FRB 121102: No supernova-like ejecta or magnetar power, hinting at a binary WD merger

Fast radio bursts behoren tot de meest mysterieuze signalen in het universum. Het zijn korte, intense flitsen van radiogolven die slechts een duizendste van een seconde duren, maar in die instantie evenveel energie vrijgeven als de zon in een hele dag. Jarenlang proberen astronomen te achterhalen wat deze flitsen veroorzaakt en waar ze vandaan komen. Hoewel de meeste van deze bursts slechts één keer voorkomen, herhalen een klein aantal van hen zich, waarbij ze steeds weer flitsen vanaf dezelfde plek aan de hemel. Een van deze herhalende bronnen, bekend als FRB 121102, is nauwer geobserveerd dan enige andere. Het bevindt zich in een kleine, verre sterrenstelsel en wordt omringd door een aanhoudende, gloeiende wolk van radio-emissie. Deze constante gloed, die al decennia aan het uitdijen is, bevat de sleutel tot het begrijpen van de gewelddadige gebeurtenis die de burst creëerde.

Een team onderzoekers heeft nu de geschiedenis van dit signaal gebruikt om het verhaal van de oorsprong ervan te herschrijven. Door te volgen hoe de radiogolven van de bursts veranderden terwijl ze door de omringende wolk reisden, konden de wetenschappers de snelheid en de massa van het materiaal met welk de materie naar buiten werd geduwd, meten. Hun analyse onthult dat de wolk veel te langzaam beweegt om het resultaat te zijn van een typische supernova-explosie, de gewelddadige dood van een massieve ster die gewoonlijk materiaal met duizenden kilometers per seconde naar buiten blaast. In plaats daarvan suggereert de data dat de wolk zachtjes werd uitgestoten, misschien door een samensmelting van twee dichte, dode sterren, lang voordat de motor die de bursts aandrijft aan ging. Deze bevinding sluit de meest populaire theorie voor dit object uit en wijst naar een veel stillere, oudere kosmische gebeurtenis.

Het verhaal begint bij de aard van het signaal zelf. Wanneer een fast radio burst door de ruimte reist, passeert het wolken van geladen deeltjes die plasma worden genoemd. Deze deeltjes vertragen de radiogolven lichtjes, en de mate van vertraging hangt af van hoeveel deeltjes de golf moet oversteken. Astronomen noemen deze meting de dispersiemaat. Door FRB 121102 gedurende meerdere jaren te observeren, merkten onderzoekers op dat deze meting niet constant was. Deze steeg een tijdje gestaag en begon daarna te dalen. Deze stijging en daling is geen willekeurige ruis; het is een direct verslag van de schokgolf die wordt gecreëerd door de centrale motor die door het omringende gas duwt. Terwijl de schokgolf naar buiten beweegt, comprimeert en ioniseert het het koude gas, waardoor het aantal deeltjes toeneemt dat de radiogolven moeten oversteken. Zodra de schokgolf de rand van de gaswolk doorboort, begint de wolk uit te zetten en dunner te worden, waardoor het aantal deeltjes daalt en het signaal opklaart.

De onderzoekers gebruikten deze veranderingen om de fysieke eigenschappen van de wolk te berekenen. Ze ontdekten dat het gas beweegt met een snelheid van slechts enkele honderden kilometers per seconde. Dit is een cruciaal detail. Als de wolk door een standaard supernova was gecreëerd, zou het gas met snelheden van ongeveer vijfduizend kilometer per seconde naar buiten razen. Het feit dat het gas zo langzaam beweegt, betekent dat het niet naar buiten is geknikkerd door een massieve stellaire explosie. Bovendien is de totale energie die in de wolk besloten ligt veel minder dan wat een supernova zou produceren. De wetenschappers stelden ook vast dat de wolk behoorlijk massief is, met een massa tussen een derde en drie keer de massa van onze zon, maar dat deze verspreid is over een enorme afstand, ongeveer drie tot tien keer de afstand van de zon tot de dichtstbijzijnde ster.

Deze fysieke beperkingen dwingen tot een heroverweging van de geschiedenis van het object. De trage snelheid van het gas impliceert dat het lang voor de centrale motor begon te vuren, is uitgestoten. De onderzoekers berekenden dat het gas waarschijnlijk meer dan duizend jaar voordat de radio bursts begonnen, naar buiten werd geworpen. Dit creëert een specifieke tijdlijn: eerst een langzame uitstoot van gas; dan een lange periode van stilte; en tot slot de ontsteking van de motor die de bursts aandrijft. Deze sequentie past niet bij het model van een massieve ster die instort en explodeert, waarbij gas en de motor tegelijkertijd worden gecreëerd. Het sluit ook het idee uit dat het centrale object een sterk gemagnetiseerde neutronenster is, of een magnetar, die wordt aangedreven door zijn intense magnetisch veld. De energie die nodig is om de radio-gloed aan te drijven is te groot voor een magnetisch veld om over zo'n lange periode te leveren zonder te verdwijnen.

In plaats daarvan wijzen de data naar een ander oorsprongverhaal waarbij witte dwergen betrokken zijn. Witte dwergen zijn de dichte, met de aarde vergelijkbare kernen die achterblijven nadat sterren zoals onze zon zijn gestorven. Als twee witte dwergen om elkaar heen draaien en uiteindelijk op elkaar botsen, kunnen ze samensmelten tot één enkel, onstabiel object. In dit scenario zou de samensmelting zachtjes een schil van gas uitstoten bij lage snelheden, wat de wolk creëert die we vandaag de dag zien. Het samengesmolten object zou vervolgens duizend jaar lang rustig blijven liggen, afkoelen en evolueren, voordat het instort tot een snel draaiende neutronenster. Deze nieuwe neutronenster zou snel genoeg draaien om de krachtige energie te genereren die nodig is om de radio bursts en de aanhoudende gloed te creëren. Deze tijdlijn past perfect bij de observaties: het trage gas werd eerst uitgestoten, en de motor startte veel later.

De onderzoekers overwoogen ook andere mogelijkheden, zoals een massieve ster die niet goed explodeerde, of een binair systeem waarbij een begeleidende ster in een reusachtige ster spiraalde. Hoewel deze scenario's theoretisch gezien trage bewegende gas kunnen produceren, hebben ze moeite om de specifieke timing en het gebrek aan waterstof in het gas te verklaren. Het witte dwerg-samensmeltingsmodel produceert echter van nature een gaseschil die rijk is aan zwaardere elementen maar arm aan waterstof, wat overeenkomt met de chemische aanwijzingen gevonden in de data. De studie beweert niet het mysterie van alle fast radio bursts te hebben opgelost, aangezien veel van hen een andere oorsprong kunnen hebben. Echter, voor dit specifieke object suggereert het bewijs sterk dat het het nageslacht is van een trage, oude samensmelting in plaats van een gewelddadige, recente explosie.

Dit werk demonstreert hoe een eenvoudige meting van signaalvertraging de diepe geschiedenis van een kosmisch object kan onthullen. Door de radiogolven als een sonde te behandelen, waren de wetenschappers in staat om de snelheid, massa en leeftijd van het materiaal rond de burst in kaart te brengen. Ze hebben aangetoond dat het universum extreme energiebronnen kan produceren via stille, trage processen die zich over eeuwen ontvouwen, en niet alleen door de spectaculaire geweld van supernovae. De bevindingen suggereren dat de herhalende bursts die we zien waarschijnlijk worden aangedreven door een jonge, snel draaiende neutronenster die werd geboren uit een samensmelting van twee dode sterren, een scenario dat de traditionele visie op hoe deze energetische objecten gevormd worden, uitdaagt. Terwijl astronomen deze bron en anderen zoals deze blijven monitoren, zullen zij in staat zijn deze ideeën verder te testen, waarbij zij zoeken naar de specifieke chemische vingerafdrukken en timingpatronen die alleen dit type kosmische gebeurtenis kan produceren.