟลชแรกของคลื่นวิทยุที่ส่องสว่างในเอกภพทารก”

และจากนั้นก็มีการทดลองทำแผนที่ความเข้มของไฮโดรเจนของแคนาดา (CHIME) ที่หอดูดาววิทยุดาราศาสตร์โดมิเนียนในบริติชโคลัมเบียซึ่งเพิ่งเริ่มปฏิบัติการ เครื่องมือเหล่านี้และเครื่องมืออื่น ๆ จะทำหน้าที่เป็นเครื่องมืออันทรงพลังสำหรับการตรวจจับ FRB ซึ่งสามารถนำมาใช้เพื่อดูขอบเขตเวลาและพื้นที่ที่มองไม่เห็นก่อนหน้านี้และปลดล็อกความลึกลับทางจักรวาลวิทยาที่ลึกที่สุดบางส่วน

“ [W] e พบว่ากล้องรุ่นต่อไป (ที่มีความไวที่ดีกว่ากล้องที่มีอยู่ในปัจจุบัน) คาดว่าจะเห็น FRB มากกว่าที่สังเกตเห็นในวันนี้” ดร. Fialkov กล่าว “ สิ่งนี้จะช่วยให้จำแนกลักษณะประชากรของ FRB และระบุที่มาของมัน การทำความเข้าใจกับธรรมชาติของ FRB จะเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญ เมื่อทราบคุณสมบัติของแหล่งข้อมูลเหล่านี้แล้ว FRB สามารถใช้เป็นบีคอนในการสำรวจจักรวาลได้ แอปพลิเคชั่นหนึ่งคือการศึกษาประวัติของการรีออไนเซชัน (การเปลี่ยนเฟสของจักรวาลเมื่อก๊าซระหว่างกาแลคซีถูกทำให้เป็นไอออนโดยดาว)

มันเป็นความคิดที่ได้รับแรงบันดาลใจโดยใช้ปรากฏการณ์จักรวาลตามธรรมชาติเป็นเครื่องมือในการวิจัย ในแง่นั้นการใช้ FRB เพื่อสำรวจวัตถุที่อยู่ไกลที่สุดในอวกาศ (และย้อนเวลากลับไปนานที่สุดเท่าที่จะทำได้) ก็เหมือนกับการใช้ควาซาร์เป็นบีคอนการนำทาง ในที่สุดการพัฒนาความรู้เกี่ยวกับจักรวาลทำให้เราสามารถสำรวจได้มากขึ้น