El caos cósmico y las pistas en rápidas ráfagas de radio

Las grietas blancas en la superficie del magnetar simbolizan la actividad de los terremotos estelares, y las puntas cónicas que se extienden desde la superficie representan múltiples ráfagas de rápidas ráfagas de radio. Los picos varían en tamaño, lo que refleja la variación en la energía de la explosión. Las líneas verdes que conectan las ráfagas indican un camino aleatorio, simbolizando la naturaleza aleatoria de la actividad de FRB. No existe un vínculo directo entre las líneas onduladas verdes y las fallas sísmicas, lo que resalta la diferencia entre la naturaleza de los FRB y los terremotos. Crédito: © China Science Press

La investigación sobre ráfagas de radio rápidas (FRB) destaca su extrema producción de energía y su naturaleza misteriosa. Estudios recientes que utilizan métodos innovadores para analizar ráfagas de radio rápidas sugieren que son causadas por múltiples mecanismos de emisión, lo que complica aún más la comprensión de sus orígenes.

Las ráfagas de radio rápidas (FRB) representan las ráfagas de radio más intensas del universo y liberan suficiente energía, en sólo un milisegundo, para alimentar a la comunidad humana mundial durante un billón de años. Desde su primer descubrimiento en 2007, las ráfagas de radio rápidas han recibido una atención significativa, que culminó con el Premio Shaw de Astronomía de 2023. Estas explosiones cósmicas extremas, cuyo origen aún se desconoce, se encuentran entre los fenómenos más misteriosos tanto de la astronomía como de la física.

La relación causal requiere que las fuentes de FRB sean más pequeñas que su magnitud c dt, donde c es la velocidad de la luz y dt es la duración de los eventos. Para una ráfaga típica de 1 milisegundo, esto significa una región menor de 300 km, lo que significa que los objetos compactos, como estrellas de neutrones o agujeros negros, son los motores de las rápidas ráfagas de radio. Se ha observado una rotación rápida en la mayoría de los objetos compactos, lo que lleva a esperar una periodicidad en la frecuencia de las ráfagas de FRB. Sin embargo, todas las búsquedas exhaustivas de periodicidad de milisegundo a segundo han fracasado, lo que ha provocado una reevaluación de los mecanismos de emisión de FRB.

Los paneles superior e intermedio muestran series de eventos en el espacio tiempo-energía para estas fuentes. El color cambia de azul a rojo, lo que indica un aumento en el indicador estocástico. En el panel inferior, las ráfagas de radio rápidas con movimiento browniano se agrupan hacia regiones altamente aleatorias, pero menos caóticas, del espacio de fase de caos aleatorio, que es diferente de los terremotos y las erupciones solares, que son más caóticas pero menos aleatorias que las ráfagas de radio rápidas. Crédito: © China Science Press

Un equipo dirigido por el profesor Di Li de los Observatorios Astronómicos Nacionales de la Academia de Ciencias de China ha presentado un nuevo enfoque para caracterizar el comportamiento de ráfagas de radio rápidas en un espacio de fase bivariante de energía y tiempo. Al medir la aleatoriedad y el caos utilizando el índice Pincus y el exponente de Lyapunov, respectivamente, pudieron ubicar sistemáticamente rápidas ráfagas de radio en el contexto de otros eventos físicos comunes como púlsares, terremotos y erupciones solares.

La aleatoriedad y el caos provocan imprevisibilidad, pero son diferentes. La imprevisibilidad de la secuencia aleatoria permanece constante en el tiempo, similar a tirar un dado, donde el resultado de cada tirada no tiene conexión con el resultado anterior. En los sistemas caóticos, la imprevisibilidad aumenta exponencialmente con el tiempo. Por ejemplo, una persona puede predecir el tiempo en los próximos segundos mirando hacia arriba y a su alrededor, mientras que a la humanidad todavía le resulta difícil predecir con precisión el tiempo a largo plazo.

El equipo descubrió que las rápidas ráfagas de radio vagan en el espacio de fase de energía-tiempo, con menos caos pero con un mayor grado de aleatoriedad que los terremotos y las erupciones solares. La aparente aleatoriedad de las emisiones de FRB sugiere una combinación de múltiples mecanismos o sitios de emisión. Este estudio establece un nuevo marco para medir ráfagas de radio rápidas y nos acerca a revelar finalmente el origen de estas violentas explosiones cósmicas: ¿Quién tira los dados cósmicos?

Referencia: “El tiempo de llegada y la energía de ráfagas de radio rápidas atraviesan el espacio bivariado tiempo-energía como movimiento browniano” por Yong-Kun Zhang, Di Li, Yi Feng, Pei Wang, Chen Hui Niu, Shi Dai, Zhou-Mei Yao, y Zhao-Wei Cai, 9 de febrero de 2024, Boletín científico.
doi: 10.1016/j.scib.2024.02.010