Sinds 2007 hebben astronomen ongeveer 20 mysterieuze radiopulsen geregistreerd, waarvan de bronnen ver buiten onze Melkweg lagen. De columnist van BBC Earth besloot meer over dit fenomeen te weten te komen.
Er is geen tekort aan vreemde en niet volledig begrepen verschijnselen in het heelal - van zwarte gaten tot bizarre planeten. Wetenschappers hebben iets te puzzelen.
Maar een mysterie is de laatste tijd vooral interessant voor astronomen: mysterieuze uitbarstingen van radiostraling in de ruimte, bekend als snelle radiopulsen.
Ze duren maar een paar milliseconden, maar ze geven ongeveer een miljoen keer meer energie af dan de zon in dezelfde periode produceert.
Sinds de ontdekking van de eerste dergelijke impuls in 2007, zijn astronomen erin geslaagd om minder dan 20 van dergelijke gevallen te registreren - al hun bronnen bevonden zich buiten onze Melkweg en waren gelijkmatig over de hemel verdeeld.
Telescopen hebben echter de neiging om op elk moment kleine delen van de lucht te observeren.
Als we de verkregen gegevens extrapoleren naar de hele hemel, dan kan, zoals astronomen aannemen, het aantal van dergelijke radiopulsen oplopen tot 10 duizend per dag.
En niemand kent de reden voor dit fenomeen.
Promotie video:
Astronomen hebben natuurlijk veel mogelijke verklaringen, waarvan sommige heel exotisch klinken: botsingen van neutronensterren, explosies van zwarte gaten, breuken van kosmische snaren en zelfs de resultaten van de activiteit van buitenaardse intelligentie.
"Er zijn nu meer theorieën die de aard van snelle radiopulsen proberen te verklaren dan dat er in feite pulsen zijn", zegt Duncan Lorimer, een onderzoeker aan de American University of West Virginia en leider van het onderzoeksteam dat de allereerste snelle radiopuls ontdekte (ook wel de Lorimer-puls genoemd). "Dit is een vruchtbare voedingsbodem voor theoretici."
Maar zelfs als de verklaring van de aard van snelle radiopulsen veel gebruikelijker blijkt te zijn, kunnen ze nog steeds van groot nut zijn voor de wetenschap.
Ze zullen ongetwijfeld een revolutie teweegbrengen in ons begrip van het universum.
Deze radiosignalen zijn als laserstralen die het heelal doorboren en op hun pad magnetische velden, plasma en andere kosmische verschijnselen tegenkomen.
Met andere woorden, ze leggen onderweg informatie vast over de intergalactische ruimte en kunnen een uniek hulpmiddel zijn om het universum te verkennen.
"Ze zullen ongetwijfeld een revolutie teweegbrengen in ons begrip van het universum, omdat ze kunnen worden gebruikt om zeer nauwkeurige metingen te doen", zegt Peng Wee-Li, een astrofysicus aan de Universiteit van Toronto.
Maar voordat dat gebeurt, moeten wetenschappers de aard van snelle radiopulsen beter begrijpen.
Astronomen hebben de afgelopen maanden veelbelovende vooruitgang geboekt op dit gebied.
Het eerste dat Lorimer opviel aan de pols die hij ontdekte, was de intensiteit ervan.
Lorimer en zijn collega's beoordeelden archiefdatasets die waren verzameld met de Parks Radio Telescope in Australië. Ze zochten naar radiopulsen, zoals die uitgezonden worden door snel roterende neutronensterren, zogenaamde pulsars.
Ik was die nacht zo opgewonden dat ik niet kon slapen
Matthew Bales, astronoom
Deze sterren, elk met een diameter van een grote stad, hebben de dichtheid van een atoomkern en kunnen roteren met snelheden van meer dan 1000 omwentelingen per seconde.
Tegelijkertijd zenden ze eng gerichte radiostromen uit, in verband waarmee ze ook wel ruimtebakens worden genoemd.
De radiosignalen die door pulsars worden uitgezonden, zien eruit als pulsaties voor een waarnemer vanaf de aarde.
Maar het signaal dat door Lorimers team werd gedetecteerd, was heel vreemd.
"Het was zo intens dat het de elektronische componenten van de telescoop overweldigde", herinnert Lorimer zich. "Dit is buitengewoon ongebruikelijk voor een radiobron."
De puls duurde ongeveer 5 milliseconden, waarna de intensiteit afnam.
"Ik herinner me de eerste keer dat ik een momentumdiagram zag", zei Lorimer's teamlid Matthew Bales, een astronoom aan de Swinburne University of Technology, Australië. "Ik was die nacht zo opgewonden dat ik niet kon slapen."
Ongeveer vijf jaar na de ontdekking van Lorimers impuls bleef het een onverklaarde anomalie.
Sommige geleerden geloofden dat het slechts een instrumentele inmenging was. En in een in 2015 gepubliceerde studie wordt gezegd dat pulsen met vergelijkbare parameters worden geregistreerd tijdens de werking van microgolven die zijn geïnstalleerd in het economische deel van het Parks Observatory.
Hun bronnen bevinden zich buiten onze Melkweg, mogelijk miljarden lichtjaren van de aarde.
Sinds 2012 hebben astronomen die aan andere telescopen werken echter nog meer vergelijkbare radiopulsen gedetecteerd, waarmee wordt bevestigd dat de signalen daadwerkelijk uit de ruimte komen.
En niet alleen vanuit de ruimte - hun bronnen bevinden zich buiten onze Melkweg, mogelijk miljarden lichtjaren van de aarde. Deze aanname is gemaakt op basis van metingen van een fenomeen dat bekend staat als het dispersie-effect.
Tijdens hun reis door het heelal interageren radiogolven met de elektronen van het plasma die ze onderweg tegenkomen. Deze interactie veroorzaakt een vertraging van de golfvoortplanting, afhankelijk van de frequentie van het radiosignaal.
Radiogolven met een hogere frequentie komen iets sneller bij de waarnemer aan dan radiogolven met een lagere frequentie.
Door het verschil in deze waarden te meten, kunnen astronomen berekenen hoeveel plasma het signaal moest passeren op weg naar de waarnemer, waardoor ze bij benadering een idee krijgen van de afstand van de radiopulsbron.
Radiogolven die vanuit andere sterrenstelsels naar ons toekomen, zijn niets nieuws. Het is alleen dat wetenschappers vóór de ontdekking van snelle radiopulsen geen signalen van zo'n hoge intensiteit hebben waargenomen.
Het bestaan van een signaal waarvan de intensiteit een miljoen keer groter is dan alles wat eerder werd gedetecteerd, prikkelt de verbeelding
Zo stralen quasars - actieve galactische kernen, waarin, zoals wetenschappers geloven, enorme zwarte sterren zijn - een enorme hoeveelheid energie uit, ook in het radiobereik.
Maar quasars in andere sterrenstelsels zijn zo ver van ons verwijderd dat de radiosignalen die ze ontvangen extreem zwak zijn.
Ze kunnen gemakkelijk worden overstemd, zelfs door een radiosignaal van een mobiele telefoon die op het oppervlak van de maan is geplaatst, merkt Bailes op.
Snelle radiopulsen zijn een andere zaak. "Het bestaan van een signaal dat een miljoen keer sterker is dan alles wat eerder werd gedetecteerd, is opwindend", zegt Bailes.
Vooral gezien het feit dat snelle radiopulsen kunnen wijzen op nieuwe, onontgonnen fysische verschijnselen.
Een van de meest dubbelzinnige verklaringen voor hun oorsprong heeft te maken met de zogenaamde kosmische strings - hypothetische eendimensionale plooien van ruimte-tijd die zich kunnen uitstrekken over minstens tientallen parsec.
Sommige van deze snaren kunnen supergeleidende eigenschappen hebben en er kan een elektrische stroom doorheen stromen.
Volgens een hypothese die in 2014 werd voorgesteld, breken kosmische snaren soms, wat resulteert in een uitbarsting van elektromagnetische straling.
Of, zegt Penh, de verklaring voor deze uitbarstingen zou kunnen zijn explosies van zwarte gaten.
Het zwaartekrachtveld van een zwart gat is zo enorm dat zelfs licht dat erop valt niet terug kan ontsnappen.
Als we aannemen dat er in het vroege stadium van de ontwikkeling van het heelal kleine zwarte gaten in zijn gevormd, dan kunnen ze nu gewoon verdampen
Maar in de jaren zeventig. De beroemde Britse theoretisch natuurkundige Stephen Hawking suggereerde dat energie kan verdampen van het oppervlak van verouderende zwarte gaten.
Als we aannemen dat er in een vroeg stadium van de ontwikkeling van het heelal kleine zwarte gaten in zijn gevormd, dan kunnen ze nu gewoon verdampen en uiteindelijk exploderen, wat leidt tot een onmiddellijke emissie van radiostraling.
In februari 2016 maakten astronomen bekend dat ze mogelijk een doorbraak in onderzoek hebben bereikt.
Een team van wetenschappers onder leiding van Evan Keehan, werkzaam op het hoofdkantoor van de Square Kilometre Array-radio-interferometer in het Britse Jodrell Bank Astrophysical Center, analyseerde de parameters van één snelle radiopuls opgenomen in april 2015.
Volgens de conclusies van astronomen bevond de bron van de radiopuls zich in een melkwegstelsel dat 6 miljard lichtjaar van ons verwijderd was en dat uit oude sterren bestond.
In dit geval gaven de parameters van de waargenomen radiopuls de waarschijnlijkheid van ten minste één scenario aan: botsingen van gepaarde neutronensterren
Voor het eerst konden onderzoekers de locatie van een radio-emissiebron bepalen met een nauwkeurigheid van de melkweg, wat in de wetenschappelijke gemeenschap werd gezien als een uiterst belangrijke ontdekking.
"Het identificeren van de melkweg die de bron van de snelle radiopuls bevat, is een stukje van de puzzel", zegt Bailes, die ook in het team van Kian werkte. "Als we de melkweg kunnen bepalen, kunnen we uitzoeken hoe ver de bron van ons verwijderd is."
Daarna kun je de hoeveelheid pulsenergie nauwkeurig meten en beginnen met het negeren van de meest onwaarschijnlijke theorieën over de oorsprong ervan.
In dit geval gaven de parameters van de waargenomen radiopuls de waarschijnlijkheid van ten minste één scenario aan: botsingen van gepaarde neutronensterren die om elkaar heen draaien.
Het leek erop dat het mysterie van de aard van snelle radiopulsen bijna was opgelost. "Ik was erg enthousiast over de resultaten van deze studie", zegt Lorimer.
Maar slechts een paar weken later vroegen wetenschappers Edo Berger en Peter Williams van de Harvard University de theorie in twijfel.
De conclusies van het team van Keehan waren gebaseerd op observatie van het fenomeen, dat wetenschappers interpreteerden als de verzwakking van het radiosignaal na het einde van de snelle radiopuls.
De bron van het vervagende signaal bevond zich op betrouwbare wijze in een sterrenstelsel op 6 miljard lichtjaar van de aarde, en de onderzoekers geloofden dat de snelle radiopuls daar vandaan kwam.
Volgens Berger en Williams had Kian echter niets te maken met een snelle radiopuls.
Ze analyseerden zorgvuldig de karakteristieken van het residuale signaal door de Amerikaanse Very Large Array-radiotelescoop op een ver sterrenstelsel te richten.
Botsingen van neutronensterren komen enkele ordes van grootte minder vaak voor dan de waarschijnlijke frequentie van snelle radiopulsen, zodat niet alle geregistreerde gevallen door dit fenomeen alleen kunnen worden verklaard.
We ontdekten dat we het hebben over een apart fenomeen dat wordt veroorzaakt door fluctuaties in de helderheid van de melkweg zelf vanwege het feit dat in het midden een superzwaar zwart gat is dat kosmische gassen en stof absorbeert.
Met andere woorden, het fonkelende sterrenstelsel was niet de plaats van waaruit de snelle radiopuls werd uitgezonden. Het bevond zich toevallig in het gezichtsveld van de telescoop - ofwel achter de ware bron, ofwel ervoor.
En als de radiopuls niet vanuit dit sterrenstelsel werd verzonden, dan werd deze misschien niet veroorzaakt door de botsing van twee neutronensterren.
Het neutronenscenario heeft nog een zwak punt. "De frequentie waarmee snelle radiopulsen worden uitgezonden, is veel hoger dan de stralingsfrequentie die wordt verwacht bij botsingen van neutronensterren", zegt Maxim Lyutikov van de American University of Purdue.
Bovendien komen botsingen van neutronensterren enkele ordes van grootte minder vaak voor dan de waarschijnlijke frequentie van snelle radiopulsen, zodat niet alle geregistreerde gevallen door dit fenomeen alleen kunnen worden verklaard.
En al snel verminderde nieuw wetenschappelijk bewijs de kans op een dergelijke verklaring nog meer.
In maart 2016 meldde een groep astronomen een verbluffende ontdekking. Ze bestudeerden een radiopuls die in 2014 werd opgenomen door het Arecibo-observatorium in Puerto Rico. Het bleek dat dit geen enkele gebeurtenis was - de impuls werd 11 keer herhaald gedurende 16 dagen.
"Dit was de grootste ontdekking sinds de eerste snelle radio-uitbarsting", zegt Penh. "Het maakt een einde aan het enorme aantal hypothesen dat tot dusverre is voorgesteld."
Alle eerder opgenomen snelle radiopulsen waren enkelvoudige herhalingen van signalen uit dezelfde sector van de lucht werden niet geregistreerd.
Daarom gingen wetenschappers ervan uit dat ze het gevolg zouden kunnen zijn van kosmische rampen, die in elk geval slechts één keer voorkomen - bijvoorbeeld explosies van zwarte gaten of botsingen van neutronensterren.
Maar deze theorie verklaart niet de mogelijkheid (in sommige gevallen) om radiopulsen snel achter elkaar te herhalen. Wat de oorzaak van een dergelijke reeks impulsen ook mag zijn, de voorwaarden voor het optreden ervan moeten gedurende een bepaalde tijd worden gehandhaafd.
Deze omstandigheid beperkt de lijst van mogelijke hypothesen aanzienlijk.
Een daarvan, waarnaar Buttercup onderzoekt, zegt dat de bronnen van snelle radiopulsen jonge pulsars kunnen zijn - neutronensterren die draaien met snelheden tot één omwenteling per milliseconde.
Buttercup noemt dergelijke objecten pulsars op steroïden.
Na verloop van tijd vertraagt de rotatie van pulsars en kan een deel van de rotatie-energie in de ruimte worden uitgestoten in de vorm van radio-uitzending.
Hoe pulsars precies snelle radiopulsen kunnen uitzenden is niet helemaal duidelijk, maar het is bekend dat ze in staat zijn om korte pulsen van radiogolven uit te zenden.
Dus de pulsar in de Krabnevel is vermoedelijk ongeveer 1000 jaar oud. Het is relatief jong en is een van de krachtigste pulsars die we kennen.
Hoe jonger de pulsar, hoe sneller hij draait en hoe meer energie hij heeft. Buttercup noemt dergelijke objecten "pulsars op steroïden".
En hoewel de pulsar in de Krabnevel nu niet genoeg energie heeft om snelle radiopulsen uit te zenden, is het mogelijk dat hij dit onmiddellijk na zijn verschijning zou kunnen doen.
Een andere hypothese zegt dat de energiebron voor snelle radiopulsen niet de rotatie van een neutronenster is, maar het magnetische veld ervan, dat duizend biljoen keer sterker kan zijn dan dat van de aarde.
Neutronensterren met extreem sterke magnetische velden, de zogenaamde magnetars, kunnen snelle radiopulsen uitzenden via een proces dat vergelijkbaar is met dat wat resulteert in zonnevlammen.
Er zijn veel magnetars in het heelal
Terwijl de magnetar roteert, veranderen de magnetische velden in zijn corona - de dunne buitenste laag van de atmosfeer - van configuratie en worden ze instabiel.
Op een gegeven moment gedragen de lijnen van deze velden zich alsof je op een zweep hebt geklikt. Er komt een energiestroom vrij die de geladen deeltjes versnelt, die radiopulsen uitzenden.
"Er zijn veel magnetars in het universum", zegt Bales. "Ze zijn onstabiel, wat waarschijnlijk het optreden van snelle radiopulsen verklaart."
Hypothesen met betrekking tot neutronensterren zijn conservatiever en gebaseerd op relatief goed bestudeerde verschijnselen, daarom lijken ze waarschijnlijker.
"Alle hypothesen over het optreden van snelle radiopulsen, die ik als ernstig beschouw en die ik serieus met mijn collega's bespreek, hebben te maken met neutronensterren", zegt Bales.
Hij geeft echter toe dat deze benadering enigszins eenzijdig kan zijn. Veel astronomen die snelle radiopulsen bestuderen, bestuderen ook neutronensterren, dus hun neiging om de eerste door het prisma van de laatste te bekijken is begrijpelijk.
Het kan zijn dat we te maken hebben met onontgonnen aspecten van de fysica
Er zijn ook meer onconventionele verklaringen. Een aantal onderzoekers heeft bijvoorbeeld gesuggereerd dat snelle radiopulsen ontstaan door botsingen van pulsars met asteroïden.
Het is mogelijk dat meerdere hypothesen tegelijk correct zijn, en elk verklaart een bepaald geval van het optreden van snelle radiopulsen.
Misschien herhalen sommige impulsen zich, terwijl andere dat niet doen, wat de hypothese van botsingen van neutronensterren en andere cataclysmen op kosmische schaal niet volledig uitsluit.
"Het kan blijken dat het antwoord heel simpel is", zegt Lyutikov. "Maar het kan ook gebeuren dat we te maken hebben met onontgonnen aspecten van de fysica, met nieuwe astrofysische verschijnselen."
Wat snelle radiopulsen ook blijken te zijn, ze kunnen van groot nut zijn voor de ruimtewetenschap.
Ze kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om het volume van materie in het universum te meten.
Zoals eerder vermeld, ontmoeten radiogolven onderweg intergalactisch plasma, dat hun snelheid vertraagt afhankelijk van de frequentie van de golf.
Naast het kunnen meten van de afstand tot de signaalbron, geeft het verschil in golfsnelheid ook een idee van hoeveel elektronen er tussen ons melkwegstelsel en de stralingsbron zitten.
"Radiogolven worden gecodeerd met informatie over de elektronen waaruit het universum bestaat", zegt Bailes.
Voorheen hielden wetenschappers zich vooral bezig met dit onderwerp in hun vrije tijd vanuit fundamenteel onderzoek.
Dit geeft wetenschappers de mogelijkheid om de hoeveelheid gewone materie in de ruimte ruw te schatten, wat hen in de toekomst zal helpen bij het berekenen van modellen voor het ontstaan van het heelal.
Het unieke van snelle radiopulsen is dat het een soort kosmische laserstralen zijn, zegt Pen.
Ze doorboren de ruimte in een specifieke richting en zijn intens genoeg om een superieure meetnauwkeurigheid te bieden.
"Dit is het meest nauwkeurige meetinstrument dat voor ons beschikbaar is om verre objecten binnen de gezichtslijn te bestuderen", legt hij uit.
Snelle radiopulsen kunnen volgens hem dus vertellen over de structuur van plasma- en magnetische velden nabij de stralingsbron.
Bij het passeren van een plasma kunnen radiopulsen flikkeren - net zoals sterren fonkelen wanneer ze door de atmosfeer van de aarde worden bekeken.
Door de kenmerken van deze scintillatie te meten, kunnen astronomen de afmetingen van plasmagebieden meten met een nauwkeurigheid van enkele honderden kilometers. Vanwege het hoge wetenschappelijke potentieel, en niet in de laatste plaats vanwege de onverklaarbaarheid van het fenomeen, is de belangstelling van wetenschappers voor snelle radiopulsen de afgelopen jaren aanzienlijk toegenomen.
“Vroeger hielden wetenschappers zich voornamelijk met dit onderwerp bezig in hun vrije tijd vanuit het reguliere onderzoek”, zegt Lorimer.
Nu zijn astronomen intensief op zoek naar snelle radiopulsen in de nog onontgonnen delen van de hemel en blijven ze de sectoren van de hemel observeren waar deze verschijnselen al zijn opgetekend - in de hoop ze te kunnen registreren.
Tegelijkertijd worden de krachten van telescopen over de hele wereld gebruikt, omdat wanneer één puls wordt waargenomen vanuit verschillende observatoria, de kans op een nauwkeurigere berekening van de broncoördinaten aanzienlijk toeneemt.
Dus in de komende jaren zullen radiotelescopen zoals het Canadese CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment) grote delen van de lucht kunnen observeren en honderden snelle radiopulsen kunnen registreren.
Hoe meer gegevens er worden verzameld, hoe begrijpelijker het fenomeen van snelle radiopulsen zal worden. Misschien wordt hun geheim ooit onthuld.
