Astronomen werfen neues Licht auf die Entstehung mysteriöser schneller Radiostöße

Mehr als 15 Jahre nach der Entdeckung der Fast Radio Bursts (FRBs) – millisekundenlange, kosmische Explosionen elektromagnetischer Strahlung im Weltraum – durchforsten Astronomen weltweit das Universum, um Hinweise darauf zu finden, wie und warum sie entstehen.

Fast alle identifizierten FRBs stammen aus dem Weltraum außerhalb unserer Milchstraße. Bis April 2020 wurde der erste galaktische FRB mit der Bezeichnung FRB 20200428 entdeckt. Dieser FRB wurde von einem Magnetar (SGR J1935+2154) erzeugt, einem dichten, stadtgroßen Neutronenstern mit einem unglaublich starken Magnetfeld.

Diese bahnbrechende Entdeckung ließ einige glauben, dass FRBs, die in kosmologischen Entfernungen außerhalb unserer Galaxie identifiziert wurden, möglicherweise auch von Magnetaren erzeugt werden. Der entscheidende Beweis für ein solches Szenario, eine Rotationsperiode aufgrund der Drehung des Magnetars, ist jedoch bisher unentdeckt geblieben. Neue Forschungen zu SGR J1935+2154 werfen Licht auf diese merkwürdige Diskrepanz.

Im Ausgabe vom 28. Juli der Zeitschrift Wissenschaftliche Fortschritteberichtet ein internationales Wissenschaftlerteam, darunter der UNLV-Astrophysiker Bing Zhang, über die fortgesetzte Überwachung von SGR J1935+2154 nach dem FRB im April 2020 und die Entdeckung eines weiteren kosmologischen Phänomens, das als Radiopulsarphase fünf Monate später bekannt ist.

Ein kosmologisches Rätsel lösen

Um sie bei ihrer Suche nach Antworten zu unterstützen, verlassen sich Astronomen teilweise auf leistungsstarke Radioteleskope wie das riesige Five-hundred-meter Aperture Spherical Radio Telescope (FAST) in China, um FRBs und andere Aktivitäten im Weltraum zu verfolgen. Mithilfe von FAST beobachteten Astronomen, dass FRB 20200428 und die spätere Pulsarphase aus verschiedenen Regionen im Wirkungsbereich des Magnetars stammten, was auf unterschiedliche Ursprünge hindeutet.

„FAST hat in 16,5 Stunden über 13 Tage hinweg von der Quelle aus 795 Impulse entdeckt“, sagte Weiwei Zhu, Hauptautor der Studie vom National Astronomical Observatory of China (NAOC). „Diese Pulse zeigen andere Beobachtungseigenschaften als die von der Quelle beobachteten Ausbrüche.“

Diese Dichotomie der Emissionsmodi aus der Region einer Magnetosphäre hilft Astronomen zu verstehen, wie und wo FRBs und verwandte Phänomene in unserer Galaxie und möglicherweise auch in weiteren kosmologischen Entfernungen auftreten.

Radioimpulse sind kosmische elektromagnetische Explosionen, ähnlich wie FRBs, strahlen jedoch typischerweise eine Helligkeit aus, die etwa zehn Größenordnungen geringer ist als die eines FRBs. Pulse werden typischerweise nicht in Magnetaren, sondern in anderen rotierenden Neutronensternen, sogenannten Pulsaren, beobachtet. Laut Zhang, einem korrespondierenden Autor des Artikels und Direktor des Nevada Center for Astrophysics, senden die meisten Magnetare die meiste Zeit keine Radioimpulse aus, wahrscheinlich aufgrund ihrer extrem starken Magnetfelder. Aber wie im Fall von SGR J1935+2154 werden einige von ihnen nach einigen Explosionsaktivitäten zu vorübergehenden Radiopulsaren.

Ein weiteres Merkmal, das Bursts und Pulse unterscheidet, sind ihre Emissions-„Phasen“, also das Zeitfenster, in dem in jeder Emissionsperiode Funkemissionen ausgesendet werden.

„Wie Pulse in Radiopulsaren werden die Magnetarpulse innerhalb eines engen Phasenfensters innerhalb der Periode emittiert“, sagte Zhang. „Das ist der bekannte ‚Leuchtturm‘-Effekt, nämlich, dass der Emissionsstrahl die Sichtlinie einmal pro Periode und nur während eines kurzen Zeitintervalls in jeder Periode überstreicht. Man kann dann die gepulste Radioemission beobachten.“

Zhang sagte, dass der FRB im April 2020 und einige später weniger energiereiche Ausbrüche in zufälligen Phasen emittiert wurden, die nicht innerhalb des in der Pulsarphase identifizierten Pulsfensters lagen.

„Dies deutet stark darauf hin, dass Impulse und Ausbrüche von unterschiedlichen Orten innerhalb der Magnetosphäre des Magneten ausgehen, was möglicherweise auf unterschiedliche Emissionsmechanismen zwischen Impulsen und Ausbrüchen schließen lässt“, sagte er.

Implikationen für kosmologische FRBs

Eine solch detaillierte Beobachtung einer galaktischen FRB-Quelle wirft Licht auf die mysteriösen FRBs, die in kosmologischen Entfernungen vorherrschen.

Es wurde beobachtet, dass sich viele Quellen kosmologischer FRBs – solche, die außerhalb unserer Galaxie vorkommen – wiederholen. In einigen Fällen hat FAST Tausende von wiederholten Ausbrüchen aus wenigen Quellen erkannt. Mit diesen Ausbrüchen wurden in der Vergangenheit umfassende Suchen nach Periodizitäten im Sekundenbereich durchgeführt, und bisher wurde keine Periode entdeckt.

Laut Zhang wirft dies Zweifel an der weit verbreiteten Vorstellung auf, dass sich wiederholende FRBs in der Vergangenheit von Magnetaren angetrieben wurden.

„Unsere Entdeckung, dass Bursts dazu neigen, in zufälligen Phasen erzeugt zu werden, liefert eine natürliche Interpretation für die Nichterkennung von Periodizität durch sich wiederholende FRBs“, sagte er. „Aus unbekannten Gründen neigen Ausbrüche dazu, von einem Magnetar in alle Richtungen ausgestrahlt zu werden, was es unmöglich macht, Perioden von FRB-Quellen zu identifizieren.“