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Mysteriöse Fast Radio Bursts rücken endlich in den Fokus

by drbyos
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Niemand bemerkte es, als 2001 ein australisches Radioteleskop eine flüchtige Lichtexplosion einfing, die von irgendwo weit hinter der Milchstraße kam Tag – blieb mehr als ein halbes Jahrzehnt lang ungesehen, bis eine Gruppe von Wissenschaftlern, die Archivdaten durchsuchten, die gewaltige Eruption entdeckte – einen sogenannten Fast Radio Burst (FRB).

Solche rätselhaften Explosionen werden nicht länger ignoriert. Forscher haben festgestellt, dass sie mindestens 800 Mal pro Tag am ganzen Himmel auftreten, aber sie tappen immer noch im Dunkeln, was sie verursacht. Als eines der aktivsten Themen in der Astrophysik haben FRBs in letzter Zeit eine Reihe bahnbrechender und manchmal widersprüchlicher Ergebnisse erzielt, wobei regelmäßig in der Literatur Veröffentlichungen erscheinen, die das Feld neu gestalten. Obwohl der Gesamtüberblick trübe bleibt, hat sich erst im letzten Jahr ein klareres Bild dieser seltsamen Wesen herausgebildet.

„Ich denke, wir sind näher dran zu verstehen, was etwas FRBs sind“, sagt Ziggy Pleunis, Astrophysiker an der University of Toronto. „Aber während wir auf dieser Suche sind, haben neue Entdeckungen zu neuen Fragen geführt.“

Viele Astronomen haben das Gefühl, dass sich das Thema jetzt an einem Wendepunkt befindet, an dem einige ihrer größten Rätsel kurz vor der Lösung stehen. Eine Flut neuer Entdeckungen und tieferer Studien dieser Phänomene haben bestimmte Modelle des Innenlebens von FRBs verbessert, während andere eliminiert wurden, und mehrere anstehende Projekte sollten dazu beitragen, die Möglichkeiten weiter zu untersuchen. Auch wenn solche Unternehmungen nicht in der Lage sind, das Geheimnis vollständig zu lüften, werden sie dennoch fruchtbar sein. FRBs bieten mehr als nur akademische Neugier: Wir haben gelernt, dass ihr helles Licht eine Aufzeichnung des Inhalts der riesigen intergalaktischen Tiefen trägt, die es auf seinem Weg zur Erde durchquert hat. Dieses kosmische Feuerwerk im Bruchteil einer Sekunde, das scheinbar zufällig über den gesamten Himmel explodiert, kann somit Informationen über Galaxien und das Material zwischen ihnen liefern, wie es kein anderer Mechanismus kann.

Magnetische Momente

Die größte Erschütterung, die FRB-Enthusiasten in letzter Zeit passierte, kam überraschend. Im April 2020 entdeckten drei separate Forschungsteams eine enorme Radioenergieexplosion, die von einem Magnetar in der Milchstraße ausging. Magnetare sind eine extreme Form von Neutronensternen, stadtgroße Überreste mit obszön starken Magnetfeldern, die zurückbleiben, wenn massereiche Sterne bei Supernova-Detonationen sterben. Das Magnetfeld eines Magnetars kann so stark sein, dass eine Annäherung innerhalb von 1.000 Kilometern die Atomkerne und Elektronen Ihres Körpers zerstören würde, was dazu führt, dass Sie sich effektiv auflösen.

Magnetare mit ihren ultrastarken Magnetfeldern waren bereits ein führender Kandidat für die Quelle von FRBs. Aber bei den wenigen Dutzend in unserer Galaxie war noch nie zuvor beobachtet worden, dass sie Eruptionen erzeugten, die den Phänomenen ähneln könnten. Die Entdeckung eines kurzen und beeindruckenden Funkausbruchs von einem galaktischen Magnetar namens SGR 1935 + 2154 war genau das, was die Forscher vermisst hatten. Wenn das Objekt stattdessen in einer benachbarten Galaxie wie Andromeda existiert hätte, wäre seine Signatur nicht von einem typischen FRB zu unterscheiden.

„Das war ein großer Moment für das Feld“, sagt Kenzie Nimmo, Astronomin an der Universität Amsterdam. “Es hat alle Zweifel beseitigt, dass zumindest einige FRBs von Magnetaren stammen.”

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Der verlockende Fund nährte die Vermutungen der Theoretiker, wie genau ein Magnetar einen FRB erzeugen könnte. Die meisten Ideen gehen davon aus, dass auf dem Objekt eine Art erschütterndes Sternbeben auftritt oder vielleicht ein starker Funke, der ausgeht, wenn seine sich verdrehenden Magnetfeldlinien reißen und sich wieder verbinden. Solche Ereignisse könnten direkt den Blitz eines FRB erzeugen oder eine Stoßwelle erzeugen, die das umgebende Material aufheizt, Staub verbrennt und Gas in Plasma umwandelt, um Licht zu erzeugen, wenn es nach außen wandert.

Mehrere Teleskope sahen einen Röntgenblitz, der kurz nach dem Radiosignal von SGR 1935 + 2154 eintraf, was darauf hindeutet, dass die freigesetzte Radioenergie auch kompliziertere Nebenwirkungen erzeugt. Doch was das für die explosive Aktion genau bedeutet, ist noch nicht klar. „Ist das auf der Oberfläche des Sterns oder in der Magnetosphäre oder im Material um den Magnetar passiert?“ fragt Emily Petroff, ebenfalls Astrophysikerin an der Universität Amsterdam. “Da sind wir uns immer noch nicht wirklich einig.”

Kosmische Kuriositäten

Natürlich ist es unwahrscheinlich, dass ein einzelner FRB die Menge, die jetzt bekannt ist, vollständig erklärt. Im Sommer 2021 veröffentlichte das Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME), ein spezielles FRB-Jagdteleskop in British Columbia, einen Katalog von 536 FRBs, die es im ersten Betriebsjahr entdeckt hatte, was die Zahl der aufgezeichneten vervierfachte. Es war bereits bekannt, dass die Ausbrüche in zwei verschiedenen Geschmacksrichtungen auftreten – solche, die ihre Signale wiederholt blinken lassen, und solche, die einmalige Ereignisse sind. Die Daten von CHIME zeigten, dass Nicht-Repeater weitaus häufiger als Repeater auftraten und dass jeder unterschiedliche Eigenschaften aufwies.

Im Durchschnitt dauerten die Bursts von Repeatern länger als ihre sich nicht wiederholenden Gegenstücke und strahlten ihr Licht in einem engeren Frequenzbereich aus. Ob dies einen tatsächlichen Unterschied in den Produktionsmechanismen dieser Blitze darstellt oder stattdessen etwas anderes über das Alter oder die Umgebung ihrer Vorfahren, bleibt abzuwarten. Aber die Situation ähnelt einem früheren Mysterium, das eine andere Klasse gigantischer kosmischer Explosionen umgibt: Gammastrahlenausbrüche, von denen in den 1990er Jahren gezeigt wurde, dass sie aus drei verschiedenen Arten von Ereignissen entstehen, von denen einige Energie für kürzere Dauer emittieren, andere für längere Zeit. Mit zukünftigen Entdeckungen ist es möglich, dass Wissenschaftler tiefer in die sichtbaren Eigenschaften von FRBs eintauchen können, um etwas zu finden, das die verschiedenen Populationen weiter unterscheidet.

Der Katalog von CHIME enthält eine große Anzahl von FRBs, die auf eine Vielzahl spezifischer Galaxien lokalisiert wurden, was die Verbindung zu Magnetaren trübt, die fast ausschließlich in Galaxien auftauchen, die eine enorme Anzahl massereicher, kurzlebiger Sterne produzieren. Der FRB-Hol von CHIME enthält jedoch viele Quellen aus ruhigeren Galaxien, die kaum neue Sterne bilden.

„Magnetare können einen Bruchteil der FRBs erklären. Das würde niemand bestreiten“, sagt Shami Chatterjee, Astronom an der Cornell University. „Aber sind das alle? Mit ziemlicher Sicherheit nicht.“

Ein neues Papier, derzeit in Begutachtung bei Natur und ursprünglich im Mai auf dem Preprint-Server arXiv.org veröffentlicht, unterstützt diese Behauptung. Mit einer Reihe von Radioteleskopen namens European Very Long Baseline Interferometry (VLBI) Network bestimmte ein Team die Position eines Repeaters mit der Bezeichnung FRB 20200120E mit extremer Präzision. Das Objekt war ursprünglich in der nahegelegenen Spiralgalaxie M81 lokalisiert worden, aber VLBI ermöglichte es Astronomen, weiter hineinzuzoomen und zu sehen, dass es in einem alten Bienenstock dicht gepackter Sterne lebt, der als Kugelsternhaufen bekannt ist. Solche Sammlungen beherbergen hauptsächlich Sterne, die etwa 10 Milliarden Jahre alt sind – doch Magnetare sollen nur etwa 10.000 Jahre überdauern, bevor sie in eine ruhigere (und vermutlich FRB-freie) Existenz als normaler Neutronenstern verfallen.

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„Das ist ein Wendepunkt“, sagt Mohammadtaher Safarzadeh, theoretischer Astrophysiker an der Harvard University. „Was auch immer das FRB-Signal verursacht, hat wahrscheinlich das gleiche Alter wie der Kugelsternhaufen und ist definitiv kein Magnetar.“

Magnetare könnten vielleicht gelegentlich aus dem Zusammenprall zweier Neutronensterne entstehen – ein Produktionsmechanismus, der nie endgültig gesehen wurde –, der es möglicherweise einem jungen Stern ermöglichen könnte, an einem so veralteten Ort aufzutauchen, sagt der theoretische Astrophysiker Bing Zhang von der University of Nevada. Las Vegas. Aber niemand weiß genau, wie oft solche Ereignisse auftreten oder wie lange die resultierenden Magnetare aktiv bleiben würden, was es schwierig macht, ein solches Modell für einen bestimmten FRB zu verwenden.

Das Magnetarbild wird durch eine weitere Kuriosität noch komplizierter: FRB 20180916B, auch bekannt als R3, weil es die dritte sich wiederholende Quelle war, die jemals entdeckt wurde. Ursprünglich auf eine Sternentstehungsregion im Zentrum einer etwa eine halbe Milliarde Lichtjahre entfernten Spiralgalaxie ausgerichtet, wurde später gezeigt, dass sich R3 am Rande der Galaxie befindet, was darauf hindeutet, dass es sich entweder um ein älteres Objekt handelt oder es irgendwie weit weg getreten ist sein Geburtsort näher am Zentrum. Noch seltsamer ist, dass die Entität nur während eines vier- bis fünftägigen Aktivitätsfensters, das alle 16,35 Tage auftritt, Explosionen erzeugt, was sie zu einem sogenannten periodischen Repeater macht.

Seitdem kratzen sich die Forscher am Kopf, was diese eigentümliche Regelmäßigkeit auslösen könnte. Ein Magnetar, der sich wie ein Kreisel um seine Achse dreht und seine Explosionen manchmal auf die Erde richtet und manchmal abgewandt, ist eine Möglichkeit. Ein anderes ist ein explodierendes Objekt, das eine zweite Struktur umkreist, beispielsweise ein Schwarzes Loch, das von einer Materialscheibe umgeben ist und die explosiven Ereignisse zyklisch verdunkelt. Es wurden sogar noch exotischere Modelle herangezogen, wie zum Beispiel ein Paar umlaufender Neutronensterne, deren Magnetosphären periodisch wechselwirken und einen Hohlraum schaffen, in dem Eruptionen stattfinden können.

„Das Feld macht gerade jetzt so viel Spaß, weil es so viele spannende Möglichkeiten gibt“, sagt Chatterjee.

Annäherung an Antworten

Wichtige Fragen beschäftigen FRB-Astronomen weiterhin. Sind Non-Repeater wirklich einmalige Ereignisse oder würden sie bei längerer Beobachtung wieder platzen? Der Magnetar in unserer Galaxie scheint ziemlich ruhig zu sein. Aber war es in seinen jungen Jahren deutlich aktiver? Könnten andere esoterische Szenarien, wie der Aufprall von Asteroiden auf ein Schwarzes Loch, irgendwie FRB-ähnliche Signale erzeugen? Neue Beobachtungen und Theorien erscheinen fast täglich in Preprint-Papieren und schaffen Chancen und Herausforderungen für diejenigen, die versuchen, alles zu verstehen.

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Die CHIME-Kollaboration baut derzeit eine Reihe kleinerer Zusatzteleskope, die helfen werden, die genauen Himmelspositionen einer großen Anzahl von FRBs zu triangulieren. In einigen Jahren erwarten die Forscher, die genauen Orte von Hunderten oder sogar 1000 Ereignissen zu kennen. Diese Daten werden den FRB-Modellen nicht nur weitere Beschränkungen auferlegen, sondern es den Wissenschaftlern ermöglichen, wichtige Messungen des Universums durchzuführen.

Astronomen wussten ursprünglich nur, dass FRBs von außerhalb der Milchstraße kamen, weil ihr Licht gestreut wurde, was bedeutet, dass die höheren Frequenzen einige Millisekunden vor den niedrigeren ankamen. Dies deutete darauf hin, dass die Radiowellen auf ihrer Reise durch das intergalaktische Medium auf enorme Mengen von Elektronen trafen. Mit Blick auf den kosmischen Mikrowellenhintergrund, ein Nachglühen kurz nach dem Urknall, haben Kosmologen die Menge der sichtbaren Materie im Universum geschätzt und eine Zahl gefunden, die etwa doppelt so hoch ist wie die in Sternen und Galaxien. Forscher beabsichtigen, mit FRBs eine Taschenlampe auf intergalaktische Regionen zu richten, in denen sich diese fehlende Materie befindet. Letztes Jahr benutzte ein Team eine Handvoll FRBs, um die Materialmenge abzuschätzen, die ihr Licht durchdrang, und zeigte, dass sie fast genau der fehlenden Materie entsprach. Das ultimative Ziel ist es, schließlich eine umfassende Karte der Materie im gesamten Universum zu erstellen. Das Licht einiger FRBs ist auch stark polarisiert – seine Wellen wurden während seines Fluges durch Magnetfelder gedreht – was Astronomen möglicherweise Zugang zu Informationen über die magnetischen Bedingungen in anderen Galaxien oder den Räumen zwischen ihnen verschafft.

In der Zwischenzeit bleibt das Geheimnis der Herkunft der FRBs bestehen. Obwohl es einen wachsenden Konsens gibt, dass die Phänomene mehr als eine physikalische Erklärung erfordern, wissen Fachleute, dass Gewissheit ebenso illusorisch wie schwer fassbar sein kann. „Ich gehe davon aus, dass wir innerhalb des nächsten Jahrzehnts ein oder zwei weitere Überraschungen erleben werden, wie den galaktischen Magnetar, von dem wir nicht einmal wussten, dass wir ihn suchen sollten, der unser Verständnis massiv vorantreiben wird“, sagte Petroff sagt. Ein weit verbreiteter Verdacht ist, dass zumindest einige sich nicht wiederholende FRBs aus katastrophalen Ereignissen wie dem Zusammenprall von Neutronensternen entstehen, die ebenfalls Gravitationswellen aussenden würden. Würde ein Radioteleskop zur gleichen Zeit wie das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) oder seine Gegenstücke auf der ganzen Welt eine Explosion sehen, würde es die Meinungen stark auf diese Möglichkeit lenken. Und wenn eine solche Kollision einen Magnetar erzeugen würde, könnte es sein, dass der anfängliche katastrophale einmalige FRB zu einer bestimmten, sich wiederholenden FRB-Quelle führen würde? Das kann bisher noch keiner sagen.

Was die Themen der Astronomie betrifft, sind FRBs noch jung und geschäftig. Angesichts der jüngeren Geschichte rechnet einer ihrer ursprünglichen Entdecker, der Astrophysiker Duncan Lorimer von der West Virginia University, nicht damit, dass die Forschung zu FRBs in absehbarer Zeit zur Ruhe kommen wird. „Gerade wenn man denkt, dass sich die Dinge beruhigen, hat man ein Jahr mit all diesen bemerkenswerten Entdeckungen“, sagt er.

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