FAST RADIO BURSTS

Forscher spionieren einen schnellen Funkstoß mit einem periodischen Signal aus

CHIME erkennt einen entfernten schnellen Funkstoß mit periodischen Elementen, die in das Signal selbst eingebettet sind.
Foto mit freundlicher Genehmigung von CHIME, Hintergrund bearbeitet von MIT News

Fast Radio Bursts (FRBs) gehören zu den rätselhaftesten Funksignalen im Universum. Erstens sind sie kurz. Typischerweise dauert ein FRB nur einen Bruchteil einer Sekunde. Sie sind auch hell – so hell, dass sie in fernen Galaxien gesehen werden können, wobei ein FRB kurzzeitig mehr Energie abgibt, als die Sonne an einem Tag erzeugt. Drittens haben FRBs eine extreme Vielfalt in ihren Signalen: Einige wiederholen sich regelmäßig, während andere nur einmal gesehen werden. Schließlich sind ihre Ursprünge umstritten, während einige FRBs von einer Art stellarer Überreste stammen, die als Magnetare bekannt sind, sind Wissenschaftler nicht sicher, ob sie für jedes Signal verantwortlich sind.

Und obwohl in den letzten Jahren viele tausend FRBs aufgezeichnet wurden, befindet sich das Feld immer noch in einem Stadium, in dem ein einzelnes Ereignis besonders genug sein kann, um unser Verständnis von FRBs auf den Kopf zu stellen.

Geben Sie FRB 20191221A ein, das Ende 2019 vom Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME) entdeckt wurde, einem Radioteleskop in British Columbia, Kanada, das seit seiner Inbetriebnahme im Jahr 2018 viele der bemerkenswertesten FRBs gefunden hat. Und FRB 20191221A ist es keine Ausnahmen.

Die CHIME-Kollaboration berichtete am 13. Juli in der Zeitschrift Nature über ihre Entdeckung, da dieser FRB mehrere einzigartige Merkmale aufweist. Erstens war es das FRB-Signal mit der längsten Dauer, das jemals aufgezeichnet wurde. Während die meisten FRBs nur den Bruchteil einer Sekunde dauern, dauerte FRB 20191221A ungefähr drei Sekunden, etwa tausendmal länger als der durchschnittliche FRB.

Als ob das nicht ungewöhnlich genug wäre, entdeckten Astronomen, dass es innerhalb des FRB-Impulses selbst eine Struktur gab. Insbesondere waren im Signal mindestens neun deutliche Rauschspitzen verborgen, die eine verblüffende Regelmäßigkeit aufwiesen. „Diese Peaks traten in einem genauen Zeitraum von etwa 0,2 Sekunden auf“, sagt Co-Autor Daniele Michilli, Postdoc am MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, gegenüber Astronomy. Während Michelli und andere Astronomen in der Vergangenheit mehrere FRBs gefunden haben, bei denen Komponenten in das FRB-Signal selbst eingebettet waren, ist FRB 20191221A einzigartig. Laut Michilli „ist dies das erste Mal, dass das Signal selbst periodisch ist.“

Trübe Ursprünge

Das Auffinden einer solchen regelmäßigen Unterstruktur ist für Astronomen besonders aufregend, weil es bedeutet, dass das, was den FRB geschaffen hat, periodisch sein muss. Was ihnen hilft, einige verdächtige Ziele sofort auszuschließen. Beispielsweise kann der Ursprung des FRB keine Supernova-Explosion sein, da dies ein einmaliges Ereignis ist, das sich nicht regelmäßig wiederholen würde. Darüber hinaus erinnert das Timing des Substruktursignals in FRB 20191221A sehr an das, das von Neutronensternen (dichten Sternüberresten) in unserer eigenen Galaxie beobachtet wird.

Magnetar
Ein Magnetar, hier im Konzept dieses Künstlers zu sehen, ist ein junger Neutronenstern mit einem extrem starken Magnetfeld, etwa eine Milliarde Mal stärker als das der Erde.
ESO/L. Calçada.

Einige schnell rotierende Neutronensterne, Pulsare genannt. geben auf diesen Zeitskalen regelmäßige Funkimpulse ab. Aber obwohl sie dazu neigen, sich langsamer zu drehen, können ihre hochmagnetischen Cousins, Magnetare, diese Periodizität ebenfalls aufweisen. „Und wir glauben, dass dieses neue Signal ein Magnetar oder Pulsar auf Steroiden sein könnte“, erklärte Michilli in einer Pressemitteilung. Denn während die Analyse zeigt, dass FRB 20191221A von einem Magnetar stammen könnte, der sich in einer turbulenten Umgebung aus ionisiertem Gas befindet, ist die Intensität des Signals über eine Million Mal heller als jedes zuvor von einem Magnetar in unserer eigenen Milchstraße beobachtete.

Leider sieht es bisher so aus, als ob FRB 20191221A ein isoliertes Ereignis sein könnte. Während beobachtet wurde, dass sich viele FRBs Tage oder Monate später vom selben Ort wiederholen, wurden seit diesem ersten aufregenden Ausbruch im Jahr 2019 keine Wiederholungssignale von FRB 20191221A entdeckt. Warum einige FRBs sporadisch auftreten, ist nicht ganz klar. Aber Magnetare in unserer eigenen Galaxie können in der Stärke ihrer Ausbrüche sehr unterschiedlich sein. Es ist also möglich, dass das CHIME-Teleskop mit seinem Timing und seiner Ausrichtung außergewöhnlich viel Glück hatte, um diesen besonders hellen Ausbruch einzufangen.

Außerdem bleibt der genaue Ursprung des Signals unbekannt. Sie können zwar bestätigen, dass das Signal von einer Galaxie kam, die Milliarden Lichtjahre von unserer Milchstraße entfernt ist, aber das Sichtfeld des CHIME-Teleskops ist so, dass Astronomen den Ursprung eines FRB nur an einem Himmelsfleck von der Größe von a identifizieren können Vollmond. Dies bedeutet effektiv, dass Astronomen den Standort der für das Signal verantwortlichen Wirtsgalaxie nicht genau bestimmen können.

Glücklicherweise ist dies möglicherweise nicht mehr lange der Fall. Derzeit baut die CHIME-Kollaboration drei zusätzliche „Outrigger“-Teleskope in British Columbia, Kalifornien und West Virginia, unterstützt durch Zuschüsse in Höhe von etwa 10 Millionen US-Dollar von der Gordon and Betty Moore Foundation. In Zusammenarbeit mit dem ursprünglichen CHIME-Instrument werden die kombinierten Teleskope es der Zusammenarbeit ermöglichen, die Position jedes FRB-Signals auf einen Bereich des Himmels von der Größe eines Viertels zu lokalisieren, der in einer Entfernung von etwa 25 Meilen gehalten wird. Astronomen hoffen, in den nächsten ein bis zwei Jahren die ersten Daten von den Auslegerstationen zu erhalten. Wenn FRB 20191221A zu diesem Zeitpunkt erneut platzt, sind sie bereit.


Yvette Cendes ist Radioastronomin am Zentrum für Astrophysik | Harvard & Smithsonian. Du kannst ihr folgen Twitter @whereisyvette.

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