Dal 2007, gli astronomi hanno registrato circa 20 misteriosi impulsi radio da molto oltre la nostra Galassia. L'editorialista della BBC Earth ha deciso di saperne di più su questo fenomeno.
Non mancano fenomeni strani e non del tutto compresi nell'Universo, dai buchi neri ai pianeti stravaganti. Gli scienziati hanno qualcosa su cui riflettere.
Ma un mistero negli ultimi tempi è stato di particolare preoccupazione per gli astronomi: misteriose esplosioni di emissioni radio nello spazio, note come impulsi radio veloci.
Durano solo pochi millisecondi, ma rilasciano circa un milione di volte più energia di quella prodotta dal Sole nello stesso periodo di tempo.
Dalla scoperta del primo impulso di questo tipo nel 2007, gli astronomi sono riusciti a registrare meno di 20 di questi casi: tutte le loro sorgenti si trovavano al di fuori della nostra galassia ed erano distribuite uniformemente nel cielo.
Tuttavia, i telescopi tendono ad osservare piccole porzioni di cielo in un dato momento.
Se estrapoliamo i dati ottenuti all'intero cielo, allora, come ipotizzano gli astronomi, il numero di tali impulsi radio può raggiungere i 10 mila al giorno.
E nessuno conosce il motivo di questo fenomeno.
Video promozionale:
Gli astronomi, ovviamente, hanno molte possibili spiegazioni, alcune delle quali suonano molto esotiche: collisioni di stelle di neutroni, esplosioni di buchi neri, rotture di stringhe cosmiche e persino i risultati dell'attività dell'intelligenza extraterrestre.
"Ora ci sono più teorie che cercano di spiegare la natura degli impulsi radio veloci di quanti siano in realtà gli impulsi", afferma Duncan Lorimer, ricercatore presso l'Università americana del West Virginia e leader del team di ricerca che ha scoperto il primo impulso radio veloce (chiamato anche impulso di Lorimer). "Questo è un terreno fertile per i teorici".
Ma anche se la spiegazione della natura degli impulsi radio veloci si rivela molto più comune, possono comunque essere di grande beneficio per la scienza.
Indubbiamente rivoluzioneranno la nostra comprensione dell'universo.
Questi segnali radio sono come raggi laser che perforano l'Universo e incontrano campi magnetici, plasma e altri fenomeni cosmici sul loro cammino.
In altre parole, acquisiscono informazioni sullo spazio intergalattico lungo il percorso e possono rappresentare uno strumento unico per esplorare l'Universo.
"Indubbiamente rivoluzioneranno la nostra comprensione dell'universo perché possono essere utilizzati per effettuare misurazioni molto accurate", afferma Peng Wee-Li, astrofisico presso l'Università di Toronto.
Ma prima che ciò accada, gli scienziati devono comprendere meglio la natura degli impulsi radio veloci.
Gli astronomi hanno compiuto progressi promettenti in quest'area negli ultimi mesi.
La prima cosa che colpì Lorimer del polso che scoprì fu la sua intensità.
Lorimer ei suoi colleghi hanno esaminato i set di dati d'archivio raccolti con il Parks Radio Telescope in Australia. Hanno cercato gli impulsi radio, ad esempio quelli emessi da stelle di neutroni in rapida rotazione, le cosiddette pulsar.
Quella notte ero così eccitato che non riuscivo a dormire
Matthew Bales, astronomo
Queste stelle, ciascuna con un diametro di una grande città, hanno la densità di un nucleo atomico e possono ruotare a velocità superiori a 1000 giri al secondo.
Allo stesso tempo, emettono flussi di emissione radio strettamente diretti, in relazione ai quali sono anche chiamati fari spaziali.
I segnali radio emessi dalle pulsar sembrano pulsazioni a un osservatore dalla Terra.
Ma il segnale rilevato dalla squadra di Lorimer era molto strano.
"Era così intenso che ha travolto i componenti elettronici del telescopio", ricorda Lorimer. "Questo è estremamente insolito per una sorgente radio."
L'impulso è durato circa 5 millisecondi, dopodiché la sua intensità è diminuita.
"Ricordo la prima volta che ho visto un diagramma della quantità di moto", ha detto Matthew Bales, membro del team di Lorimer, astronomo della Swinburne University of Technology, Australia. "Ero così eccitato quella notte che non riuscivo a dormire."
Per circa cinque anni dopo la scoperta dell'impulso di Lorimer, rimase un'anomalia inspiegabile.
Alcuni studiosi credevano che fosse solo un'interferenza strumentale. E in uno studio pubblicato nel 2015 si dice che durante il funzionamento delle microonde installate nella parte economica dell'Osservatorio dei Parchi si registrano impulsi con parametri simili.
Le loro sorgenti sono al di fuori della nostra galassia, forse miliardi di anni luce dalla Terra.
Tuttavia, dal 2012, gli astronomi che lavorano su altri telescopi hanno rilevato molti impulsi radio più simili, confermando così che i segnali provengono effettivamente dallo spazio.
E non solo dallo spazio: le loro sorgenti sono al di fuori della nostra Galassia, forse miliardi di anni luce dalla Terra. Questa ipotesi è stata fatta sulla base delle misurazioni di un fenomeno noto come effetto di dispersione.
Durante il loro viaggio attraverso l'Universo, le onde radio interagiscono con gli elettroni del plasma che incontrano lungo il loro cammino. Questa interazione provoca un rallentamento della propagazione delle onde, a seconda della frequenza del segnale radio.
Le onde radio a frequenza più alta arrivano all'osservatore leggermente più velocemente delle onde radio a frequenza più bassa.
Misurando la differenza di questi valori, gli astronomi possono calcolare la quantità di plasma che il segnale ha dovuto passare per arrivare all'osservatore, il che dà loro un'idea approssimativa della distanza della sorgente di impulsi radio.
Le onde radio che ci arrivano da altre galassie non sono una novità. È solo che prima della scoperta degli impulsi radio veloci, gli scienziati non osservavano segnali di così alta intensità.
L'esistenza di un segnale, la cui intensità è un milione di volte maggiore di qualsiasi cosa rilevata in precedenza, eccita l'immaginazione
Pertanto, i quasar - nuclei galattici attivi, all'interno dei quali, come credono gli scienziati, ci sono enormi stelle nere - irradiano un'enorme quantità di energia, anche nella gamma radio.
Ma i quasar situati in altre galassie sono così lontani da noi che i segnali radio ricevuti da loro sono estremamente deboli.
Potrebbero essere facilmente soffocati anche da un segnale radio di un telefono cellulare posizionato sulla superficie della luna, osserva Bailes.
Gli impulsi radio veloci sono un'altra questione. "L'esistenza di un segnale che è un milione di volte più forte di qualsiasi cosa rilevata in precedenza è eccitante", afferma Bailes.
Soprattutto considerando il fatto che gli impulsi radio veloci possono indicare fenomeni fisici nuovi e inesplorati.
Una delle spiegazioni più ambigue per la loro origine ha a che fare con le cosiddette stringhe cosmiche - ipotetiche pieghe unidimensionali dello spazio-tempo che possono allungarsi per almeno decine di parsec.
Alcune di queste stringhe possono essere superconduttive e una corrente elettrica può fluire attraverso di esse.
Secondo un'ipotesi proposta nel 2014, le stringhe cosmiche a volte si rompono, provocando un'esplosione di radiazioni elettromagnetiche.
Oppure, dice Penh, la spiegazione di questi scoppi potrebbero essere esplosioni di buchi neri.
Il campo gravitazionale di un buco nero è così massiccio che anche la luce che lo colpisce non è in grado di tornare indietro.
Se assumiamo che nella fase iniziale dello sviluppo dell'Universo si siano formati piccoli buchi neri, allora ora potrebbero semplicemente evaporare
Tuttavia, negli anni '70. il famoso fisico teorico britannico Stephen Hawking ha suggerito che l'energia può evaporare dalla superficie dei buchi neri che invecchiano.
Se assumiamo che in una fase iniziale dello sviluppo dell'Universo si siano formati piccoli buchi neri, ora potrebbero semplicemente evaporare e alla fine esplodere, il che porta a un'emissione istantanea di emissione radio.
Nel febbraio 2016, gli astronomi hanno annunciato di aver fatto un importante passo avanti nella ricerca.
Un team di scienziati guidato da Evan Keehan che lavora presso la sede del radiointerferometro Square Kilometer Array presso il British Jodrell Bank Astrophysical Center, ha analizzato i parametri di un impulso radio veloce registrato nell'aprile 2015.
Secondo le conclusioni degli astronomi, la fonte dell'impulso radio era in una galassia situata a 6 miliardi di anni luce da noi e composta da vecchie stelle.
In questo caso, i parametri dell'impulso radio osservato indicavano la probabilità di almeno uno scenario: collisioni di stelle di neutroni accoppiate
Per la prima volta, i ricercatori sono stati in grado di determinare la posizione di una sorgente di emissione radio con una precisione della galassia, che è stata percepita dalla comunità scientifica come una scoperta estremamente importante.
"Identificare la galassia che contiene la fonte dell'impulso radio veloce è un pezzo del puzzle", dice Bales, che ha anche lavorato nel team di Keehan. "Se riusciamo a determinare la galassia, possiamo scoprire quanto è lontana da noi la sorgente."
Dopodiché, puoi misurare con precisione la quantità di energia del polso e iniziare a scartare le teorie più inverosimili sulla sua origine.
In questo caso, i parametri dell'impulso radio osservato hanno indicato la probabilità di almeno uno scenario: collisioni di stelle di neutroni accoppiate che ruotano l'una attorno all'altra.
Sembrava che il mistero della natura degli impulsi radio veloci fosse quasi risolto. "Ero molto entusiasta dei risultati di questo studio", afferma Lorimer.
Ma solo poche settimane dopo, gli scienziati Edo Berger e Peter Williams dell'Università di Harvard hanno messo in dubbio la teoria.
Le conclusioni del team di Keehan si basavano sull'osservazione del fenomeno, che gli scienziati hanno interpretato come l'attenuazione del segnale radio dopo la fine dell'impulso radio veloce.
La fonte del segnale in dissolvenza era localizzata in modo affidabile in una galassia situata a 6 miliardi di anni luce dalla Terra, ei ricercatori credevano che l'impulso radio veloce provenisse da lì.
Tuttavia, secondo Berger e Williams, ciò che Kian ha preso per un segnale radio residuo - in dissolvenza - non aveva nulla a che fare con un impulso radio veloce.
Hanno analizzato attentamente le caratteristiche del segnale residuo puntando il radiotelescopio americano Very Large Array verso una galassia lontana.
Le collisioni di stelle di neutroni si verificano di diversi ordini di grandezza meno spesso della frequenza probabile degli impulsi radio veloci, così che tutti i casi registrati non possono essere spiegati da questo fenomeno da solo.
Si è scoperto che stiamo parlando di un fenomeno separato causato dalle fluttuazioni della luminosità della galassia stessa a causa del fatto che al suo centro si trova un buco nero supermassiccio, che assorbe gas cosmici e polvere.
In altre parole, la galassia scintillante non era il luogo da cui veniva emesso l'impulso radio veloce. È solo che si trovava nel campo visivo del telescopio, dietro la vera sorgente o di fronte ad essa.
E se l'impulso radio non è stato inviato da questa galassia, forse non è stato causato dalla collisione di due stelle di neutroni.
Lo scenario dei neutroni ha un altro punto debole. "La frequenza di emissione di impulsi radio veloci è molto più alta della frequenza di radiazione prevista dalle collisioni di stelle di neutroni", afferma Maxim Lyutikov dell'Università americana di Purdue.
Inoltre, le collisioni di stelle di neutroni si verificano di diversi ordini di grandezza meno spesso della frequenza probabile degli impulsi radio veloci, quindi tutti i casi registrati non possono essere spiegati da questo fenomeno da solo.
E presto, nuove prove scientifiche ridussero ancora di più la probabilità di una tale spiegazione.
Nel marzo 2016, un gruppo di astronomi ha segnalato una straordinaria scoperta. Hanno studiato un impulso radio registrato nel 2014 dall'Osservatorio di Arecibo a Porto Rico. Si è scoperto che questo non era un singolo evento: l'impulso è stato ripetuto 11 volte in 16 giorni.
"Questa è stata la più grande scoperta dal primo lampo radio veloce", dice Penh. "Si pone fine all'enorme numero di ipotesi proposte finora".
Tutti gli impulsi radio veloci registrati in precedenza erano singoli: le ripetizioni di segnali dallo stesso settore del cielo non erano state registrate.
Pertanto, gli scienziati presumevano che potessero essere il risultato di cataclismi cosmici, in ogni caso che si verificano solo una volta, ad esempio esplosioni di buchi neri o collisioni di stelle di neutroni.
Ma una tale teoria non spiega la possibilità (in alcuni casi) di ripetere impulsi radio in rapida successione. Qualunque sia la causa di una tale serie di impulsi, le condizioni per il loro verificarsi devono essere mantenute per un certo tempo.
Questa circostanza restringe notevolmente l'elenco delle ipotesi possibili.
Uno di questi, su cui Buttercup sta ricercando, afferma che le sorgenti di impulsi radio veloci possono essere giovani pulsar: stelle di neutroni che ruotano a velocità fino a un giro per millisecondo.
Buttercup chiama tali oggetti pulsar con steroidi.
Nel tempo, la rotazione delle pulsar rallenta e parte dell'energia rotazionale può essere espulsa nello spazio sotto forma di emissione radio.
Non è del tutto chiaro come esattamente le pulsar possano emettere impulsi radio veloci, ma è noto che sono in grado di emettere brevi impulsi di onde radio.
Quindi, la pulsar situata nella Nebulosa del Granchio ha presumibilmente circa 1000 anni. È relativamente giovane ed è una delle pulsar più potenti a noi note.
Più giovane è la pulsar, più velocemente ruota e più energia ha. Buttercup chiama tali oggetti "pulsar con steroidi".
E sebbene la pulsar nella Nebulosa del Granchio ora non abbia abbastanza energia per emettere impulsi radio veloci, è possibile che possa farlo immediatamente dopo la sua comparsa.
Un'altra ipotesi afferma che la fonte di energia per impulsi radio veloci non è la rotazione di una stella di neutroni, ma il suo campo magnetico, che può essere mille trilioni di volte più forte di quello della Terra.
Le stelle di neutroni con campi magnetici estremamente forti, le cosiddette magnetar, possono emettere impulsi radio veloci attraverso un processo simile a quello che si traduce in brillamenti solari.
Ci sono molte magnetar nell'Universo
Quando la magnetar ruota, i campi magnetici nella sua corona - il sottile strato esterno dell'atmosfera - cambiano configurazione e diventano instabili.
Ad un certo punto, le linee di questi campi si comportano come se si facesse clic su una frusta. Viene rilasciato un flusso di energia, che accelera le particelle cariche, che emettono impulsi radio.
"Ci sono molte magnetar nell'universo", dice Bailes. "Sono notevoli per la loro instabilità, che, forse, spiega il verificarsi di impulsi radio veloci".
Le ipotesi relative alle stelle di neutroni sono più conservative e basate su fenomeni relativamente ben studiati, quindi, sembrano più probabili.
"Tutte le ipotesi sul verificarsi di impulsi radio veloci, che considero gravi e di cui sto seriamente discutendo con i miei colleghi, hanno a che fare con le stelle di neutroni", afferma Bales.
Tuttavia, ammette che questo approccio può essere un po 'unilaterale. Molti astronomi che studiano gli impulsi radio veloci studiano anche le stelle di neutroni, quindi la loro tendenza a vedere le prime attraverso il prisma delle seconde è comprensibile.
Può darsi che abbiamo a che fare con aspetti inesplorati della fisica
Ci sono anche spiegazioni più non convenzionali. Ad esempio, un certo numero di ricercatori ha suggerito che gli impulsi radio veloci si verificano a seguito di collisioni di pulsar con asteroidi.
È possibile che diverse ipotesi siano vere contemporaneamente e ciascuna di esse spiega un certo caso del verificarsi di impulsi radio veloci.
È possibile che alcuni impulsi si ripetano, mentre altri no, il che non esclude completamente l'ipotesi di collisioni di stelle di neutroni e altri cataclismi di scala cosmica.
"Può capitare che la risposta sia molto semplice", dice Lyutikov. "Ma può anche accadere di avere a che fare con aspetti inesplorati della fisica, con nuovi fenomeni astrofisici".
Indipendentemente da ciò che gli impulsi radio veloci si rivelano effettivamente, possono essere di grande beneficio per la scienza spaziale.
Ad esempio, potrebbero essere utilizzati per misurare il volume di materia nell'universo.
Come già accennato, le onde radio incontrano il plasma intergalattico sulla loro strada, che rallenta la loro velocità a seconda della frequenza dell'onda.
Oltre a poter misurare la distanza dalla sorgente del segnale, la differenza di velocità delle onde dà anche un'idea di quanti elettroni ci sono tra la nostra galassia e la sorgente di radiazione.
"Le onde radio sono codificate con informazioni sugli elettroni che compongono l'universo", afferma Bailes.
In precedenza, gli scienziati erano principalmente impegnati in questo argomento nel loro tempo libero dalla ricerca di base.
Ciò offre agli scienziati l'opportunità di stimare approssimativamente la quantità di materia ordinaria nello spazio, che li aiuterà in futuro nel calcolare i modelli per l'emergere dell'Universo.
L'unicità degli impulsi radio veloci è che sono una sorta di raggi laser cosmici, afferma Penh.
Penetrano lo spazio in una direzione specifica e sono abbastanza intensi da fornire una precisione di misurazione superiore.
"Questo è lo strumento di misurazione più accurato a nostra disposizione per studiare oggetti distanti entro la linea di vista", spiega.
Quindi, secondo lui, gli impulsi radio veloci possono raccontare la struttura del plasma e dei campi magnetici vicino alla sorgente di radiazioni.
Quando passano attraverso un plasma, gli impulsi radio possono tremolare, proprio come le stelle brillano quando vengono osservate attraverso l'atmosfera terrestre.
Misurare le caratteristiche di questa scintillazione consentirà agli astronomi di misurare le dimensioni delle regioni del plasma con una precisione di diverse centinaia di chilometri. A causa dell'elevato potenziale scientifico, e non da ultimo a causa dell'inesplicabilità del fenomeno, negli ultimi anni l'interesse degli scienziati per gli impulsi radio veloci è cresciuto notevolmente.
"In precedenza, gli scienziati erano principalmente impegnati in questo argomento nel loro tempo libero dalla ricerca tradizionale", afferma Lorimer.
Ora gli astronomi stanno intensamente cercando impulsi radio veloci nelle regioni del cielo ancora inesplorate e continuano ad osservare i settori del cielo in cui questi fenomeni sono già stati registrati - nella speranza di registrarli.
Allo stesso tempo, vengono utilizzate le potenze dei telescopi di tutto il mondo, poiché quando si osserva un impulso da diversi osservatori, la probabilità di un calcolo più accurato delle coordinate della sorgente aumenta in modo significativo.
Quindi, nei prossimi anni, radiotelescopi come il Canadian CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment) potranno osservare vaste aree del cielo e registrare centinaia di impulsi radio veloci.
Più dati raccolti, più comprensibile diventerà il fenomeno degli impulsi radio veloci. Forse un giorno il loro segreto verrà rivelato.
