9 Minute
Un semnal tic-tac pare să vină din adâncurile aglomerate ale nucleului Căii Lactee, iar astronomii vor să afle dacă acesta îi va ajuta să rescrie câteva capitole din manualele despre gravitație. Acel tic — un impuls de 8,19 milisecunde detectat de Survey-ul Breakthrough Listen pentru Centrul Galactic — a venit dintr-o direcție foarte apropiată de Sagittarius A*, gaura neagră supermasivă care ancorează galaxia noastră. Dacă acest semnal se dovedește a fi un pulsar milisecundă autentic aflat pe o orbită strânsă, ar fi unul dintre cele mai prețioase laboratoare naturale pentru testarea Teoriei Relativității Generale.
Ilustrație a Telescopului Green Bank colectând date asupra centrului Căii Lactee. Imaginea mică arată gaura neagră din centrul galaxiei noastre și un candidat de pulsar din vecinătate (neconfirmat).
Pulsarii sunt nucleele colapsate ale stelelor masive — stele neutronice de dimensiunea unui oraș care concentrează o masă mai mare decât cea a Soarelui. Ele se rotesc rapid, iar câmpurile lor magnetice intense canalizează emisia radio în fascicule înguste. Când aceste fascicule trec prin direcția către Pământ, telescoapele radio înregistrează pulsații extrem de regulate. Pulsarii milisecundă se rotește de sute de ori pe secundă, iar precizia lor de temporizare îi transformă în ceasuri excepțional de stabile. O mică perturbare în timpii de sosire ai impulsurilor poate dezvălui influențe altfel invizibile: companii orbitale, plasma interstelară sau curbura însăși a spațiu-timpului.
Caracterul periodic și stabil al unui pulsar milisecundă îl face un instrument de neegalat pentru măsurători de precizie: estimarea masei unui companion, detectarea diferențelor fine în calea semnalului prin materia interstelară (dispersion measure), și urmărirea accelerațiilor care ies din rotația strictă, toate acestea sunt posibile cu o campagne de temporizare (timing) bine condusă. În plus, pulsațiile pot fi analizate la diferite frecvențe pentru a separa efectele propagării (scattering, dispersie) de semnalele intrinseci ale pulsarului.
De ce contează un pulsar lângă Sagittarius A*
Imaginați-vă că plasați cel mai precis ceas pe care îl aveți lângă un puternic puț gravitațional de dimensiunea unei trilioane de kilometri. Aceasta este promisiunea descoperirii. Sagittarius A* conține aproximativ patru milioane de mase solare concentrate într-un volum nu mai mare decât sistemul nostru solar. Relativitatea Generală prezice modul în care spațiu-timpul trebuie să se curbeze și cum lumina — sau pulsațiile radio — ar trebui să fie întârziate, deviate sau decalate în frecvență atunci când trec în proximitatea unei astfel de mase. Un pulsar milisecundă aflat pe o orbită strânsă ar permite astronomilor să măsoare efecte precum întârzierea Shapiro (o întârziere temporală relativistă), alungirea gravitațională a lungimii de undă (redshift gravitațional) și, potențial, tragerea de cadre (frame dragging, cunoscută și sub numele de efectul Lense–Thirring) cu o fidelitate fără precedent.
Astfel de măsurători ar testa teoria lui Einstein în condiții extreme și ar oferi informații directe despre mediul imediat al găurii negre: densitatea populației stelare, distribuția rămășițelor întunecate (cum ar fi stele neutronice și găuri negre de masă stelară), precum și caracteristicile plasma turbulentă care provoacă împrăștierea (scattering) semnalelor radio.
De asemenea, un pulsar orbital apropiat ar permite determinări dinamice ale masei și momentului unghiular al Sagittarius A*. Măsurarea precesiei periastronului, a variațiilor în parametrii orbitali pe perioade scurte și a dilatației timpului în punctele de maximă proximitate pot restrânge parametrii masei și ai spinului găurii negre. Aceste restricții ar putea să confirme sau să conteste modele alternative de gravitație și ar putea identifica mase co-orbitante care nu sunt vizibile direct prin emisie electromagnetică.
Publicarea preliminară a candidatului a venit din partea unor cercetători de la Columbia University, conduși de Karen I. Perez, și a fost raportată în The Astrophysical Journal. Co-autorul Slavko Bogdanov a subliniat că influențele externe asupra unui pulsar "introduc anomalii în acest sosire constantă a pulsațiilor, care pot fi măsurate și modelate." Pe scurt: deviațiile mici de la un ciclu perfect devin indicii majore pentru fizică și astronomie.
Urmărire, verificare și date deschise
Detectarea inițială reprezintă doar primul pas. Candidații la pulsari se pot deghiza sub interferențe terestre (RFI) sau pot fi fenomene tranzitorii care nu repetă periodicitatea așteptată. Confirmarea sursei necesită observații radio repetate la frecvențe și epoci diferite, eliminarea atentă a interferenței, analize de temporizare și teste pentru a verifica dacă ritmul de 8,19 ms se menține. De obicei se efectuează căutări acceleraționale (acceleration searches) și căutări extinse pentru semnale binare, deoarece mișcarea orbitală poate „smălta” periodicitatea într-un interval scurt de timp.
Telescopul Green Bank, utilizat în proiectul Breakthrough Listen, are sensibilitatea necesară pentru astfel de urmăriri. Observațiile la frecvențe mai înalte (de exemplu, la câteva GHz) pot atenua efectele de împrăștiere cauzate de plasma turbulentă din proximitatea centrului galactic, care la frecvențe joase poate estompa și lărgi impulsurile până la a le face nedetectabile. Pe de altă parte, observațiile la frecvențe joase sunt mai sensibile pentru pulsari cu spectru tipic, astfel că o strategie combinată multi-frecvență este adesea preferată.
Un alt element esențial este analiza de-depunere (de-dispersion) a semnalelor: semnalele radio călătoresc prin plasma interstelară și sunt întârziate în funcție de frecvență. Măsurarea corectă a dispersion measure (DM) ajută la localizarea aproximativă a sursei în volumul galactic și permite corectarea pentru întârzierea cauzată de electronii liberi din calea semnalului. Centrul Galactic este un mediu cu DM și scattering ridicat, așa că procesarea datelor trebuie să fie foarte atentă și adaptată pentru a nu pierde un pulsar real în zgomot.
Un avantaj major al detecției recente este deschiderea datelor: Breakthrough Listen a făcut publice observațiile, permițând grupurilor din întreaga lume să inspecteze, să verifice și să aplice algoritmi alternativi de căutare. Această transparență accelerează procesul de verificare și invită metode noi pentru de-dispersare, mitigarea scattering-ului și detectarea semnalelor slab-ciclice prin tehnici cum ar fi căutările pe bază de machine learning sau analiza de vizualizare în frecvență-timp.
Următorii pași depind de ce vor arăta datele. Dacă observațiile repetate reproduc pulsațiile cu timpi de sosire constanți și măsuri de dispersie care plasează sursa aproape de centrul galactic, astronomii vor demara campanii de temporizare pe termen lung. Pe parcursul lunilor și anilor, aceste campanii rafinează parametrii orbitali și scot în evidență semnăturile relativiste. O campanie extinsă poate include observatoare complementare și tehnici interferometrice de mare bază (VLBI) pentru localizare precisă, ceea ce ar consolida asocierea cu Sagittarius A*.
Dacă candidatul nu va fi confirmat, datele totuși vor rafina limitele privind populația de pulsari în vecinătatea Sagittarius A* și vor ghida strategiile viitoare de sondare: ce frecvențe oferă cel mai bun compromis între sensibilitate și reducere a scattering-ului, cât timp de integrare este necesar pentru detectarea pulsarilor slabi, și ce metode de procesare a datelor sunt cele mai eficiente într-un mediu zgomotos cum este nucleul galactic.
Perspective ale experților
"Găsirea unui pulsar milisecundă atât de aproape de o gaură neagră supermasivă ar fi un dar rar pentru fizică," spune Dr. Lina Ortega, astrofiziciană specializată în dinamica corpurilor compacte. "Chiar și câteva măsurători precise de temporizare ar putea distinge între modele relativiste subtile și ar arăta dacă mase aditionale, nevăzute, orbitează în apropierea nucleului. E ca și cum ai trece de la un ceas de mână la un ceas atomic atunci când încerci să citești curbura spațiu-timpului."
Acest candidat din proximitatea Sagittarius A* se află la intersecția dintre tehnologie și teorie: instrumentație radio de înaltă sensibilitate, procesare sofisticată a semnalelor și decenii de previziuni relativiste. Confirmarea unui pulsar milisecundă acolo ar oferi posibilitatea unor teste unice ale gravitației, inclusiv măsurarea directă a efectelor de timp-puls (timing residuals) cauzate de potențialul gravitațional extrem, și ar permite estimări mai precise ale parametrilor dinamici ai regiunii centrale a galaxiei.
Indiferent dacă obiectul se va dovedi a fi un pulsar milisecundă sau un impostor, efortul întărește harta nucleului galactic și ascuțește instrumentele pe care le folosim pentru a testa gravitația în cel mai extrem vecinătate a noastră. Comunitatea științifică beneficiază deja de pe urma acestor date deschise: proiecte de validare independentă, analize complementare și propuneri pentru campanii observaționale viitoare într-o gamă largă de frecvențe și observatoare globale.
Pe termen lung, un pulsar orbital apropiat ar putea deveni parte dintr-un set de jaloane cosmologice: repere stabile folosite pentru a determina structura gravitațională a centrului galactic și pentru a compara predicțiile Teoriei Relativității Generale cu observații de înaltă precizie. Astfel de jaloane ar susține cercetări despre evoluția galactică, despre distribuția masei întunecate la scară mică și despre istoria dinamică a clusterelor stelare din jurul Sagittarius A*.
Concluzionând, descoperirea unui impuls de 8,19 ms în proximitatea Sagittarius A* reprezintă atât o provocare tehnică, cât și o oportunitate științifică majoră. Verificarea va necesita efort coordonat, instrumentație adecvată și metode analitice avansate. Dacă se confirmă, impactul asupra testelor fundamentale ale gravitației și asupra înțelegerii nucleului galactic va fi profund; dacă nu, chiar și limitările impuse de aceste date vor modela strategii viitoare și vor reduce incertitudinile privind populațiile de obiecte compacte din centrul galaxiei.
Sursa: scitechdaily
Lasă un Comentariu