Surprising magnetar is source of fast radio bursts near galaxy M81
​Källan till mystiska radiosignaler: En magnetar blixtrar till, gömd bland gamla stjärnor (i rött) i utkanten av spiralgalaxen Messier 81 (M 81).
​ASTRON/Daniëlle Futselaar, artsource.nl

Kosmiska blixtar från oväntad källa överraskar forskare

När astronomer spårade den hittills närmaste källan till de mystiska blixtar på himlen som kallas radioblixtar, blev de överraskade. Precisionsmätningar med radioteleskop avslöjar att blixtarna skapas bland gamla stjärnor, och på ett sätt som ingen hade väntat sig. Källan till blixtarna, i den närliggande spiralgalaxen M 81, ligger närmare jorden än någon annan i sitt slag.
Radioblixtar är oförutsägbara, extremt korta ljusglimtar från rymden. Astronomer har kämpat för att förstå dem ända sedan de först upptäcktes 2007. Hittills har de bara kunnat ses av radioteleskop.

Varje blixt varar bara tusendelar av en sekund. Ändå sänder var och en ut lika mycket energi som solen avger på ett dygn. Varje dag smäller flera hundra blixtar, och de har skådats  över hela himlen. De flesta ligger på enorma avstånd från jorden, i galaxer flera miljarder ljusår bort.

I två forskningsartiklar som publiceras i veckans nummer av tidskrifterna Nature och Nature Astronomy presenterar ett internationellt team av astronomer observationer som tar forskarna ett steg närmare att lösa mysteriet – samtidigt som nya gåtor väcks. Teamet leds gemensamt av Franz Kirsten (Onsala rymdobservatorium, Chalmers, och ASTRON, Nederländerna) och Kenzie Nimmo (ASTRON och Universiteit van Amsterdam, Nederländerna).

När en källa till upprepade blixtar upptäcktes i stjärnbilden Stora björnen januari 2020 satte forskarna igång med att göra högprecisionsmätningar.

– Vi ville leta efter ledtrådar till blixtarnas ursprung. Genom att använda många radioteleskop tillsammans kan vi fastställa en källas läge på himlen med extremt hög precision. Det ger möjlighet att se hur omgivningarna ser ut där radioblixtar skapas, säger Franz Kirsten. 

För att studera källan med högsta möjliga upplösning och högsta möjliga känslighet använde forskarna mätningar gjorda samtidigt med teleskopen i nätverket European VLBI Network (EVN). Genom att kombinera data från 12 parabolantenner spridda över halva jordklotet – i Sverige, Lettland, Nederländerna, Ryssland, Tyskland, Polen, Italien och Kina - kunde de ta reda på exakt varifrån på himlen som blixtarna sändes ut.

Mätningarna kompletterades med andra från flera andra teleskop, bland dem Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) i New Mexico, USA.


Nära, men inte som väntat

När astronomerna analyserade sina mätningar upptäckte de att de återkommande radioblixtarna hade ett helt oväntat ursprung.

Utbrotten kunde de spåra till utkanterna av den närliggande spiralgalaxen Messier 81 (M 81), cirka 12 miljoner ljusår bort. Det är ett stort avstånd, men ändå närmare än till någon annan källa till radioblixtar som hittills upptäckts.

Ännu en överraskning väntade. Läget på himlen stämde exakt överens med en tät klunga av mycket gamla stjärnor - en klotformig stjärnhop (eller klothop).

– Det var häpnadsväckande att hitta radioblixtar från ett klothop. Det här är ett ställe i rymden där det bara finns gamla stjärnor. Längre ut i universum har man hittat radioblixtar på platser där stjärnor är mycket yngre. Så det här måste vara något annat, säger Kenzie Nimmo.

Många radioblixtar har hittats omgivna av unga, tunga stjärnor, som är långt större än solen. I sådana omgivningar är stjärnexplosioner vanliga, och stjärnor som exploderar kan lämna efter sig starkt magnetiserade rester – och några av dessa märkliga himlakroppar kallas magnetarer.

Forskare har trott att magnetarer kan skapa åtminstone en del av alla radioblixtar. Magnetarer är universums mest kraftfulla kända magneter, och utgör de extremt täta resterna av stjärnor som nyligen har exploderat.

Teammedlemmen Jason Hessels är astronom vid Universiteit van Amsterdam och vid ASTRON.
 Vi väntar oss att magnetarer ska vara nya, och definitivt inte omgivna av gamla stjärnor. Så om det vi upptäckt här verkligen är en magnetar kan den inte ha bildats när en ung stjärna exploderade. Det måste finnas ett annat sätt, säger han.

Teamet tror att radioblixtarnas källa är en typ av himlakropp som förutspåtts av andra forskare, men som aldrig setts förut: en magnetar som bildades när en stjärna av typen vit dvärg  gick upp i vikt så mycket att den störtade samman under sin egen tyngd.

 Märkliga saker kan hända under de långa årmiljarderna i en tät stjärnhops liv. Här tror vi att vi fått syn på en stjärna som har en alldeles ovanlig historia, förklarar Franz Kirsten.

Med tiden blir vanliga stjärnor som solen gamla och förvandlas till små, täta, ljusa himlakroppar som kallas vita dvärgar. Många av stjärnhopens invånare lever i par, som dubbelstjärnor. Av de tiotusentals stjärnorna i hopen kan några få komma tillräckligt nära varandra för att den ena stjärnan kan samla in material från den andra.

Det kan leda till en ödesdiger utgång för den ena stjärnan, och som på engelska kallas "accretion-induced collapse", förklarar Kirsten.

 Om en av de vita dvärgarna kan fånga tillräckligt med extra massa från sin följeslagare, kan den förvandlas till en ännu tätare stjärna, känd som en neutronstjärna. Det är en sällsynt händelse, men i en klunga av urgamla stjärnor är det ändå det enklaste sättet som radioblixtar kan skapas, säger teammedlemmen Mohit Bhardwaj, astronom vid McGill University I Kanada.


Snabbaste någonsin

När astronomerna letade efter ytterligare ledtrådar genom att zooma in i sina mätdata blev de än en gång överraskade. En del av blixtarna var ännu kortare än de hade förväntat sig.

 Utbrotten flammade upp och ner i ljusstyrka under så kort tid som  några tiotals nanosekunder. Det säger oss att de måste komma från en väldigt liten volym i rymden, mindre än en fotbollsplan och kanske bara tiotals meter i diameter, säger Kenzie Nimmo.

Liknande, blixtsnabba radiosignaler har tidigare kunnat fångas upp från himlens mest kända stjärnrest, Krabbpulsaren. Den är en pytteliten, oerhört tätpackad himlakropp och en kvarleva efter en supernovaexplosion som kunde ses från jorden år 1054 i stjärnbilden Oxen. Både magnetarer och pulsarer är olika typer av neutronstjärnor: extremt sammanpackade himlakroppar med solens massa i en volym lika stor som en stad på jorden, och med starka magnetfält.

 Av de signaler vi mätte upp var några väldigt korta och extremt kraftfulla, på precis samma sätt som vissa signaler från Krabbpulsaren. Det tyder på att det vi ser verkligen är en magnetar, men på en plats där inga magnetarer har hittats tidigare, säger Kenzie Nimmo.

Framtida observationer av detta system och andra kommer att hjälpa till att avgöra om källan verkligen är en ovanlig magnetar eller något annat. Mätningarna kan möjligen även förklaras av en ovanlig pulsar, eller ett dubbelsystem där ett svart hål och en tät stjärna kretsar kring varandra.

 De här radioblixtarna tycks kunna ge oss nya och oväntade insikter om hur stjärnor lever och dör. Om det är riktigt kan de på samma sätt som supernovor berätta för oss om stjärnor och hur de lever i hela universum, säger Franz Kirsten.

Bilder

A (överst). Källa till mystiska radiosignaler: så föreställer sig rymdkonstnären Daniëlle Futselaar en magnetar i en klunga av urgamla stjärnor (som visas i rött) nära spiralgalaxen Messier 81 (M81).
(Bild: ASTRON/Daniëlle Futselaar, artsource.nl)
 
B Radioblixtar från en överraskande plats. En tät klunga av gamla stjärnor (till vänster) nära spiralgalaxen Messier 81 (M81) är källan till oerhört ljusstarka och korta radiosignaler. 
(Bild: ASTRON/Daniëlle Futselaar, artsource.nl)

C Extremt korta radioblixtar från en överraskande källa. En tät klunga av gamla stjärnor (till vänster) nära spiralgalaxen Messier 81 (M81) är källan till oerhört ljusstarka och korta radiosignaler. I blått och vitt visas en graf över hur en blixts ljusstyrka förändrades inom loppet av bara några tiotals mikrosekunder.
(Bild: ASTRON/Daniëlle Futselaar, artsource.nl)

Kontakter

Robert Cumming, kommunikatör, Onsala rymdobservatorium, Chalmers tekniska högskola, e-post: robert.cumming@chalmers.se, tel: +46 70 493 3114 eller +46 (0)31 772 5500

Franz Kirsten, ASTRON och Onsala rymdobservatorium, Chalmers tekniska högskola, franz.kirsten@chalmers.se


Mer om forskningen och om European VLBI Network och JIVE

Forskningen baseras på observationer med European VLBI Network, med Karl G. Jansky Very Large Array, och med rymdteleskopen Hubble, Chandra och Fermi, samt Subaru-teleskopet på Hawaii.

Forskningen publiceras i två artiklar i tidskrifterna Nature och Nature Astronomy.
A repeating fast radio burst source in a globular cluster, av Franz Kirsten et al (www.nature.com/articles/s41586-021-04354-w; finns även på ArXiv)
Burst timescales and luminosities link young pulsars and fast radio bursts, by Kenzie Nimmo et al (www.nature.com/articles/s41550-021-01569-9finns även på ArXiv).

Långbasinterferometri eller VLBI (very long baseline interferometry) är en astronomisk metod som går ut på att flera radioteleskop som ligger långt från varandra samtidigt observerar samma område på himlen. Data från varje teleskop skickas sedan till en central dator, korrelatorn, för att skapa bilder med högre upplösning än till och med världens bästa teleskop för synligt ljus

European VLBI Network (EVN; www.evlbi.org) är en interferometrisk uppställning av radioteleskop i Europa, Asien, Sydafrika och Amerika som genomför unika, högupplösta radioastronomiska observationer av kosmiska radiokällor. Nätverket grundades 1980, med Onsala rymdobservatorium bland de första fem medlemmar, och har idag växt till världens känsligaste teleskopuppställning i sitt slag, med fler än 20 teleskop varav några av världens största och känsligaste radioteleskop. EVN:s medlemskap består av 13 forskningsinstitut, samt fem associerade medlemmar.

Joint Institute for VLBI ERIC (JIVE; www.jive.eu) har som huvuduppdrag att stå för driften och utvecklingen av EVN-processorn, en kraftfull superdator som kombinerar signalerna från radioteleskop i hela världen. JIVE grundades 1993 och är sedan 2015 ett ERIC (European Research Infrastructure Consortium) med sju medlemsländer: Frankrike, Italien, Lettland, Nederländerna, Spanien, Storbritannien och Sverige. JIVE har sitt säte i Nederländerna vid ASTRON, Nederländernas institut för radioastronomi.


Sidansvarig Publicerad: to 24 feb 2022.