Quick Radio Bursts (FRBs) estão entre os fenômenos mais misteriosos e emocionantes do universo. Esses flashes incrivelmente breves de ondas de rádio, com duração de apenas milissegundos – mais curtos que um piscar de olhos – liberam tanta energia quanto o Sol produz em três dias. A imensa energia destes eventos é a razão pela qual as FRBs podem ser observadas a distâncias incríveis, a milhares de milhões de anos-luz de distância! Embora suas origens permaneçam indefinidas, acredita-se que alguns FRBs venham de magnetares – remanescentes altamente magnetizados e explosivos de estrelas massivas. Um avanço notável ocorreu quando CHIME/FRB e STARE2 detectou uma explosão do SGR 1935+2154um magnetar conhecido em nossa galáxia, ligando conclusivamente FRBs a magnetares extragalácticos. No entanto, ainda não compreendemos completamente os processos físicos que criam estes sinais cósmicos.
Ambos somos membros da colaboração Canadian Hydrogen Depth Mapping Experiment FRB (CHIME/FRB), atualmente a máquina de descoberta de FRB líder mundial. O CHIME não é ótimo apenas para pegar um monte de FRBs para estudar o panorama geral – também é incrível para identificar os excêntricos, aqueles que realmente se destacam. E acontece que esses desajustados são tremendous importantes! Eles nos ajudam a descobrir os limites do que os FRBs pode ser, dando aos cientistas muitas pistas para a construção de teorias sobre a origem desses sinais, se eles podem surgir de fontes múltiplas e qual física extrema é responsável. Quando descobrimos o FRB 20221022A, parecia bastante comum, no que diz respeito aos FRBs. Mas uma vez que investigamos suas propriedades de polarização, foi aí que sua singularidade realmente veio à tona.
A maioria dos FRBs que encontramos até agora não mudam muito em seu sinal polarizado, mas o FRB 20221022A period totalmente diferente. Durante a sua breve explosão de 2 milissegundos, a polarização não apenas mudou – ela evoluiu de uma forma realmente estruturada e deliberada. Na verdade, parecia surpreendentemente com a oscilação em forma de S que vemos nos sinais dos pulsares de rádio, aquelas estrelas de nêutrons penduradas na nossa Through Láctea. Tão semelhante, na verdade, que levantou a questão… poderia este FRB ser realmente um pulso de um pulsar próximo disfarçado?
Para confirmar que a fonte period de facto uma FRB, primeiro precisávamos estabelecer que o sinal vinha de fora da nossa galáxia. Uma maneira de fazer isso é localizar a posição do sinal no céu com precisão suficiente para identificar a galáxia hospedeira de onde o sinal se originou. Na maioria das vezes, as localizações CHIME/FRB são grandes demais para definir uma única galáxia hospedeira de uma FRB – geralmente há muitos candidatos. Mas isso está prestes a mudar. A equipe CHIME/FRB está construindo estações Outrigger, que nos permitirão identificar a localização de cada FRB que o CHIME detecta com incrível precisão, até dentro de sua galáxia hospedeira, usando uma técnica chamada interferometria de linha de base muito longa. Portanto, fique atento: haverá algo científico realmente interessante vindo desse projeto em um futuro próximo.
Para este FRB, porém, tivemos sorte. Ele veio de uma galáxia enorme e relativamente próxima, então pudemos combiná-lo com segurança com seu hospedeiro. Isso também nos permite descartar a ideia de que este seja um pulsar galáctico sorrateiro disfarçado.
Então, o que significa o comportamento de polarização? Achamos que o ângulo de polarização oscilante vem de um feixe que atravessa nossa linha de visão, como um farol. No caso dos pulsares, tal comportamento é comum e é entendido como um artefato da mudança de ângulo das linhas do campo magnético que se projetam dos pólos da estrela de nêutrons à medida que ela gira. Embora a fonte do FRB 20221022A não possa ser demonstrada de forma conclusiva como sendo uma estrela de nêutrons, a oscilação da polarização nos diz que a emissão do FRB está ligada à rotação de algum objeto, o que significa que a fonte deve estar incrivelmente próxima desse objeto em rotação.
Tem havido um grande debate no campo sobre se os sinais FRB podem sair dos ambientes intensos de plasma próximos aos magnetares. Isto dividiu os modelos de emissão em dois campos: os “próximos”, onde o sinal se forma dentro do ambiente magnético da estrela, e os “distantes”, onde acontece muito mais longe, impulsionado por um choque lançado pela estrela. O comportamento de polarização deste FRB é uma vitória para os modelos próximos – é uma forte evidência de que o sinal se originou perto da estrela central.
Enquanto trabalhávamos neste resultado de polarização, nosso colaborador Pawan Kumar entrou em contato com um ideia teórica emocionante ele estava desenvolvendo: como a cintilação poderia ajudar a distinguir entre modelos concorrentes de emissão de FRB. O conceito é surpreendentemente intuitivo. Think about o céu noturno – você vê estrelas “brilhando”, graças à cintilação causada pela atmosfera da Terra. Mas os planetas, aqueles pontos brilhantes que não brilhar, se destacar. A razão para esta diferença é que as estrelas estão muito mais distantes, por isso aparecem como fontes pontuais em comparação com a escala difrativa da atmosfera, enquanto os planetas são fontes extensas. Esta simples observação liga a cintilação ao tamanho aparente dos objetos astronômicos.
Pawan percebeu que poderíamos usar o mesmo princípio para testar modelos de emissões FRB. Diferentes modelos prevêem diferentes tamanhos para a região de emissão, e a cintilação – desta vez causada pelo plasma na galáxia hospedeira do FRB – poderia atuar como uma lente astrofísica pure. No entanto, até agora, toda a cintilação observada nas FRBs vem do meio interestelar da nossa Through Láctea. Isso nos enviou numa missão: poderíamos encontrar evidências de cintilação extragaláctica nos dados do CHIME/FRB?
Essa ideia alinhava-se perfeitamente com as discussões que estávamos tendo para o nosso documento sobre polarização. O FRB 20221022A tinha um perfil limpo e não espalhado – o alargamento da dispersão period insignificante, o que teoricamente deveria tornar a cintilação mais pronunciada. Ele se destacou como o principal candidato para caçar esse indescritível efeito extragaláctico.
E que candidato period. Não só descobrimos pela primeira vez a cintilação extragaláctica num FRB, como também a utilizámos para medir o tamanho da região de emissão, que apresentámos num artigo complementar no mesmo quantity da Nature. O resultado? A região de emissão deve ser inferior a 30.000 km – demasiado compacta para modelos de choque, confirmando que o FRB 20221022A tem origem no inside da magnetosfera do seu objeto compacto.
Durante anos, houve um debate acalorado no campo FRB: as explosões incrivelmente luminosas que detectamos podem realmente escapar do plasma extremo dentro do ambiente magnético de um objeto compacto? Com o FRB 20221020A, abordamos isso de frente. Ao combinar análises de polarização e cintilação, mostramos que este FRB realmente se origina de um ambiente de plasma extremo – mas ainda é detectável pelo CHIME na Terra. Isto aponta para uma lacuna na nossa compreensão de como estes plasmas extremos se comportam. Estamos falando dos campos magnéticos mais intensos do Universo, um reino tão extremo que é difícil entender.
O que é fascinante sobre o FRB 20221020A é que ele é um FRB único e não repetitivo com uma assinatura de polarização que se destaca do população FRB mais ampla. Isto levanta a possibilidade tentadora de que diferentes mecanismos de emissão possam estar em jogo na diversificada população de FRBs para explicar a vasta diversidade que vemos nas suas propriedades..
Olhando para o futuro, estamos entusiasmados por expandir esta abordagem – utilizando a polarização e a cintilação como ferramentas poderosas para investigar as origens das FRBs – numa amostra muito maior. Quem sabe que surpresas nos aguardam neste campo extremamente diversificado e ainda misterioso?
