Webb znalazł galaktykę macierzystą najodleglejszego szybkiego błysku radiowego

Błysk trwający milisekundy

Szybkie błyski radiowe (FRB, od ang. fast radio bursts) to trwające milisekundy impulsy fal radiowych, które docierają do nas z innych galaktyk. Pierwszy odkryto w 2007 roku w archiwalnych danych z przeglądu pulsarów. Większość z nich widać tylko raz; nieliczne się powtarzają.

W drodze do nas każdy impuls przechodzi przez rozrzedzony, naładowany elektrycznie gaz, który opóźnia niższe częstotliwości radiowe bardziej niż wyższe. Z tego opóźnienia astronomowie obliczają miarę dyspersji, która mówi, ile wolnych elektronów znajduje się na całej drodze sygnału. Dla FRB 20240304B okazała się ona wyjątkowo duża, co wskazywało na bardzo odległe źródło. Zwiększyć ją może jednak także gęsty gaz w pobliżu źródła albo w gromadach galaktyk leżących po drodze. O odległości może rozstrzygnąć dopiero przesunięcie ku czerwieni galaktyki macierzystej.

Od położenia błysku do przesunięcia ku czerwieni

MeerKAT to zespół 64 anten parabolicznych rozmieszczonych na obszarze o rozpiętości 8 km. Błysk wychwycił o 00:50 UTC MeerTRAP, system wyszukujący krótkie sygnały. Po wykryciu MeerTRAP zapisał 300 milisekund surowych danych z 62 pracujących wtedy anten. To wystarczyło, by wyznaczyć położenie błysku z dokładnością do około pół sekundy kątowej, czyli do niespełna jednej trzytysięcznej średnicy tarczy Księżyca w pełni.

Głębokie zdjęcia z naziemnych teleskopów Keck i MMT nie pokazały w tym miejscu niczego. Dopiero instrument NIRCam Teleskopu Webba znalazł słabą galaktykę około 0,3 sekundy kątowej od położenia błysku; według obliczeń zespołu z prawdopodobieństwem 97,5% to właśnie ona jest galaktyką macierzystą. Spektrograf NIRSpec, również na pokładzie Webba, zmierzył światło emitowane przez jej wodór i tlen i wyznaczył przesunięcie ku czerwieni 2,148: światło widzialne tej galaktyki dociera do nas jako podczerwień, bo jego długość fali wzrosła po drodze mniej więcej trzykrotnie.

Dlaczego odległość ma znaczenie: ważenie gazu między galaktykami

Ponad trzy czwarte zwykłej materii we Wszechświecie to rozproszony gaz między galaktykami i wokół nich, zbyt rzadki, by go zobaczyć. Porównując miarę dyspersji błysku z jego odległością, można ten gaz zważyć. W 2020 roku zespół Jeana-Pierre’a Macquarta zrobił to dla kilku błysków i znalazł tyle zwykłej materii, ile przewidują pomiary wczesnego Wszechświata. Dzięki FRB 20240304B metodę można zastosować do sygnału, który był w drodze przez około 80% historii kosmosu.

Po drodze sygnał napotkał więcej wolnych elektronów, niż zwykle przypada na drogę tej długości. Mniej więcej połowę tej nadwyżki zespół przypisał dwóm strukturom na linii widzenia: Gromadzie w Pannie, odległej o około 54 miliony lat świetlnych, oraz nieznanej wcześniej grupie galaktyk o przesunięciu ku czerwieni 0,31. Impuls dotarł też mocno rozmyty w czasie; rozmył go prawdopodobnie w dużej mierze gaz w galaktyce macierzystej. Zespół wnioskuje, że obecnym przeglądom nieba umyka cała populacja błysków rozmytych tak jak ten.

Skąd biorą się te błyski, wciąż nie wiadomo

Głównymi kandydatami są dwa rodzaje źródeł. Pierwszy to para gwiazd neutronowych, które krążą wokół siebie coraz bliżej, aż się połączą; według przewidywań trwa to miliardy lat, więc takie połączenia powinny częściej zdarzać się w starych galaktykach. Magnetar, czyli młoda gwiazda neutronowa o niezwykle silnym polu magnetycznym, może powstać w ciągu kilku milionów lat od epizodu gwałtownego powstawania gwiazd, więc powinien częściej występować w galaktykach, w których gwiazdy wciąż się rodzą. Większość znanych galaktyk macierzystych FRB to duże galaktyki gwiazdotwórcze. Galaktyka macierzysta FRB 20240304B ma mniej więcej tysiąc razy mniejszą masę, niż oczekiwano, i tworzy gwiazdy tak szybko, że w obecnym tempie mogłaby wytworzyć wszystkie swoje gwiazdy w ciągu około 50 milionów lat, co oznacza, że jej gwiazdy są młode. Dlatego zespół uważa, że w tym przypadku połączenie gwiazd neutronowych jest bardzo mało prawdopodobne. W 2020 roku magnetar w naszej Galaktyce, SGR 1935+2154, wysłał podobny błysk radiowy, około 40 razy słabszy od najsłabszego znanego błysku spoza Galaktyki.

A jednak w 2022 roku źródło powtarzającego się FRB zlokalizowano w gromadzie kulistej należącej do galaktyki M81, czyli w gęstym skupisku bardzo starych gwiazd, w którym młode magnetary nie powinny powstawać. Czy błyski jednorazowe i powtarzające się mają wspólną przyczynę, pozostaje niewyjaśnione.

Niczego z tego nie zobaczysz amatorskim sprzętem: błysk trwał milisekundy, a galaktyka macierzysta jest o wiele za słaba. Ta galaktyka leży w gwiazdozbiorze Panny, Ta galaktyka leży w gwiazdozbiorze Panny, około 12° na północ od równika niebieskiego, w rejonie nieba widocznym z obu półkul — z wyjątkiem dalekiego południa.