یک انفجار رادیویی: رویداد کیهانی تماشایی که کشفی خارق‌العاده به‌نظر می‌رسید

اگر دانشمندی یک تک‌شاخ ببیند، احتمالاً تمایل دارد پیش از اینکه کشفش را به دنیا بگوید، یکی دیگر هم ببیند؛ اما بعضی وقت‌ها یک تک‌شاخ هم کافیست! در سال ۲۰۰۷، اخترشناسی به‌ نام «دانکن لوریمر» (Duncan Lorimer) کشف یک واقعه کیهانی خارق‌العاده و جدید را گزارش کرد. یک شلیک مختصر انرژی چنان پرقدرت که می‌توانست از کهکشانی میلیاردها سال نوری دورتر به زمین برسد. او کشف خود را انفجار رادیویی سریع (FRB) نامید، چون کمتر از یک ثانیه دوام داشت و تنها با یک تلسکوپ رادیویی قابل تشخیص بود.

این یک کشف قابل‌توجه بود. اگر FRBها واقعی باشند، می‌توان از آن‌ها برای اندازه‌گیری مقدار ماده در فضای بین کهکشان‌ها استفاده کرد. آن‌ها مانند یک چوب عمق‌سنج برای چگالی کیهان هستند.

مشکل این بود که لوریمر تنها یک مورد از این واقعه دیدنی جدید را مشاهده کرد. او پیش‌بینی کرد که موارد بسیار بیشتری وجود خواهد داشت – اما در سال ۲۰۰۷ او تنها یک مورد را دید.

بی‌سابقه نیست که رویدادی یک حوزه علمی کاملاً جدید را آغاز کند. بخشی از استخوان انگشت کوچک دست در غاری در سیبری به انسان‌شناسان اجازه داد تا وجود جمعیتی کامل از انسان‌ها را کاوش کنند که هم‌زمان با نئاندرتال‌ها زمین را می‌پیموندند.

وقتی مقاله لوریمر در ژورنال Science منتشر شد، دانشمندان بسیاری درباره این کشف جدید شکاک بودند. به‌قولی «گاهی اوقات، چیزی که کشف علمی جالب‌توجهی به‌نظر می‌رسد، خطایی در داده‌ها از آب درمی‌آید.»

آیا انفجار رادیویی سریع لوریمر، آن‌طور که برخی کنایه‌آمیز اشاره می‌کردند، یک نقص تکنیکی بود؟

ایده نقص فنی با مقاله‌ای از یک دانشجوی جوان به‌ نام «سارا برک-اسپولائر» (Sarah Burke-Spolaor) طرفدار پیدا کرد. او به توصیه استاد راهنمایش، وظیفه داشت برای تز خود انفجارهای رادیویی سریع بیشتری پیدا کند. سارا با استفاده از رصدهای تلسکوپ رادیویی رصدخانه پارکس (Parkes) در استرالیا، همان تلسکوپی که لوریمر برای شناسایی FRB خود از آن استفاده کرده بود، انفجارهای بیشتری را مشابه FRBها یافت.

اما از روی ظاهر آن‌ها در داده‌های تلسکوپ، او تقریباً مطمئن بود که شاهد چیزی شبیه به نوعی تداخلات رادیویی زمینی است. البته چیزهایی که باعث این وقایع می‌شدند، در آن زمان یک راز بودند و او به آن‌ها یک اسم داد: پریتون. (در پیوست این مقاله داستان جالب پریتون را بخوانید.)

با گذشت چند سال و کشف هیچ FRB جدیدی، برخی اخترشناسان به این نتیجه رسیدند که لوریمر چیزی بیش از یکی از موارد غیرمعمولی پریتون پیدا نکرده است؛ هرچند علائم نویدبخشی وجود داشت.

در سال ۲۰۱۱، گزارشی از مورد دوم منتشر شد، اما شکاک‌ها به‌سرعت اشاره کردند که این FRB از همان تلسکوپ رادیویی پارکس می‌آمد که منشأ انفجار لوریمر و پریتون‌ها بود. در سال ۲۰۱۳ موارد بیشتری با پارکس کشف شدند.

بالاخره در ۲۰۱۴، گزارشی از یک انفجار رادیویی سریع از یک تلسکوپ دیگر، رصدخانه آرسیبو (Arecibo) در پورتوریکو، منتشر شد. کشف‌های بیشتری به‌طور تقریباً منظم از دیگر تلسکوپ‌ها آغاز گردید.

سرانجام صحبت‌ها درباره FRBها تغییر کرده بود؛ اینکه «آن‌ها واقعی هستند؟» یا «آن‌ها از کجا می‌آیند؟»

«شامی چاترجی» (Shami Chatterjee)، اخترشناس دانشگاه کورنل می‌گوید: «از همان اول، مگنتار مظنون شماره یک بود. مگنتار یک ستاره نوترونی با میدان‌های مغناطیسی بی‌اندازه شدید است.»

اخترشناسان فکر می‌کنند که آن‌ها بقایای ابرنواختر یک ستاره بسیار سنگین هستند. آن‌ها به‌اندازه‌ای بزرگ هستند که انرژی‌های دیده‌شده در FRBها را تولید کنند و می‌دانیم که یک مگنتار از خود پالس‌های اشعه ایکس و گاما منتشر می‌کند.

زمانی که اخترشناسان یک انفجار رادیویی سریع در کهکشان خودمان، راه شیری، کشف کردند، مورد مگنتار به‌عنوان سازنده FRBها در سال ۲۰۲۰ تقویت شد. چون این مورد در مقیاس کیهانی به ما نزدیک بود، اخترشناسان توانستند منشأ دقیق آن را تعیین کنند. منبع درواقع یک مگنتار از پیش کشف‌شده بود.

اما این مگنتار بحث درباره FRBها را تمام نکرد. مورد کشف‌شده در کهکشان راه شیری به‌اندازه کافی قدرتمند نبود که اگر در یک کهکشان دور رخ می‌داد بتوانیم آن را کشف کنیم. پس یا این یک FRB کوچک بود، یا یک شیء کیهانی دیگر نیز می‌تواند آن‌ها را تولید کند.

چاترجی می‌گوید: «ما لزوماً به آن خوبی که می‌خواهیم، مکانیسم تولید این انفجار رادیویی در مگنتار کهکشان خودمان را نمی‌فهمیم. اما قطعاً می‌دانیم که این یکی از کلاس‌های انفجار رادیویی سریع است.»

یک پرسش درباره FRBها این است که اخترشناسان چگونه می‌توانند مطمئن باشند که یک انفجار رادیویی سریع از کهکشانی دور می‌آید؟ پاسخ در چیزی به نام «معیار پراکنش» نهفته است. وقتی یک انفجار رادیویی قدرتمند از منبعی در نزدیکی بیاید، تمام فرکانس‌های رادیویی که انفجار را تشکیل می‌دهند، اساساً هم‌زمان به ما می‌رسند.

وقتی انفجارهای رادیویی با پرواز در فضا به الکترون جهش می‌کنند، اندکی کُندتر از قبل می‌شوند. اما در نرخ‌های متفاوتی کند می‌شوند؛ جزء فرکانس‌بالای انفجار کمتر کند می‌شود، پس قبل از جزء فرکانس‌پایین به زمین می‌رسد. به بیان دیگر، انفجار در زمان پراکنده می‌شود.

با اینکه الکترون‌های زیادی در فضای بین‌کهکشانی، در میلیاردها سال نوری میان زمین و منبع انفجارهای نوری سریع، نیستند، الکترون‌ها و ذرات کافی برای پراکنش در سیگنال‌ها وجود دارد. به‌این‌ترتیب می‌توان از FRBها به‌عنوان عمق‌سنج‌های کیهان استفاده کرد. مقدار پراکنش به ما می‌گوید که امواج رادیویی از چه مقدار «چیز» گذشته‌اند.

برای داشتن تخمینی دقیق از چیزهای بین‌کهکشانی، باید فاصله میان کهکشانی را که انفجار رادیویی سریع از آن می‌آید، بدانیم. برای این کار، اخترشناسان تلسکوپ‌های دیگر را در جهت یک انفجار نشانه می‌روند تا ببینند چه چیزی آنجاست.

کهکشان خانه دو یا سه دوجین از FRBها تا الان شناسایی شده‌اند. این عدد می‌تواند با برخط‌شدن مجموعه‌ای از تلسکوپ‌های رادیویی در سال ۲۰۲۴ افزایش قابل‌توجهی پیدا کند. این تلسکوپ‌ها یک تلسکوپ رادیویی بزرگ‌تر به نام CHIME (که از ۲۰۱۷ فعال است) را تکمیل خواهند کرد. CHIME توانایی بسیار خوبی در کشف FRBها دارد؛ زیرا پهنه بزرگی از آسمان را هر شب رصد می‌کند.

«ویکتوریا کسپی» (Victoria Kaspi)، استاد فیزیک دانشگاه مک‌گیل و پژوهشگر ارشد تیم CHIME/FRB می‌گوید: «ما چندین هزار انفجار رادیویی سریع را دیده‌ایم.»

کسپی پیش‌بینی می‌کند که با تلسکوپ‌های تکمیلی، او و همکارانش می‌توانند موقعیت و فاصله بسیاری از FRBهایی را که CHIME کشف می‌کند، به‌طور دقیق مشخص کنند. این تعداد زیاد FRBهای تعیین مکان شده فرصتی را برای اخترشناسان فراهم می‌کنند که بتوانند با استفاده از آن‌ها به مطالعه ساختار مقیاس‌بزرگ کیهان بپردازند.

یک بازگشت در داستان: چند سال قبل، تیمی بین‌المللی از اخترشناسان همان داده‌های تلسکوپ پارکس را که لوریمر برای کشف اولین انفجار رادیویی سریع استفاده کرده بود، تحلیل کردند. لوریمر می‌گوید: «آن‌ها یک انفجار دیگر را که ما از دست داده بودیم، پیدا کردند – تنها با استفاده از تکنیک‌های بهتر.» او می‌گوید از آن زمان تیم‌های دیگری به تحلیل داده‌های حتی قدیمی‌تر پرداخته و FRBهایی را در آن‌ها پیدا کرده‌اند.

لوریمر می‌گوید «آن‌ها همان‌جا نشسته بودند، در انتظار اینکه ما پیدایشان کنیم.»

پیوست: انفجار رادیویی سریع یا پریتون چیست؟

تلسکوپ رادیویی رصدخانه پارکس یک آنتن با ۱۳ عنصر تغذیه جداگانه دارد؛ هرکدام رو به بخشی اندکی متفاوت در آسمان. معمولاً یک سیگنال از یک شیء آسمانی تنها در یکی از آنتن‌های تغذیه، یا دوتا (اگر خیلی قوی باشد) ظاهر می‌شود. اما «ایوان کین» (Evan Keane)، اخترشناس، سیگنالی را که در هر ۱۳ عنصر ظاهر شود، «زباله» می‌نامد. منظور او این است که چنین سیگنالی به‌احتمال‌زیاد تداخلی از یک منبع مانند کابل برق نشتی‌دار، رعدوبرق یا حتی یک گوشی موبایل است.

کین که حالا در کالج ترینیتی دوبلین است، زمانی که سارا برک-اسپولائر سیگنال‌های رادیویی را گزارش کرد، در رصدخانه پارکس پژوهش می‌کرد و کاملاً مطمئن بود که آن سیگنال‌ها زباله هستند.

برک-اسپولائر می‌گفت که چند پدیده مانند انفجار رادیویی سریع لوریمر رصد کرده بود، اما آن‌ها در تلسکوپ همان‌طوری دیده می‌شدند که تداخلات زمینی به‌نظر می‌رسیدند. او تصمیم گرفت این سیگنال‌ها را چیزی بنامد که «هم طبیعی و هم ساخت انسان بود.» او پریتون (Peryton) را انتخاب کرد؛ یک موجود اسطوره‌ای که طبق کتاب موجودات خیالی «خورخه لوئیس بورخس»، مانند گوزنی بالدار است اما سایه‌ای انسانی دارد.

انقلاب در تعیین منبع واقعی پریتون در اوایل سال ۲۰۱۵ حاصل شد. یک ابزار نصب‌شده در تلسکوپ برای نظارت تداخلات زمینی سه انفجار را دقیقاً در زمانی شناسایی کرد که تلسکوپ رادیویی سه پریتون پیدا کرده بود.

کمی جستجو منبع را آشکار کرد. پژوهشگران توانستند یک سیگنال پریتون را بازسازی کنند؛ با بازکردن درِ اجاق مایکروویو آشپزخانه کارکنان قبل از پایان زمان پخت. این توضیح می‌دهد که چرا بیشتر پریتون‌ها بعد از پایان استراحت ناهار دیده می‌شدند. برک-اسپولائر می‌گوید: «این‌ها پدیده‌هایی واقعاً گرسنه بودند؛ بی‌صبر و بی‌میل برای صبر کردن.»