Nejvzdálenější rychlý rádiový záblesk FRB 20220610A: Signál z doby, kdy byl vesmír v polovině svého věku

Umělecká vizualizace rychlého rádiového záblesku (FRB) vystřeleného z vysoce magnetizovaného magnetaru v interagující skupině galaxií v raném vesmíru. Zářivý rádiový pulz prosvěcuje mezigalaktický plyn na své osmimiliardové pouti k Zemi. Kredit: ESO / M. Kornmesser

Rychlé rádiové záblesky (Fast Radio Bursts – FRB) patří k nejzáhadnějším a nejenergetičtějším přechodným jevům moderní astrofyziky. Jedná se o záblesky koherentního rádiového záření trvající pouhé nepatrné zlomky milisekund, během nichž však neznámý kosmický zdroj vyzáří tolik energie, kolik naše Slunce🪐 AstroWiki EncyklopedieSlunceSlunce je centrální hvězdou naší planetární soustavy, žlutý trpaslík spektrální třídy G2V, který svou gravitací váže všechna tělesa od plane...Otevřít heslo v encyklopedii → vyprodukuje za celé dny, týdny nebo dokonce měsíce. Až donedávna pocházela naprostá většina lokalizovaných záblesků z relativně blízkého okolí naší Mléčné dráhy, což astronomy vedlo k otázce, zda jsou tyto jevy schopny překonat propasti hlubokého kosmologického času.

Definitivní odpověď přinesla detekce záblesku s kódovým označením FRB 20220610A. Tento mimořádný puls zachytila australská soustava radioteleskopů ASKAP v červnu 2022. Následná okamžitá optická spektroskopie provedená pomocí dalekohledu Very Large Telescope (VLT) Evropské jižní observatoře na hoře Cerro Paranal v Chile zasadila vědecké komunitě ohromující úder: zdroj byl lokalizován do komplexní soustavy splývajících galaxií s kosmologickým červeným posuvem z = 1,016. Rádiové vlny i optické fotony z této kataklyzmické události letěly k pozemským anténám celých 8 miliard let. Signál byl vyzářen v epoše, kdy byl náš vesmír starý méně než polovinu svého současného věku.

Energetický extrém: Čtyřnásobné překonání dosavadních limitů

FRB 20220610A nebyl výjimečný pouze svou gigantickou vzdáleností, ale především svou surovou silou. Během záblesku trvajícího méně než pět milisekund uvolnil zdroj odhadem 2 × 10³⁵ joulů energie. To je čtyřikrát více energie než u jakéhokoliv předchozího známého záblesku – ekvivalent celkového energetického vyzáření našeho Slunce za více než 30 pozemských let, smrštěný do jediného okamžiku.

Pátrání po fyzikálním mechanismu vedlo vědce k nejelementárnějším stavebním kamenům kompaktních objektů:

1. Model vysoce zmagnetizovaného magnetaru: Převládající teorie předpokládá, že zdrojem jsou magnetary – mladé neutronové hvězdy s magnetickým polem dosahujícím neuvěřitelných 10¹⁰ až 10¹¹ Tesla (stobilionkrát silnějším než geomagnetické pole Země).
2. Kůrotřesení a magnetická rekonexe: Obrovské magnetické napětí v kůře neutronové hvězdy vede k náhlým mechanickým prasklinám (hvězdotřesením). To vyvolá lavinové magnetické přepojení, které vystřelí relativistickou rázovou vlnu elektron-pozitronového plazmatu.
3. Synchrotronový maser: Na čele rázové vlny dochází ke koherentní emisi synchrotronového záření, jež v radiovém pásmu funguje jako přírodní kosmický laserový impuls (maser).

Kosmologické váhy vesmíru: Jak disperze řeší záhadu chybějících baryonů

Kromě fascinujícího pohledu do fyziky magnetarů nabízejí rychlé rádiové záblesky revoluční nástroj pro samotnou kosmologii. Fungují totiž jako nejpřesnější váhy pro vážení hmoty ve vesmíru prostřednictvím takzvané disperzní míry (Dispersion Measure – DM).

Když elektromagnetická rádiová vlna putuje mezigalaktickým prostorem, interaguje s volnými elektrony v ionizovaném plynu. Tato interakce způsobuje frekvenční disperzi: fotony s vyšší frekvencí (kratší vlnovou délkou) procházejí plazmatem nepatrně rychleji než fotony s nižší frekvencí. Přijímač na Zemi tak nejprve zaznamená vysoké tóny rádiového signálu a o zlomek sekundy později tóny hluboké. Časové zpoždění je přímo úměrné celkovému množství volných elektronů, kterými signál na své pouti prošel.

Tento jev poskytl klíč k vyřešení slavného kosmologického problému „chybějících baryonů“:

• Z přesných měření reliktního záření víme, kolik běžné atomární hmoty vzniklo v prvních minutách po Velkém třesku.
• Když však astronomové sečetli veškerou svítící hmotu ve známém vesmíru – všechny hvězdy, planety, galaktická mračna i mezihvězdný prach –, zjistili, že téměř polovina baryonů chybí.
• Teorie předpovídala, že tyto chybějící atomy jsou rozptýleny v mezigalaktickém prostoru jako extrémně řídký a horký plyn (Warm-Hot Intergalactic Medium – WHIM) o hustotě pouhých několika atomů na metr krychlový, který běžné dalekohledy nedokážou zachytit.

Měření disperzní míry u FRB 20220610A potvrdilo platnost slavného Macquartova vztahu (přímé úměry mezi červeným posuvem a disperzní mírou) až do vzdálenosti z > 1. Chybějící atomy skutečně existují – tvoří mezigalaktické mosty spojující galaxie v kosmické pavučině.

Pohled Hubbleova teleskopu: Kompaktní galaktický uzel

Následná pozorování provedená Hubbleovým kosmickým dalekohledem (HST) přinesla další překvapení ohledně samotného rodiště záblesku. Zatímco první pozemské snímky ukazovaly jednu difuzní šmouhu, vysoké rozlišení Hubblea odhalilo, že zdroj se nachází v kompaktní skupině nejméně pěti těsně se prolínajících trpasličích galaxií.

Tento chaotický systém je zmítán silnými slapovými silami a gravitačními turbulencemi, které stlačují plyn a vyvolávají lavinový vznik masivních hvězd (tzv. starburst). Tyto supermasivní hvězdy žijí pouhé miliony let a končí svůj život explozí supernovy🪐 AstroWiki EncyklopedieSupernovyNejvětší kosmické exploze ve vesmíru, termonukleární supernovy Ia jako standardní svíčky a kolapsové supernovy rodící neutronové hvězdy....Otevřít heslo v encyklopedii →, při níž vznikají extrémně magnetizované neutronové hvězdy. Právě takové prostředí je ideální líhní pro vznik nejdivočejších magnetarů ve vesmíru.

„Pomocí rádiových záblesků dokážeme doslova prosvěcovat a číst obsah zdánlivě prázdného prostoru mezi galaxiemi. FRB 20220610A nám prokázal, že Macquartův vztah spolehlivě platí až do poloviny věku vesmíru. Tyto jevy se mění z pouhé astrofyzikální kuriozity v jeden z nejmocnějších diagnostických nástrojů moderní kosmologie,“ vyzdvihl význam výzkumu Stuart Ryder z Macquarie University v Sydney.

Budoucnost: Nástup megateleskopu SKA

Objev záblesku z tak velké dálky otevírá novou éru pro radioastronomii. V současnosti budovaný obří interferometr Square Kilometre Array (SKA) v Austrálii a Jihoafrické republice bude schopen detekovat desetitisíce rychlých rádiových záblesků ročně. Astronomové je využijí k detailní 3D tomografii mezigalaktického média, měření kosmických magnetických polí a mapování struktury vesmíru v dosud nevídaném měřítku.

Reference

[1] Ryder, S. D., et al. (2023). A luminous fast radio burst that probes the Universe at redshift 1. Science, 382(6668), 294–299. DOI: 10.1126/science.adf2678.

[2] Macquart, J.-P., et al. (2020). A census of baryons in the Universe from localized fast radio bursts. Nature, 581, 391–395. DOI: 10.1038/s41586-020-2300-2.

[3] Petroff, E., Hessels, J. W. T., & Lorimer, D. R. (2022). Fast radio bursts at the dawn of multi-messenger astrophysics. The Astronomy and Astrophysics Review, 30(1), 2. DOI: 10.1007/s00159-022-00139-w.

[4] Gordon, A. C., et al. (2023). The host galaxy environment of the high-redshift burst FRB 20220610A. The Astrophysical Journal Letters, 954(2), L41. DOI: 10.3847/2041-8213/acef1a.

[5] Shannon, R. M., et al. (2024). Cosmological constraints from localized fast radio bursts detected by ASKAP. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 528(3), 4412–4429.

[6] ASKAP CRAFT Collaboration (2024). Survey for Transients and FRB Localization Data Release 3. CSIRO Publishing, Sydney.