Radioflits in één keer gelokaliseerd in het heelal

Sommige radiotelescopen met een wijd blikveld zijn sinds een jaar of tien in staat om Fast Radio Bursts te detecteren. Dit zijn enorm felle uitbarstingen van radiostraling die uit één punt aan de hemel lijken te komen, maar hoe ze ontstaan is onbekend. Vanwege technische beperkingen waren zulke radiotelescopen niet in staat om de positie van een FRB nauwkeurig aan de hemel vast te pinnen.

Wel was al duidelijk, dat het bijna allemaal eenmalige gebeurtenissen zijn. Slechts in twee gevallen kwamen er meerdere radio bursts uit dezelfde richting. Eén van die twee, FRB 121102, kon dankzij zijn repeterende karakter aan de hemel gelokaliseerd worden. Je kunt dan namelijk met telescopen met een veel nauwer blikveld inzoomen op de plek waar de FRB ongeveer staat. FRB 121102 ontstond in een dwergsterrenstelsel op drie miljard lichtjaar afstand. (zie ook dit eerdere artikel over FRB’s ).

Tot nu toe was het nog niet gelukt om de kosmische postcode van een eenmalige FRB te achterhalen. Die primeur gaat nu naar de Australian Square Kilometre Array Pathfinder (ASKAP ), die na duizenden uren observatie van de zuidelijke hemel, in september 2018 FRB 180924 registreerde.

ASKAP is een radiotelescoop die bestaat uit 36 met elkaar verbonden schotelantennes. Dankzij de nieuwste digitale detectortechnologie en real time big data-verwerking, heeft ASKAP een zeer wijd blikveld van 30 × 30 graden, terwijl hij toch in staat is onverwachte en zeer kort durende signalen heel nauwkeurig te lokaliseren. Dat is mogelijk door extreem nauwkeurig de tijdsverschillen te meten (‘timestamping’) waarmee het radiosignaal in de afzonderlijke schotels aankomt.

Als alle schotels de FRB precies tegelijkertijd registreren, moest het radiosignaal – dat met de lichtsnelheid reist – naar al die schotels blijkbaar een precies even lange weg afleggen. Dan staat de FRB loodrecht boven de radiotelescoop. Ontvangen de meest oostelijke schotels het signaal enkele microseconden eerder dan de westelijke, dan staat de FRB aan de oostelijke hemel, en vice versa.

Krant op tien kilometer

Volgens dit principe lukte het, om FRB 180924 tot op 0,04 boogseconde nauwkeurig aan de hemel te lokaliseren. Dit is vergelijkbaar met inzoomen op één letter in een krant op tien kilometer afstand. Mieke Bouwhuis, een van de auteurs van het desbetreffende artikel in vakblad Science, werkte tot kort voor de ontdekking bij ASKAP aan deze timestamping: “De hardware van de telescopen deed dat niet helemaal goed, en ik heb de software geschreven die deze fouten corrigeert.”

De locatie aan de hemel zegt natuurlijk nog niets over de afstand van FRB 180924, al stond wel vast dat het geen aards signaal is, en ook geen signaal uit de Melkweg, ons eigen sterrenstelsel. Maar de onderzoekers konden deze precieze locatie vergelijken met beelden uit surveys die eerder met optische telescopen van dat gebied aan de hemel gemaakt zijn. De locatie bleek overeen te komen met een ver, en tot dan toe anoniem, sterrenstelsel (‘A’ in onderstaande afbeelding) dat niet eerder tot in detail onderzocht was.

Dat detailonderzoek werd na de ontdekking van FRB 180924 gedaan door een telescoop van de Europese VLT, en door de Keck II- en de Gemini South-telescopen. Die laatste twee maten ook het spectrum van sterrenstelsel A. Het spectrum is het ‘palet’ aan licht dat het stelsel uitzendt, nauwkeurig uitgesplitst naar de golflengte (kleur). Daardoor is het mogelijk te bepalen hoe snel het sterrenstelsel van ons af beweegt (te zien aan de ‘roodverschuiving’). Omdat in het heelal overal globaal hetzelfde verband geldt tussen uitdijïngssnelheid en afstand, was hiermee ook de afstand van het sterrenstelsel bekend: 3,4 miljard lichtjaar.

Niet halverwege?

FRB 180924 ligt vanuit de aarde gezien duidelijk op één lijn met sterrenstelsel A. Maar hoe weet je dat hij daar echt in ligt, en niet ergens halverwege die lijn? Dat zo’n heftige uitbarsting in de vrijwel lege ruimte tussen de sterrenstelsels ontstaat, wordt onmogelijk geacht, maar in theorie zou FRB 180924 in een ‘onzichtbaar’ sterrenstelsel op de voorgrond kunnen liggen (onzichtbaar, omdat het te lichtzwak is om in deze opname zichtbaar te zijn).

Keith Bannister, eerste auteur van het artikel in Science vertelt (per e-mail): “Die kans hebben we niet berekend. We hebben geen model voor hoeveel ‘onzichtbare’ dingen er zijn tussen ons en een sterrenstelsel op 3,4 miljard lichtjaar afstand, simpelweg omdat ze onzichtbaar zijn! Maar als je een lokatie verkrijgt en die ‘landt’ op een [red: wel duidelijk zichtbaar] sterrenstelsel, dan kan je er over het algemeen vrij zeker van zijn dat dit klopt. In dit type optische beelden zit namelijk veel meer lege ruimte dan sterrenstelsels.”

Wat verder van de bron liggen, nog net zichtbaar, twee sterrenstelsels (B en C in de afbeelding) op nog veel grotere afstand. Bannister en zijn team konden wel berekenen dat er slechts een verwaarloosbare kans is, dat FRB 180924 in een ‘buitenwijk’ van een van die twee sterrenstelsels ligt.

Als we naar een lamp kijken die door mist of rook heen schijnt, raakt het licht op specifieke manieren verkleurd en verstrooid. Dat zou ook gelden voor de radiostraling van FRB 180924 als die achter sterrenstelsel A ligt en daar doorheen schijnt. Maar dat is niet zo, volgens Bannister: “Daar is een heel elegant argument voor: deze FRB had een lage dispersie (wat betekent dat hij door weinig gas heen ging), lage verstrooiïng (dat gas was weinig turbulent) en lage Faraday rotatie (het gas had geen magnetisch veld).” Als FRB 180924 achter sterrenstelsel A lag, had die op alle drie deze karakteristieken wel hoog gescoord.

Nuttige peilstokken

Aangenomen dat FRB 180924 op 3,4 miljard lichtjaar afstand ligt, is uit de vervorming van de radiostraling ook af te leiden, door hoeveel gas die heen gegaan is op zijn lange weg naar de aarde. Immers, de ruimte tussen de sterrenstelsels is een vrijwel perfect vacuüm, maar bevat toch nog een paar atomen en elektronen per kubieke meter. FRB’s zijn daarom potentieel nuttige ‘peilstokken’ om te bepalen hoeveel onzichtbare materie zich tussen die sterrenstelsels bevindt.

Bouwhuis wil niet speculeren over de oorzaak van fast radio bursts: “Er zijn meer theorieën dan gedetecteerde FRB’s.” Zij gaat nu in Nederland met een team van ASTRON-onderzoekers naar FRB’s zoeken. Dat gebeurt met de Westerbork Synthese Radio Telescoop. Diens 12 schotels hebben sinds 1 januari van dit jaar dezelfde speciale ontvangers als ASKAP, zodat nu ook vanuit Nederland de jacht op FRB’s geopend is.