Astronomen koppelen ‘sterbevingen’ aan mysterieuze radiosignalen uit de ruimte

Onderzoek van de Universiteit van Tokio brengt snelle radio-uitbarstingen (FRB’s) in verband met ‘sterbevingen’ op neutronensterren, wat nieuwe inzichten oplevert in aardbevingen en kernfysica.

Snelle radioflitsen, of FRB’s, zijn een astronomisch mysterie, en hun oorzaak en oorsprong blijven onzeker. Deze intense uitbarstingen van radio-energie zijn onzichtbaar voor het menselijk oog, maar verschijnen helder op radiotelescopen. Eerdere studies hebben grote overeenkomsten waargenomen tussen de energieverdeling van terugkerende snelle radio-uitbarstingen en de energieverdeling van aardbevingen en zonnevlammen.

Nieuw onderzoek aan de Universiteit van Tokio heeft echter gekeken naar de tijd en energie van FRB’s en heeft duidelijke verschillen gevonden tussen FRB’s en zonnevlammen, maar er zijn veel opmerkelijke overeenkomsten tussen FRB’s en aardbevingen. Dit ondersteunt de theorie dat FRB’s het gevolg zijn van “sterbevingen” op het oppervlak van neutronensterren. Deze ontdekking zou ons kunnen helpen aardbevingen, het gedrag van materialen met een hoge dichtheid en aspecten van de kernfysica beter te begrijpen.

De Chinese radiotelescoop met een diafragma van vijfhonderd meter (FAST). De FRB-gegevens zijn afkomstig van de Five Hundred Meter Aperture Spherical Telescope (FAST) in China en de Arecibo Telescope in Puerto Rico, twee van de grootste telescopen met één schotel ter wereld. Helaas werd de Arecibo-telescoop later in 2020 beschadigd en buiten gebruik gesteld. Bron: Bojun Wang, Jinchen Jiang & Qisheng Cui

Het mysterie van snelle radioflitsen (FRB’s).

De uitgestrektheid van de ruimte herbergt vele mysteries. Hoewel sommige mensen ervan dromen om moedig naar een plek te gaan waar nog niemand eerder is geweest, kunnen we veel leren van het comfort van het land. Dankzij de technologische vooruitgang kunnen we het oppervlak verkennen MarsWonderen van Saturnusringen, die mysterieuze signalen uit de verre ruimte oppikken. Snelle radioflitsen zijn extreem krachtige, heldere uitbarstingen van energie die op radiogolven te zien zijn.

Deze uitbarstingen werden voor het eerst ontdekt in 2007 en kunnen miljarden lichtjaren afleggen, maar duren doorgaans slechts milliseconden. Er wordt geschat dat er elke dag wel 10.000 FRB’s zouden kunnen voorkomen als we de hele hemel zouden kunnen observeren. Hoewel de meeste tot nu toe ontdekte burst-bronnen een eenmalige gebeurtenis lijken uit te zenden, zijn er ongeveer 50 snelle burst-bronnen die herhaaldelijk bursts uitzenden.

Seismische gegevens zijn afkomstig uit de Kanto-regio van Japan (inclusief Tokio en Narita) en Izumo in de Chugoku-regio (ten noorden van Hiroshima). De zwarte stippen vertegenwoordigen de epicentra van aardbevingen die zijn geregistreerd tussen 6 mei 2010 en 31 december 2012. Bron: ©2023 T. Totani & Y. Tsuzuki

Theorieën achter de oorzaak van snelle radio-uitbarstingen

Waarom snelle radio-uitbarstingen optreden is onbekend, maar er zijn enkele ideeën naar voren gebracht, waaronder dat ze mogelijk van buitenaardse oorsprong zijn. De huidige heersende theorie is echter dat op zijn minst enkele snelle radio-uitbarstingen worden uitgezonden door neutronensterren. Deze sterren ontstaan ​​wanneer een gigantische ster instort, met een massa die varieert van acht keer de massa van onze zon (gemiddeld) tot een ultradichte kern van slechts 20 tot 40 kilometer in doorsnee. Magnetars zijn neutronensterren met extreem sterke magnetische velden en er is waargenomen dat ze FRB’s uitstoten.

“Theoretisch werd gedacht dat het oppervlak van een magnetar een sterbeving zou kunnen meemaken, een energie-uitstoot vergelijkbaar met aardbevingen op aarde”, zegt professor Tomonori Totani van de afdeling Astronomie van de Graduate School of Science. “Recente observationele vooruitgang heeft geleid tot de ontdekking van nog eens duizenden snelle radio-uitbarstingen, dus hebben we van de gelegenheid gebruik gemaakt om de grote statistische datasets die momenteel beschikbaar zijn voor snelle radio-uitbarstingen te vergelijken met gegevens van aardbevingen en zonnevlammen, om mogelijke overeenkomsten te onderzoeken.”

De onderzoekers analyseerden de tijd- en energieverdeling van snelle radio-uitbarstingen en seismische gebeurtenissen, en door de waarschijnlijkheid van naschokken in kaart te brengen als functie van het tijdsverschil, ontdekten ze dat de twee erg op elkaar lijken. Krediet: ©2023 T. Totani & Y. Tsuzuki

Statistische analyse en resultaten

Tot nu toe heeft de statistische analyse van snelle radioflitsen zich geconcentreerd op de verdeling van de wachttijden tussen twee opeenvolgende uitbarstingen. Totani en co-auteur Yuya Tsuzuki, een afgestudeerde student aan dezelfde afdeling, wijzen er echter op dat bij het berekenen van alleen de wachttijdverdeling geen rekening wordt gehouden met correlaties die tussen andere uitbarstingen kunnen bestaan. Daarom besloot het team de correlatie in de 2D-ruimte te berekenen, waarbij de tijd en energie van de emissie van bijna 7.000 uitbarstingen uit drie verschillende snelle radio-uitbarstingsbronnen werd geanalyseerd. Vervolgens pasten ze dezelfde methode toe om de relatie te onderzoeken tussen aardbevingen, tijd en energie (met behulp van gegevens uit Japan) en zonnevlammen (met behulp van gegevens uit… Hinode International Mission to Study the Sun) en vergelijk de resultaten van de drie verschijnselen.

Totani en Tsuzuki waren verrast dat hun analyse, in tegenstelling tot andere onderzoeken, een opvallende gelijkenis aantoonde tussen FRB’s en seismische gegevens, maar een duidelijk verschil tussen FRB’s en zonnevlammen.

“De resultaten laten opmerkelijke overeenkomsten zien tussen snelle radio-uitbarstingen en aardbevingen op de volgende manieren: ten eerste is de kans op een naschok voor een enkele gebeurtenis 10-50%; ten tweede neemt de incidentie van naschokken in de loop van de tijd af, naarmate de tijd sterker wordt; ten derde is de snelheid van naschokken altijd constant, zelfs als de FRB-aardbevingsactiviteit (gemiddelde snelheid) aanzienlijk verandert; en ten vierde is er geen verband tussen de energieën van de hoofdschok en de naschokken ervan.

Dit wijst er sterk op dat er zich een vaste korst op het oppervlak van neutronensterren bevindt, en dat bij sterbevingen die plotseling op deze korsten plaatsvinden enorme hoeveelheden energie vrijkomen die wij als FRB’s beschouwen. Het team is van plan door te gaan met het analyseren van nieuwe gegevens over snelle radioflitsen, om te verifiëren dat de gevonden overeenkomsten universeel zijn.

“Door stellaire aardbevingen te bestuderen op verre, ultradichte sterren, die zich in heel andere omgevingen bevinden dan de aarde, kunnen we nieuwe inzichten verwerven in aardbevingen”, aldus Totani. “Interieur A Neutronenster Het is de dichtste plaats in het heelal, vergeleken met het binnenste van de atoomkern. Sterbevingen in neutronensterren hebben de mogelijkheid geopend om nieuwe inzichten te verkrijgen in materie met een hoge dichtheid en de fundamentele wetten van de kernfysica.

Referentie: “Snelle radio-uitbarstingen veroorzaken aardbevingsachtige naschokken, maar geen zonnevlammen” door Tomonori Totani en Yuya Tsuzuki, 11 oktober 2023, Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society.
doi: 10.1093/manras/stad2532