Wissenschaftler lokalisieren den Ursprung eines schnellen Funkausbruchs

Schnelle Radiostöße sind kurze und brillante Explosionen von Radiowellen, die von extrem kompakten Objekten wie Neutronensternen und möglicherweise Schwarzen Löchern ausgesendet werden. Dieses flüchtige Feuerwerk dauert nur eine Tausendstelsekunde und kann eine enorme Energiemenge transportieren – genug, um kurzzeitig ganze Galaxien in den Schatten zu stellen.

Seit der Entdeckung des ersten Fast Radio Burst (FRB) im Jahr 2007 haben Astronomen Tausende von FRBs entdeckt, deren Standorte von innerhalb unserer eigenen Galaxie bis zu einer Entfernung von bis zu 8 Milliarden Lichtjahren reichen. Wie genau diese kosmischen Radiofackeln abgefeuert werden, ist eine höchst umstrittene Unbekannte.

Nun haben Astronomen am MIT mithilfe einer neuartigen Technik, die das Gleiche auch bei anderen FRBs bewirken könnte, die Ursprünge von mindestens einem schnellen Radioausbruch geklärt. In ihrer neuen Studie erscheinen im Tagebuch Naturkonzentrierte sich das Team auf FRB 20221022A – einen zuvor entdeckten schnellen Radioausbruch, der in einer etwa 200 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie entdeckt wurde.

Das Team konzentrierte sich weiter darauf, den genauen Standort des Funksignals zu bestimmen, indem es dessen „Szintillation“ analysierte, ähnlich wie Sterne am Nachthimmel funkeln. Die Wissenschaftler untersuchten Veränderungen in der Helligkeit des FRB und stellten fest, dass der Ausbruch in unmittelbarer Nähe seiner Quelle stattgefunden haben muss und nicht viel weiter draußen, wie einige Modelle vorhergesagt haben.

Das Team schätzt, dass FRB 20221022A aus 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. Aus so geringer Entfernung entstand der Ausbruch wahrscheinlich aus der Magnetosphäre des Neutronensterns – einer stark magnetischen Region, die den ultrakompakten Stern unmittelbar umgibt.

Die Ergebnisse des Teams liefern den ersten schlüssigen Beweis dafür, dass ein schneller Funkstoß aus der Magnetosphäre stammen kann, der stark magnetischen Umgebung, die ein extrem kompaktes Objekt unmittelbar umgibt.

„In diesen Umgebungen von Neutronensternen liegen die Magnetfelder wirklich an der Grenze dessen, was das Universum erzeugen kann“, sagt Hauptautorin Kenzie Nimmo, Postdoktorandin am Kavli Institute for Astrophysics and Space Research des MIT. „Es gab viele Debatten darüber, ob diese helle Radioemission überhaupt aus diesem extremen Plasma entkommen könnte.“

„Um diese hochmagnetischen Neutronensterne, auch Magnetare genannt, können keine Atome existieren – sie würden einfach durch die Magnetfelder auseinandergerissen werden“, sagt Kiyoshi Masui, außerordentlicher Professor für Physik am MIT.

„Das Aufregende dabei ist, dass wir feststellen, dass sich die in diesen Magnetfeldern in der Nähe der Quelle gespeicherte Energie verdreht und neu konfiguriert, sodass sie als Radiowellen freigesetzt werden kann, die wir in der Mitte des Universums sehen können.“

Zu den MIT-Co-Autoren der Studie gehören Adam Lanman, Shion Andrew, Daniele Michilli und Kaitlyn Shin sowie Mitarbeiter mehrerer Institutionen.

Burst-Größe

Dank des Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME) haben in den letzten Jahren immer mehr schnelle Funkausbrüche entdeckt. Das Radioteleskop-Array besteht aus vier großen, stationären Empfängern, die jeweils wie eine Halbröhre geformt sind und darauf abgestimmt sind, Funkemissionen in einem Bereich zu erkennen, der sehr empfindlich auf schnelle Funkstöße reagiert.

Seit 2020 hat CHIME Tausende von FRBs aus dem gesamten Universum entdeckt. Während sich Wissenschaftler im Allgemeinen darüber einig sind, dass die Ausbrüche von extrem kompakten Objekten ausgehen, ist die genaue Physik, die die FRBs antreibt, unklar.

Einige Modelle sagen voraus, dass schnelle Funkausbrüche aus der turbulenten Magnetosphäre kommen sollten, die ein kompaktes Objekt unmittelbar umgibt, während andere vorhersagen, dass die Ausbrüche viel weiter draußen entstehen sollten, als Teil einer Stoßwelle, die sich vom zentralen Objekt weg ausbreitet.

Um zwischen den beiden Szenarien zu unterscheiden und zu bestimmen, wo schnelle Funkausbrüche entstehen, betrachtete das Team die Szintillation – den Effekt, der auftritt, wenn Licht von einer kleinen hellen Quelle wie einem Stern durch ein Medium wie das Gas einer Galaxie dringt.

Während das Sternenlicht das Gas durchdringt, verbiegt es sich auf eine Weise, die für einen entfernten Beobachter den Eindruck erweckt, als würde der Stern funkeln. Je kleiner oder je weiter ein Objekt entfernt ist, desto mehr funkelt es. Das Licht von größeren oder näheren Objekten, wie etwa Planeten in unserem eigenen Sonnensystem, erfährt eine geringere Biegung und scheint daher nicht zu funkeln.

Das Team kam zu dem Schluss, dass sie, wenn sie den Grad der Szintillation eines FRB abschätzen könnten, möglicherweise die relative Größe der Region bestimmen könnten, aus der der FRB stammt. Je kleiner die Region, 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, desto weiter entfernt wäre der Ausbruch, was die Annahme stützt, dass FRBs von weit entfernten Schockwellen herrühren.

Funkelndes Muster

Um ihre Idee zu testen, schauten sich die Forscher FRB 20221022A an, einen schnellen Funkausbruch, der 2022 von CHIME entdeckt wurde. Das Signal dauert etwa zwei Millisekunden und ist hinsichtlich seiner Helligkeit ein relativ gewöhnlicher FRB.

Die Mitarbeiter des Teams an der McGill University stellten jedoch fest, 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 interpretiert, dass der FRB-Emissionsort rotiert – eine Eigenschaft, die zuvor bei Pulsaren beobachtet wurde, bei denen es sich um stark magnetisierte, rotierende Neutronensterne handelt.

Eine ähnliche Polarisation bei schnellen Radioausbrüchen zu beobachten, war ein Novum, was darauf hindeutet, dass das Signal möglicherweise aus der unmittelbaren Umgebung eines Neutronensterns stammt. Die Ergebnisse des McGill-Teams sind gemeldet in einem Begleitpapier in Natur.

Das MIT-Team erkannte, dass, wenn FRB 20221022A aus der Nähe eines Neutronensterns stammte, dies mithilfe von Szintillation nachgewiesen werden sollte.

In ihrer neuen Studie analysierten Nimmo und ihre Kollegen Daten von CHIME und beobachteten starke Helligkeitsschwankungen, die auf Szintillation hindeuteten – mit anderen Worten, der FRB funkelte. Sie bestätigten, dass sich irgendwo zwischen Teleskop und FRB Gas befindet, das die Radiowellen beugt und filtert.

Das Team ermittelte dann, wo sich dieses Gas befinden könnte, und bestätigte, dass Gas in der Muttergalaxie des FRB für einen Teil der beobachteten Szintillation verantwortlich war. Dieses Gas fungierte als natürliche Linse und ermöglichte es den Forschern, den FRB-Standort zu vergrößern und festzustellen, dass der Ausbruch aus einer extrem kleinen Region mit einer geschätzten Breite von etwa 10.000 Kilometern stammte.

„Das bedeutet, dass der FRB wahrscheinlich nur Hunderttausende Kilometer von der Quelle entfernt ist“, sagt Nimmo. „Das ist sehr nah. Zum Vergleich: Wir würden erwarten, dass das Signal mehr als Dutzende Millionen Kilometer entfernt wäre, wenn es von einer Schockwelle stammen würde, und wir würden überhaupt kein Funkeln sehen.“

„Aus einer Entfernung von 200 Millionen Lichtjahren auf eine Region von 10.000 Kilometern heranzuzoomen, ist so, als könnte man die Breite einer etwa 2 Nanometer breiten DNA-Helix auf der Mondoberfläche messen“, sagt Masui. „Es gibt eine erstaunliche Bandbreite an Maßstäben.“

Die Ergebnisse des Teams schließen zusammen mit den Erkenntnissen des McGill-Teams die Möglichkeit aus, dass FRB 20221022A am Rande eines kompakten Objekts aufgetaucht ist. Stattdessen beweisen die Studien zum ersten Mal, dass schnelle Radioausbrüche aus der Nähe eines Neutronensterns in äußerst chaotischen magnetischen Umgebungen entstehen können.

„Diese Ausbrüche kommen immer vor und CHIME erkennt mehrere pro Tag“, sagt Masui. „Es kann sehr unterschiedlich sein, wie und wo sie auftreten, und diese Szintillationstechnik wird wirklich nützlich sein, um dabei zu helfen, die verschiedenen physikalischen Faktoren zu entwirren, die diese Ausbrüche antreiben.“

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.