Gravitationswellen könnten uns Einblicke in schnelle Funkausbrüche geben

Schnelle Radiostöße (FRBs) sind mysteriöse Energieimpulse, die zwischen dem Bruchteil einer Millisekunde und etwa drei Sekunden andauern können. Die meisten von ihnen stammen von außerhalb der Galaxie, obwohl festgestellt wurde, dass einer von einer Quelle innerhalb der Milchstraße stammt. Einige von ihnen wiederholen sich auch, was ihr Mysterium nur noch verstärkt.

Obwohl Astrophysiker glauben, dass ein hochenergetischer astrophysikalischer Prozess die wahrscheinliche Quelle von FRBs ist, sind sie sich nicht sicher, wie sie erzeugt werden. Forscher nutzten Gravitationswellen (GWs), um eine nahegelegene, bekannte FRB-Quelle zu beobachten und zu versuchen, sie besser zu verstehen.

Die einzige bestätigte FRB-Quelle in der Milchstraße ist ein Neutronenstern mit einem starken Magnetfeld – ein Magnetar – mit dem Namen SGR 1935+2154. Sein FRB wurde 2020 entdeckt und war der erste, der mit einer Quelle verbunden wurde. Obwohl SGR 1935+2154 etwa 20.000 Lichtjahre entfernt ist, ist es immer noch nah genug, um untersucht zu werden.

In neuer Forschung veröffentlicht In Das Astrophysikalische Journalverwendeten Wissenschaftler den britisch-deutschen Gravitationswellendetektor GEO600, um mögliche Zusammenhänge zwischen den FRBs und Gravitationswellen zu untersuchen. Die Forschung trägt den Titel „A Search Using GEO600 for Gravitational Waves Coincident with Fast Radio Bursts from SGR 1935+2154“ und der Hauptautor ist AG Abac vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik.

FRBs sind außerordentlich energiereich, ebenso wie Magnetare. Die Verbindung eines FRB mit dem Magnetar SGR 1935-2154 ist ein großer Schritt zum Verständnis von FRBs, obwohl noch eine ganze Reihe unbeantworteter Fragen bestehen. Einige Magnetare emittieren wiederholt FRBs und leuchten auch im Röntgenlicht. Magnetare können starke Sternbeben erleben, wenn die Spannung in ihrer Kruste nachlässt und die freigesetzte Energie das Magnetfeld des Magnetars erschüttert, wodurch FRBs und Röntgenstrahlen freigesetzt werden. Forscher haben sich gefragt, ob dieselben Beben möglicherweise Gravitationswellen erzeugen.

Kann die Beobachtung des Magnetars für GWs einen Einblick in Magnetare und die Prozesse, die FRBs erzeugen, öffnen?

„Die nahezu gleichzeitige Beobachtung schneller Radioausbrüche und Gravitationswellen eines Magnetars wäre der Beweis, nach dem wir schon lange gesucht haben“, sagte James Lough, leitender Wissenschaftler des deutsch-britischen Gravitationswellendetektors GEO600 am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover.

Eine gleichzeitige Beobachtung von FRBs und GWs könnte den gemeinsamen Ursprung der vom Neutronenstern erzeugten Sternbeben bestätigen. „Deshalb haben wir mit einem internationalen Team zusammengearbeitet, um Daten zu analysieren, die wir mit GEO600 aufgenommen haben, während ein Magnetar vor unserer kosmischen Haustür schnelle Funkstöße aussendete“, fügt Lough hinzu.

Wenn der Magnetar GWs erzeugt, werden sie stark sein, wenn sie unsere Detektoren erreichen, und ihre Auswirkungen sollten leichter zu beobachten sein. Zwischen April 2020 und Oktober 2022 produzierte SGR 1935+2154 drei Episoden FRBs und GEO600 hörte zu. Der GW-Detektor ist Teil des globalen Netzwerks von GW-Detektoren.

„Es war wichtig, dass GEO600 die Beobachtung fortsetzen konnte, während sich alle anderen Detektoren in einer Upgrade-Phase befanden“, erklärte Lough. „Andernfalls hätten wir die Gelegenheit verpasst, Gravitationswellendaten während dieser faszinierenden Ereignisse zu erhalten, die sich so nah an uns ereignen.“

Leider ergab eine sorgfältige Analyse der GEO600-Daten keine Hinweise auf GWs. Die Beobachtungen des Detektors waren jedoch dennoch wertvoll. Da der Magnetar uns so nahe ist, lieferte selbst die fehlende Entdeckung einige neue Informationen.

Dies ist nicht das erste Mal, dass Wissenschaftler GW-Detektoren verwenden, um nach GWs zu suchen, die gleichzeitig mit FRBs emittiert werden, sowie nach GWs von Magnetarausbrüchen und Pulsarstörungen. Verschiedene Forscher haben die leistungsstärkeren Kooperationen LIGO, Virgo und KAGRA (LVK) genutzt, um sie erfolglos zu finden.

„Obwohl in diesen Studien keine Entdeckungen gefunden wurden, haben die Durchsuchungen Obergrenzen für die GW-Energie festgelegt, die möglicherweise im Zusammenhang mit diesen Ereignissen emittiert wurde“, schreiben die Autoren in ihrer Forschung.

Die LVK-Detektoren sind größer und leistungsfähiger als GEO600. Ihre Daten zeigen, dass die maximal mögliche Gravitationswellenenergie, die während der FRBs des Magnetars in den Jahren 2020 bis 2022 hätte ausgesendet werden können, ohne entdeckt zu werden, bis zu 10.000 Mal kleiner gewesen sein muss, als Astronomen aus früheren Studien angenommen hatten.

Verschiedene Modelle erklären, wie GWs in FRBs erzeugt werden, und die GW-Beobachtungen sind noch nicht empfindlich genug, um zwischen ihnen zu unterscheiden. Durch die Festlegung von Grenzen für die Stärke der GWs liefern die GW-Beobachtungen jedoch immer noch Informationen, die den Wissenschaftlern helfen, ihre Modelle zu verfeinern.

Der Versuch, GWs und FRBs zu verbinden, steht erst am Anfang. Während LIGO/Virgo den Magnetar während seiner letzten FRBs nicht beobachten konnte, werden sie hoffentlich in der nächsten Episode einsatzbereit sein. Diesmal wurden ihre Wirksamkeit und Empfindlichkeit verbessert.

Seit langem haben Astrophysiker die Theorie aufgestellt, dass Magnetare die Quelle von FRBs sind, und der Nachweis von FRBs aus SGR 1935+2154 bestätigt dies, zumindest für einige FRBs. Der genaue Mechanismus hinter ihrer Entstehung ist jedoch noch unklar. „Der Zusammenhang zwischen diesen Magnetarausbrüchen und FRBs ist kaum verstanden, wird aber wahrscheinlich durch unterschiedliche physikalische Prozesse verursacht, auch wenn das zugrunde liegende Magnetarverhalten möglicherweise damit zusammenhängt“, schreiben die Autoren in ihrer Schlussfolgerung.

Wenn zukünftige GW-Beobachtungen des Magnetars mit den modernisierten LIGO/Virgo- und KAGRA-Observatorien zeigen können, dass GWs gleichzeitig mit FRBs emittiert werden, wäre das eine enorme Entwicklung. „Angesichts der erhöhten Empfindlichkeit dieser Detektoren im Vergleich zu GEO600 könnte jeder SGR 1935+2154 FRB während des Rests von O4 (Beobachtungslauf 4) eine weitere Gelegenheit bieten, die GW-FRB-Verbindung zu untersuchen“, erklären die Autoren der Studie.

„Dann könnte es schon bald spannend werden. Wir hoffen, dass der Magnetar, der seit zwei Jahren ruhig war und keine Funkstöße aussendete, in den nächsten Monaten wieder aktiv wird“, sagt Karsten Danzmann, Direktor am AEI und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover.

Das internationale Detektornetzwerk befindet sich mitten in einem Beobachtungslauf, der bis Juni 2025 andauern wird. „Mit den Daten der empfindlicheren Instrumente werden wir noch genauer untersuchen können, ob die schnellen Radioausbrüche von Magnetaren von Gravitationswellen begleitet werden und so.“ vielleicht ein sehr altes Rätsel lösen“, sagt Danzmann.