Kosmos: Odczytywanie tajemniczych sygnałów
Wszechświat nie milczy; jest przesycony przelotnymi impulsami elektromagnetycznymi, zniekształconymi falami grawitacyjnymi czasoprzestrzeni oraz światłem rozciągniętym przez kosmiczną ekspansję na przestrzeni trzynastu miliardów lat.
Inżynierowie terenowi sprawdzający kriogeniczne dewary odbiorników na wysokogórskiej macierzy anten milimetrowych. Prawdziwy postęp w astronomii wynika z czułości na częstotliwości radiowe i niskoszumnych wzmacniaczy wstępnych.
Szybkie błyski radiowe (FRB): związek z magnetarami
Po raz pierwszy zarejestrowane w danych archiwalnych przez Duncana Lorimera w 2007 roku, szybkie błyski radiowe (FRB) to trwające milisekundy rozbłyski spójnych fal radiowych pochodzące z odległości kosmologicznych. Miara dyspersji (DM), czyli opóźnienie fal radiowych o niższej częstotliwości względem fal o wyższej częstotliwości, spowodowane elektronami w ośrodku międzygalaktycznym, dowodzi, że te zjawiska powstają daleko poza naszą galaktyką, Drogą Mleczną.
W kwietniu 2020 roku teleskopy wykryły intensywny rozbłysk radiowy o profilu energetycznym zgodnym z FRB, pochodzący z SGR 1935+2154, aktywnego magnetara znajdującego się w naszej własnej galaktyce. Magnetary mają pola magnetyczne przekraczające $10^{14}$ do $10^{15}$ gausów, wystarczająco silne, by zdeformować orbitale elektronów w cienkie igły. Nagłe „trzęsienie gwiazdy” (starquake) na stałej skorupie gwiazdy neutronowej zrywa linie strumienia magnetycznego, wywołując relatywistyczne fale uderzeniowe plazmy, które uwalniają energetyczne rozbłyski.
Zjawiska kosmiczne objęte aktywnym audytem obserwacyjnym
| Zjawisko | Instrument detekcyjny | Mechanizm fizyczny | Rozwiązanie teoretyczne |
|---|---|---|---|
| Powtarzające się szybkie błyski radiowe | Radioteleskop CHIME (Kanada), FAST (Chiny) | Rekoneksja w skorupie magnetara lub oddziaływania w układach podwójnych pulsarów | Wysokie prawdopodobieństwo statystyczne młodych, szybko rotujących silników magnetarowych |
| Ringdown fal grawitacyjnych | Laserowe interferometry LIGO / Virgo / KAGRA | Spirala i łączenie się podwójnych czarnych dziur oraz gwiazd neutronowych | Potwierdza ogólną teorię względności, metrykę Kerra, w reżimach silnego pola |
| Nadmasywne wczesne galaktyki | Spektrometry podczerwieni JWST NIRCam / NIRSpec | Duża akumulacja masy gwiazdowej w ciągu 400 milionów lat od Wielkiego Wybuchu | Nierozwiązane; wymusza rewizję modeli chłodzenia gazu w wczesnych halo ciemnej materii |
Astronomia fal grawitacyjnych: wykrywanie zmarszczek w czasoprzestrzeni
Do 2015 roku wszystkie dane astronomiczne pochodziły z promieniowania elektromagnetycznego (fotonów). Wykrycie GW150914 przez Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) zainaugurowało niefotonowy kanał obserwacji. Gdy dwie czarne dziury spiralnie zbliżają się do siebie i łączą, emitują czyste zmarszczki krzywizny czasoprzestrzeni, rozchodzące się z prędkością światła.
Wiązki laserowe biegnące w prostopadłych, 4-kilometrowych próżniowych rurach LIGO mierzą zmiany odległości mniejsze niż jedna dziesięciotysięczna średnicy protonu. Analizując zmianę częstotliwości fali (chirp) i zanikanie amplitudy (ringdown), astrofizycy bezpośrednio obliczają masę i spin końcowej czarnej dziury oraz całkowitą energię zamienioną w promieniowanie grawitacyjne.
Zagadka wczesnej struktury kosmicznej
Głębokie obserwacje w podczerwieni z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba ujawniły galaktyki o przesunięciach ku czerwieni $z > 10$, które zawierają o rzędy wielkości więcej masy gwiazdowej, niż przewidują standardowe modele kosmologiczne $\Lambda\text{CDM}$. Zgodnie z klasyczną teorią powstawania galaktyk wszechświat w wieku 350 milionów lat nie powinien mieć wystarczająco dużo czasu, by zebrać gaz w tak gęste silniki gwiazdotwórcze.
Astrofizycy oceniają, czy zarodki supermasywnych czarnych dziur powstały bezpośrednio z masywnych obłoków gazu, bez poprzedzającej generacji gwiazd (bezpośrednio zapadające się czarne dziury), czy też wczesne gwiazdy populacji III były znacznie masywniejsze i bardziej wydajne w tworzeniu gwiazd niż współczesne gwiazdy.