Schnelle Radioblitze sind kurze, helle Explosionen von Radiowellen, die von extrem kompakten Objekten wie Neutronensternen und möglicherweise Schwarzen Löchern emittiert werden. Diese temporären Feuerwerke dauern nur ein Tausendstel einer Sekunde und können eine enorme Energiemenge enthalten – genug, um kurzzeitig ganze Galaxien zu überstrahlen.
Seit der Entdeckung des ersten schnellen Radioblitze (Fast Radio Burst, FRB) im Jahr 2007 haben Astronomen Tausende FRBs entdeckt, deren Standorte von unserer eigenen Galaxie bis zu einer Entfernung von acht Milliarden Lichtjahren reichen. Wie genau diese kosmischen Radiofackeln ausgelöst werden, ist eine heftig debattierte Frage.
Jetzt haben Astronomen des MIT den Ursprung mindestens eines schnellen Radioblitzes mit einer neuartigen Technik bestimmt, die auch für andere FRBs gelten könnte. In ihrer neuen Studie, die am 1. Januar 2025 in der Fachzeitschrift Nature erschien, konzentrierte sich das Team auf FRB 20221022A – einen zuvor entdeckten schnellen Radioblitz, der in einer etwa 200 Millionen Lichtjahren entfernten Galaxie entdeckt wurde.
Um die genaue Position des Radiosignals zu bestimmen, analysierte das Team sein „Szintillieren“, ähnlich wie das Funkeln der Sterne am Nachthimmel. Die Wissenschaftler untersuchten Veränderungen in der Helligkeit des FRB und stellten fest, dass der Ausbruch aus der unmittelbaren Nähe seiner Quelle stammen muss und nicht, wie von einigen Modellen vorhergesagt, von weiter weg.
Das Team vermutet, dass FRB 20221022A in einer Region explodierte, die extrem nahe an einem rotierenden Neutronenstern liegt, höchstens 10.000 Kilometer entfernt. Das ist weniger als die Entfernung zwischen New York und Singapur. Bei einer so geringen Entfernung ist der Ausbruch wahrscheinlich aus der Magnetosphäre des Neutronensterns entstanden – einer hochmagnetischen Region in der unmittelbaren Nähe des ultrakompakten Sterns.
Die Ergebnisse des Teams liefern den ersten schlüssigen Beweis dafür, dass ein schneller Radioblitz aus der Magnetosphäre, der hochmagnetischen Umgebung eines extrem kompakten Objekts, stammen kann.
„In diesen Umgebungen der Neutronensterne sind die Magnetfelder wirklich an der Grenze dessen, was das Universum erzeugen kann“, sagte die Hauptautorin Kenzie Nimmo, eine Postdoktorandin am Kavli Institute for Astrophysics and Space Research des MIT. „Es gab viele Diskussionen darüber, ob diese helle Radioemission überhaupt aus diesem extremen Plasma entweichen kann.“
„In der Umgebung dieser hochmagnetischen Neutronensterne, die auch als Magnetare bezeichnet werden, können Atome nicht existieren – sie würden von den Magnetfeldern einfach zerrissen“, sagte Kiyoshi Masui, außerordentlicher Professor für Physik am MIT. „Das Spannende ist, dass wir herausgefunden haben, dass die in diesen Magnetfeldern gespeicherte Energie in der Nähe der Quelle verdreht und neu konfiguriert wird, so dass sie in Form von Radiowellen freigesetzt werden kann, die wir im halben Universum sehen können.“
Zu den MIT-Coautoren der Studie gehören Adam Lanman, Shion Andrew, Daniele Michilli und Kaitlyn Shin, sowie Mitarbeiter mehrerer Institutionen.
Größe der Radioblitze
Die Entdeckung von schnellen Radiobursts hat in den letzten Jahren dank des Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME) Fortschritte gemacht. Das Radioteleskop besteht aus vier großen, stationären Empfängern, die jeweils die Form einer halben Röhre haben und so eingestellt sind, dass sie Radioemissionen in einem Bereich aufspüren, der sehr empfindlich für schnelle Radioblitze ist.
Seit 2020 hat CHIME Tausende FRBs im gesamten Universum entdeckt. Während sich die Wissenschaftler im Allgemeinen einig sind, dass die Ausbrüche von extrem kompakten Objekten stammen, ist die genaue Physik, die den FRBs zugrunde liegt, unklar. Einige Modelle besagen, dass die schnellen Radioausbrüche aus der turbulenten Magnetosphäre stammen, die ein kompaktes Objekt unmittelbar umgibt, während andere vorhersagen, dass die Ausbrüche viel weiter entfernt entstehen, als Teil einer Schockwelle, die sich vom zentralen Objekt weg ausbreitet.
Um zwischen den beiden Szenarien zu unterscheiden und festzustellen, wo die schnellen Radioausbrüche entstehen, untersuchte das Team die Szintillation – den Effekt, der auftritt, wenn das Licht einer kleinen, hellen Quelle (z. B. eines Sterns) durch ein Medium (z. B. das Gas einer Galaxie), gefiltert wird. Wenn das Sternenlicht durch das Gas gefiltert wird, wird es so gebeugt dass es für einen entfernten Beobachter so aussieht, als würde der Stern blinken. Je kleiner oder je weiter entfernt ein Objekt ist, desto mehr funkelt es. Das Licht von größeren oder näheren Objekten wie den Planeten in unserem Sonnensystem, wird weniger stark gebeugt und scheint daher nicht zu funkeln.
Das Team kam zu dem Schluss, dass es die relative Größe der Region, aus der der FRB stammt, bestimmen könnte, wenn es den Grad der Szintillation eines FRB abschätzen könnte. Je kleiner die Region ist, desto näher liegt der Ausbruch an seiner Quelle und desto wahrscheinlicher ist es, dass er aus einer magnetisch turbulenten Umgebung stammt. Je größer die Region ist, desto weiter entfernt ist der Ausbruch, was die Annahme stützt, dass FRBs von weit entfernten Schockwellen stammen.
Flimmerndes Muster
Um ihre Theorie zu prüfen, untersuchten die Forscher den FRB 20221022A, einen schnellen Radioblitz, der 2022 von CHIME entdeckt wurde. Das Signal dauerte etwa zwei Millisekunden und war, was seine Helligkeit angeht, ein relativ gewöhnlicher FRB. Die Mitarbeiter des Teams an der McGill University fanden jedoch heraus, dass FRB 20221022A eine herausragende Eigenschaft aufwies: Das Licht des Ausbruchs war stark polarisiert, wobei der Polarisationswinkel einer glatten S-förmigen Kurve folgte. Dieses Muster wird als Beweis dafür gedeutet, dass der Emissionsort des FRB rotiert – eine Eigenschaft, die zuvor bei Pulsaren beobachtet wurde. Pulsare sind stark magnetisierte, rotierende Neutronensterne.
Die Beobachtung einer ähnlichen Polarisation bei schnellen Radioblitzen war eine Premiere und deutet darauf hin, dass das Signal aus der unmittelbaren Umgebung eines Neutronensterns stammen könnte. Die Ergebnisse des McGill-Teams werden in einem Begleitartikel im Magazin Nature veröffentlicht.
Das MIT-Team erkannte, dass, wenn FRB 20221022A aus der Nähe eines Neutronensterns stammt, sie in der Lage sein sollten, dies mithilfe der Szintillation zu belegen.
In ihrer neuen Studie analysierten Nimmo und ihre Kollegen Daten von CHIME und beobachteten steile Helligkeitsschwankungen, die auf Szintillation hindeuten. Mit anderen Worten: der FRB blinkt. Sie bestätigten, dass sich irgendwo zwischen dem Teleskop und dem FRB Gas befindet, das die Radiowellen beugt und filtert. Das Team untersuchte dann, wo sich dieses Gas befinden könnte, und bestätigte, dass Gas in der Heimatgalaxie des FRB für einen Teil des beobachteten Flimmerns verantwortlich war. Dieses Gas wirkte wie eine natürliche Linse, die es den Forschern ermöglichte, den Ort des FRB heranzuzoomen und festzustellen, dass der Ausbruch von einer extrem kleinen Region mit einer geschätzten Breite von etwa 10 000 Kilometern ausging.
„Das bedeutet, dass der FRB wahrscheinlich nur wenige hunderttausend Kilometer von der Quelle entfernt ist“, sagt Nimmo. „Das ist sehr nah. Zum Vergleich: Wir würden erwarten, dass das Signal mehr als zehn Millionen Kilometer entfernt wäre, wenn es von einer Schockwelle käme, und wir würden überhaupt kein Flimmern sehen.“
„Aus einer Entfernung von 200 Millionen Lichtjahren auf eine 10.000 Kilometer große Region zu zoomen, ist so, als ob man die Breite einer DNA-Helix, die etwa 2 Nanometer breit ist, auf der Oberfläche des Mondes messen könnte“, sagt Masui. „Das sind erstaunliche Größenordnungen“.
Die Ergebnisse des Teams in Verbindung mit den Erkenntnissen des McGill-Teams schließen die Möglichkeit aus, dass FRB 20221022A am Rande eines kompakten Objekts entstanden ist. Stattdessen belegen die Studien zum ersten Mal, dass schnelle Radioblitze aus der Nähe eines Neutronensterns in einer sehr chaotischen magnetischen Umgebung entstehen können.
„Diese Blitze treten ständig auf, und CHIME entdeckt mehrere pro Tag“, sagt Masui. „Die Art und Weise, wie und wo sie auftreten, kann sehr unterschiedlich sein, und diese Szintillationstechnik wird sehr nützlich sein, um die verschiedenen physikalischen Faktoren, die diese Ausbrüche antreiben, zu entschlüsseln.
„Das vom Polarisationswinkel aufgezeichnete Muster war dem von Pulsaren in unserer eigenen Milchstraßengalaxie so verblüffend ähnlich, dass man zunächst befürchtete, dass es sich bei der Quelle nicht um einen FRB, sondern um einen falsch klassifizierten Pulsar handelte“, sagte Ryan Mckinven, ein Mitautor der Studie von der McGill University. „Glücklicherweise konnten diese Bedenken mit Hilfe von Daten eines optischen Teleskops ausgeräumt werden, die bestätigten, dass der FRB in einer Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie entstand.“
„Die Polarimetrie ist eines der wenigen Instrumente, mit denen wir diese weit entfernten Quellen untersuchen können“, erklärte Mckinven. „Dieses Ergebnis wird wahrscheinlich Folgeuntersuchungen zu ähnlichem Verhalten bei anderen FRBs inspirieren und theoretische Bemühungen anregen, die Unterschiede in ihren polarisierten Signalen zu erklären.“
Diese Forschung wurde von verschiedenen Institutionen unterstützt, darunter der Canada Foundation for Innovation, dem Dunlap Institute for Astronomy and Astrophysics an der University of Toronto, dem Canadian Institute for Advanced Research, dem Trottier Space Institute an der McGill University und der University of British Columbia.
(THK)
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