Die Schnellen Radioausbrüche sind, mh, mysteriös?

FRBs, Fast Radio Bursts, Millisekunden andauernde kosmische Ausbrüche im Radiobereich

Ein FRB, ein sogenannter Fast Radio Burst, oder zu Deutsch etwa „Schneller Radioausbruch“, ist ein oftmals nur wenige Millisekunden andauerndes Signal im Radiobereich, welche hochenergetisch sind. Die meisten Signale dauern nur weniger als eine Handvoll Millisekunden an, gehen in der Frequenz schnell abwärts, deren Quelle entgangen eine Energie, wie die Sonne sie in drei Tagen insgesamt erzeugen würde, dennoch kommen sie nur als äußerst schwache Signale bei uns auf der Erde an, und zwar tausendmal schwächer als Radiosignale eines Smartphones in der Entfernung des Mondes.
Weil diese in der Regel sich nicht wiederholen, wurden sie erstens erst 2007 entdeckt und zweitens zwar schwer zu observieren, aber äußerst interessant für Astronomen. Bis heute, Ende des Jahres 2020 gibt es keine abschließende Erklärung für dieses Phänomen. Das bringt uns gleich zur ersten Frage: Was für Fast Radio Bursts wurden denn bisher entdeckt?

Ein bisschen Forschungsgeschichte

Ein kleineres Forscherteam bestehend aus 5 Wissenschaftler um inklusive Duncan Lorimer und David Narkevic der West Virgina University entdeckten den ersten Fast Radio Burst: Lorimer beauftragte Narkevic die Datenarchive des Parkes-Observatory, einem Radioteleskop in Australien. Durch Zufall fand er in den Daten des 24. Juli 2001 ein Signal, welches weniger als 5 Millisekunden anhielt, während in dieser Zeit die Frequenz des Signals sich stark verkleinerte. Die Signalstärke war 30 Jansky stark (1 Jansky ist 10-26 W m-2 Hz-1 oder 1026 Watt durch Quadratmeter und Hertz). Die Zahl sieht zwar unglaublich klein aus, was sie auch ist, sind aber normale Zahlen der Flussdichten astronomischer Objekte. Das Signal kam 3° von der Kleinen Magellanschen Wolken entfernt herein. Wobei sie durch Modelle des Gehalts an freien Elektronen ermittelt haben, dass das Signal weniger als 1 Gigaparsec, also ca. 3,262 Mrd. Lichtjahre entfernt sein muss, denken sie wegen den physikalischen Eigenschaften des Radioausbruchs nicht, dass er zur Kleinen Magellanschen Wolke oder zur Milchstraße gehört.
Das bedeutet, dass die elektromagnetische Energie, die am hochenergetischsten war, zuerst empfangen wurde. Die Wissenschaftler erklärten sich dies mit der Dispersion, also genau dieser Effekt, dass die hochenergetischsten Strahlungen schneller durch ein Medium kommen als niederenergetische Strahlungen.

Aber halt, hier ist von einem Medium die Rede, im Weltraum ist doch kein Medium, oder? Tatsächlich haben wir auch im Weltraum teilweise Partikel. Die Sonne, zum Beispiel, schleudert Sonnenwind in allen Richtungen ziemlich perfekt gleichmäßig von sich weg, was das Zeug hält, also muss es in ihrer Nähe Partikel geben. Gibt es eine Grenze, über die der Sonnenwind nicht kommt? Nun, es gibt zwar eine Art gestreckte Sphäre (Ellipsoid~), in der der Sonnenwind relativ frei ist, obwohl der Sonnenwind an sich nicht plötzlich entscheiden kann, in eine andere Richtung zu strömen. Außerhalb, jedoch, wird der Sonnenwind plötzlich ziemlich gedämpft und dann ist das unser Interstellares Medium. Dort draußen, zwischen den Sternen gibt es Partikel, allerdings vielleicht nur 100 (heißes Plasma + äußerst dünn) bis 1 000 000 000 000 oder 1012 (hauptsächlich kühle Moleküle + sehr dünn; Die Luft in Meereshöhe hat 1025 Moleküle) Partikel pro Kubikmeter, aber das reicht den heißen Partikeln, die übrigens so heiß sind, dass sie ein Plasma sind, ein interstellares Magnetfeld zu erzeugen. Das ist unser Medium, das wir für die Dispersion brauchen. Das ist wichtig, denn es verrät uns auch die Entfernung eines Fast Radio Bursts, wenn wir die Stärke der Dispersion kennen.

Eine Auswahl an Entwicklung in diesem Forschungsfeld

2010 wurden weitere 16 Radiobursts am Parkes-Observatory entdeckt, die eine ähnliche Natur aufwiesen, jedoch ohne erkennbare Dispersion. Fünf Jahre später stellet sich heraus, dass Mikrowellen während der Mittagspausenzeit und auch nur werktags, die zu früh geöffnet wurden, für ganz ähnliche Impulse am Teleskop sorgte.

Mit dem Arecibo-Observatorium wurde damals im Jahre 2012 den ersten Fast Radio Burst ausfindig gemacht, der sich periodisch wiederholt, genannt FRB 121102, woran man das Entdeckungsdatum ableiten lässt: Es war der 02. November 2012. Er liegt im Sternbild des Fuhrmann.
Im November 2015 fand der Astronom Paul Scholz der McGill Universität aus Kanada 10 nichtperiodisch auftauchende schnelle Radiopulse als er die Daten vom Mai und Juni 2015 durchsah, jedoch haben alle zehn Radioausbrüche ähnelnde dreimal stärkere Dispersionssignale als es ein Radioausbruch in der Milchstraße zulassen würde und auch gleiche Himmelskoordinaten, deshalb ging das Entdeckungsteam nicht davon aus, dass es eine Ursache von zerstörerischer Natur, wie eine Kollision, ist. Die Ideen waren eher, dass zum Beispiel ein stark magnetisierter Neutronenstern, also ein Magnetar dahinterstecken könnte, oder ein Pulsar-Weißer-Zwerg-Doppelstern, wobei der Pulsar dabei instabile Asteroidengürtel durchbrechen könnte.
Am 16. Dezember 2016 wurde die Entdeckung von sechs neuen FRBs bekannt, davon allein vier Stück am 19. November.
Astronomen, die die Daten vom Green Bank Telescope in der am meisten funkfreien Zone der Vereinigten Staaten, entdeckten am 26. August 2017 15 weitere Radioausbrüche bei Frequenzen von 5 bis 8 Gigahertz. Die Astronomen stellten fest, dass wohl die Quelle hinter den Fast Radio Bursts 121102 sich in einer Phase erhöhter Aktivität befindet.
Im Januar 2018 wurde erstmals Ideen breit, dass die Quelle der vielen Bursts ein Neutronenstern sein muss, der in der Nähe ein sehr starkes Magnetfeld, wie zum Beispiel von einem Schwarzen Loch oder eines Nebels, liegt.
Im April 2018 wurde von 21 weiteren Bursts berichtet, sowie vermutet, dass die Quelle in einer Zwerggalaxie mit einem aktiven, aber leuchtschwachen galaktischen Kern liegt, in einer Entfernung von um die drei Milliarden Lichtjahren.
Im September desselben Jahres wurden 72 Bursts innerhalb von nur 5 Stunden mithilfe eines neuralen Netzwerk entdeckt.
Am 03. September 2019 wurden 20 weitere Radioausbrüche am Funfhundert-Meter-Apertur-Teleskop (FAST) in China registriert und im Juni 2020 berichteten Astronomen des britischen Jodrell-Bank-Observatory

2017 schätzten Anastasia Fialkov und Abraham Loeb die Zahl der stattfindenden FRBs auf einen FRB je Sekunde. Frühere Nachforschungen konnten keine Radioausbrüche identifzieren.

Das Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME) ist ein Radioteleskop, welches die Aufgabe hat, Hunderte Fast Radio Bursts am Himmel zu entdecken. Es ist seit September 2018 operationsfähig, wobei sein erstbeobachteter Radioausbruch schon am 25. Juli 2018 war. Dessen Frequenz war um die 780 MHz bloß, frühere Entdeckungen hatten immer eine höhere Frequenz.

Im September 2019 konnte erstmals ein Fast Radio Burst zu seinem Ursprung zurückverfolgt werden: Eine 3,6 Milliarden Lichtjahre entfernte Galaxie, welche ähnlich groß wie die Milchstraße ist und die Quelle innerhalb der Galaxie ist etwa tausendmal kleiner, was allerdings immer noch ein Radius von etwa 80 Lichtjahren sein dürfte. Damit dürfte es vermutlich ein Sternentstehungsgebiet sein, welches eine Heimat zu vielen jungen und heißen Sternen ist, genauso wie Magnetare, offensichtlich.

Am 28. April 2020 beobachteten Astronomen von CHIME und von STARE2 unabhängig voneinander die Entdeckung eines Fast Radio Bursts etwa 30 Tsd. Lichtjahre weit weg und damit noch in unserer Galaxie. Auch die Quelle wurde ausgemacht, der Radioausbruch kam aus der Richtung des Magnetars SGR 1935+2154. Allerdings hatte dieser Burst eine Flussdichte von größer als 1,5 Megajansky mal Millisekunde, welches die Vermutung allerdings vergrößert, dass dies auch ein FRB war, weil die Flussdichte nur so hoch sein kann, weil die Entfernung zu diesem Kandidaten immens viel kleiner war als die sonstigen FRBs in Milliarden Lichtjahren Entfernung.

Mögliche Entstehungstheorien und Herkunftstheorien

Die Herkunft des Fast Radio Bursts decken sich mit dem Himmelsort des Magnetars SGR 1935+2134. Bildquelle: “A fast radio burst associated with a Galactic
magnetar”, C. D. Bochenek et al.; https://arxiv.org/pdf/2005.10828.pdf

Wir haben uns nun die FRBs genauer angeschaut, und wir können nun sagen, dass es so scheint, als ob noch keine Erklärung des Entstehens oder des Ursprungs wirklich anerkannt ist, aber dass dennoch nach kleinen Objekten von weniger als vielleicht 100 km gesucht wird, die sich deswegen auch sehr schnell drehen, damit Radioblitze von nur zwei, drei Millisekunden möglich wären, sowie inklusive eines Magnetfelds. Rein zufällig passt diese Beschreibung auf die Magnetare, auf die es tatsächlich auch das Indiz gibt, weil der FRB 200428, der im April 2020 in der Milchstraße entdeckt wurde, liegt auch genau in die Richtung und Entfernung des Magnetars SGR 1935+2154 innerhalb der Milchstraße.

Quellen:

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