"Ein kleines Detail zum Spitler-Ausbruch" – das war die unscheinbare Betreff-Zeile einer E-Mail, die am 5. November 2015 kurz nach 15 Uhr auf dem Computer-Bildschirm von Shami Chatterjee erschien. Doch als Chatterjee die E-Mail las, stockte ihm der Atem. Er stürmte aus seinem Büro an der Cornell University in Ithaca im US-Bundesstaat New York, um einen Kollegen am anderen Ende des Gangs über die Nachricht zu informieren. Als er 28 Minuten später begann, eine Antwort zu formulieren, trudelten bereits zahlreiche weitere E-Mails von Kollegen zum Thema ein – bis Mitternacht waren es 56.

Seit nahezu einem Jahrzehnt versuchen Chatterjee und andere Astrophysiker die physikalische Natur kurzer, extrem energiereicher Ausbrüche von Radiostrahlung zu ergründen, die aus dem Weltall auf der Erde eintreffen. Diese "schnellen Radioausbrüche" (englisch: fast radio bursts, FRBs) dauern nur wenige Millisekunden, aber sie sind die leuchtkräftigsten Radiosignale im Universum. Ihre Gesamtenergie entspricht bis zu 500 Millionen Sonnen. Der erste dieser rätselhaften Ausbrüche wurde 2007 von dem Astronomen Duncan Lorimer zufällig entdeckt, als er mit seinen Studenten alte Beobachtungsdaten durchforstete. Damals glaubten nur wenige Wissenschaftler, dass diese Ausbrüche wirklich existieren. Skeptiker vermuteten Interferenzen von Mobiltelefonen oder Streustrahlung von Mikrowellen als Ursache der Signale. Doch als mehr und mehr schnelle Radioausbrüche aufgespürt wurden – inzwischen sind es 26, darunter der von Laura Spitler in Daten von 2012 entdeckte und nach ihr benannte Ausbruch –, mussten die Wissenschaftler zugeben, dass es sich um ein reales kosmisches Phänomen handelt.

Was aber verursacht diese Ausbrüche? Dutzende von Modellen entwarfen die Forscher, die gesamte Skala astrophysikalischer Mysterien abdeckend – von UV-Ceti-Sternen (eruptiv veränderlichen Sterne) in unserer Milchstraße über Sternexplosionen, Verschmelzungen elektrisch geladener Schwarzer Löcher, Weiße Löcher, verdampfende Schwarzer Löcher und schwingende primordiale kosmische Strings bis hin zu Außerirdischen, die mit extragalaktischen Lichtsegeln durchs Weltall kreuzen. Für die Wissenschaftler glichen die Radioausbrüche Blendgranaten in einem dunklen Wald: Ihre immense Energie, ihre kurze Dauer und ihre Unvorhersagbarkeit machten es unmöglich, die Quelle der Strahlung zu ergründen.

Mit Fleißarbeit zum Erfolg

Die E-Mail, die Chatterjee und seine Kollegen so in Aufregung versetzte, hat all das geändert. Der Absender war Paul Scholz, Student im Aufbaustudium an der McGill University in Montreal und Mitglied in Chatterjees Team. Er war dabei, eine astrophysikalische Fleißarbeit durchzuführen, nämlich alle Beobachtungsdaten aus der Region des Spitler-Ausbruchs mit Hilfe eines Supercomputers zu durchforsten, um festzustellen, ob es von dieser Quelle vielleicht ein zweites Signal gab. Seit zwei Jahren war Scholz bereits damit beschäftigt – gefunden hatte er nichts, entsprechend gering waren die Erwartungen zu jener Zeit, erinnert sich Chatterjee.

Magnetar
© NASA / Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab
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Künstlerische Darstellung eines Magnetars, eines Neutronensterns mit einem extrem starken Magnetfeld.

Aber dann stieß Scholz plötzlich auf eine Wiederholung des Ausbruchs, eine "ebenso erstaunliche wie erschreckende Entdeckung", so Chatterjee. Erstaunlich, "weil jeder doch wusste, dass sich schnelle Radioausbrüche nicht wiederholen", und erschreckend mit Blick auf die enorme Energie, die bereits für eine einzelnen Ausbruch nötig ist. Die Energie von 500 Millionen Sonnen abzustrahlen, ist heftig – es ein zweites Mal zu tun, allerdings noch weit heftiger.

Die Entdeckung bedeutete das sofortige Ende für eine große Anzahl zuvor vorgeschlagener Modelle – zumindest für diesen einen Radioausbruch. Jedes Modell, das von einer einmaligen Katastrophe ausging – sei es der Blitz einer Sternexplosion oder die Verschmelzung von Sternen oder Schwarzen Löchern –, war aus dem Rennen. Doch immer noch blieben viele Modelle, einige basierend auf Quellen in unserer Milchstraße, andere, die von Ursachen in weit entfernten Galaxien ausgehen.

Da der sich wiederholende Ausbruch die Optionen einschränkte, wagte sich Scholz vor: Bei der Quelle könne es sich um einen "extragalaktischen Magnetar" handeln, schrieb er in seiner ersten E-Mail, also um einen jungen Neutronenstern mit einem extrem starken Magnetfeld. Die erste Antwort darauf kam von Maura McLaughlin, Astrophysikerin an der West Virginia University: "WOW! Ein extragalaktischer Radio-Magnetar, das klingt für mich korrekt." Rasch wurde dieses Modell zur populärsten Theorie für die schnellen Radioausbrüche, aber sie war keineswegs frei von Problemen, und sie blieb auch nicht die einzige Theorie.

Um die wahre Natur der Ausbrüche zu ergründen, müssen die Forscher zunächst den genauen Ort der Strahlungsquelle lokalisieren. Das ist jedoch gar nicht so einfach. Damit ein schneller Radioausbruch überhaupt entdeckt wird, muss ein Radioteleskop zufällig gerade in die Richtung schauen, in der der Ausbruch am Himmel erscheint. Das erklärt, warum innerhalb eines Jahrzehnts lediglich 26 schnelle Radioausbrüche aufgespürt wurden. Beobachtungszeit an Teleskopen ist kostbar, und es gibt einfach nicht genug Instrumente, um jede Region des Himmels zu beobachten und abzuwarten. Aber selbst wenn ein schneller Radioausbruch entdeckt wurde, können die Forscher nicht sagen, wo genau innerhalb des Gesichtsfelds des Radioteleskops sich die Quelle befindet. Um den Ausbruch genauer zu lokalisieren, müssen die Astronomen ihn mit mehreren Teleskopen beobachten und die Daten miteinander vergleichen.

Jetzt eröffnete sich dafür eine gewisse Chance – jedenfalls, wenn sich der Spitler-Ausbruch ein drittes Mal zeigen sollte.

Blitze im Dunkeln

Innerhalb weniger Stunden, nachdem Scholz seine E-Mail an etwa 40 Wissenschaftler verschickt hatte – Mitarbeiter des Projekts "Pulsar Arecibo L-band Feed Array Survey" –, sicherte sich eine Gruppe dieser Forscher Beobachtungszeit am Very Large Array (VLA), jener Anlage aus 27 Radioteleskopen im US-Bundesstaat New Mexico, die in dem Sciencefiction-Film "Contact" gezeigt wird. Das VLA ist groß genug, um die kombinierten Messungen durchzuführen, die für eine Lokalisierung des Ausbruchs nötig sind. Zunächst bat das Team um zehn Stunden VLA-Zeit, innerhalb derer die Forscher die relevante Region am Himmel alle paar Millisekunden abscannen wollten – in der Hoffnung, einen weiteren Ausbruch zu erwischen. "Es ist, als ob man einen Film der Himmelsregion mit 200 Bildern pro Sekunde aufnimmt", sagt Chatterjee, der das Team mit leitet. "Wir drehten diesen Film zehn Stunden lang und sahen nichts."

Die Forscher beantragten erneut VLA-Zeit, diesmal 40 Stunden, und drehten einen weiteren Film der Himmelsregion mit 200 Bildern pro Sekunde. Und wieder sahen sie nichts. Beunruhigt bettelten sie um weitere Beobachtungszeit. Es gelang ihnen, das Management des VLA zu überzeugen, ihnen noch einmal 40 Stunden zu gewähren. Und diesmal stießen sie während eines Testlauf auf einen Strahlungsblitz.

"Es sieht so aus, als ob der Radioausbruch heute zum Spielen herausgekommen ist", schrieb der diensthabende Beobachter Casey Law in einer E-Mail an die anderen Mitglieder des Teams. Die Quelle zeigte schließlich insgesamt acht weitere Ausbrüche. Dabei traten die einzelnen Ausbrüche völlig unregelmäßig auf. Nach insgesamt 50 Stunden ohne einen einzigen Ausbruch fand das Team nun gleich mehrere hintereinander, darunter einen Doppelausbruch mit nur 23 Sekunden Abstand.

Die wiederholten Ausbrüche ermöglichten es den Astronomen, die Strahlungsquelle zu lokalisieren. Zur Überraschung der meisten Forscher stammten die Ausbrüche aus einer etwas über drei Milliarden Lichtjahre entfernten irregulären Zwerggalaxie, wie sie in "Nature" darlegten. Das machte die Stärke des Signals und seine häufige Wiederholung umso erstaunlicher. "Wenn ein solcher heller Blitz aus mehreren Milliarden Lichtjahren Entfernung zu uns kommt, ist damit eine gewaltige Menge an Energie verbunden", sagt Chatterjee. "Und je mehr Energie bei einem solchen Ereignis freigesetzt wird, desto schwieriger wird es, wiederholte Ausbrüche zu erklären. Wir müssen uns fragen, was die Batterie so schnell wieder auflädt."

Magnetare als Lösung

Im Februar kamen in Aspen im US-Bundesstaat Colorado Experten zusammen, um erstmals nach der Lokalisierung des wiederholten Radioausbruchs darüber zu diskutieren. Die meisten Astrophysiker stimmten der Ansicht zu, dass sowohl die Entfernung als auch die Umgebung der Quelle zu der Theorie passen, dass es sich bei der Quelle um einen Magnetar handelt. Magnetare zählen zu den wenigen möglichen Kandidaten, die so starke Radiosignale aus so großer Entfernung zu uns senden können. Zudem sind Magnetare zumeist Überreste von extrem leuchtkräftigen Supernova-Explosionen des Typs I, die besonders häufig in irregulären Zwerggalaxien aufleuchten, wie Laura Spitler vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn betont. Solche Zwerggalaxien ähneln einigen der ersten Galaxien, die es im jungen Kosmos gab.

Jede der seit dem Urknall aufeinander folgenden Generationen von Sternen hat Protonen und Neutronen per Kernfusion in immer schwerere Elemente umgewandelt und damit den Anteil an schweren Elementen – von den Astronomen als "Metallizität" bezeichnet – im Kosmos erhöht. Irreguläre Zwerggalaxien sind jedoch wahrscheinlich aus Wasserstoff und Helium ohne schwerere Beimischungen entstanden, also aus seit dem Urknall nahezu unveränderter Materie. Ihre geringe Metallizität ermöglicht die Entstehung massereicherer Sterne. Und da solche extrem massereichen Sterne möglicherweise extrem starke Magnetfelder besitzen, bleiben bei ihrer Explosion stark magnetisierte Neutronensterne zurück, also Magnetare.

Doch selbst Befürworter des Magnetar-Szenarios wie Brian Metzger von der Columbia University geben zu, dass ganz besondere Magnetare nötig sind, um in schneller Folge mehrere schnelle Radioausbrüche zu produzieren. "Einem Neutronenstern, der jahrtausendelang solche Ausbrüche produziert, würde schnell die Energie ausgehen." Er vermutet daher, dass es sich bei dem sich wiederholenden Radioausbruch um einen sehr jungen Magnetar handelt – der möglicherweise weniger als 100 Jahre alt ist.

Das Very Large Array ist eine aus 27 Radioteleskopen bestehende Anlage im US-Bundesstaat New Mexico
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Das Very Large Array ist eine aus 27 Radioteleskopen bestehende Anlage im US-Bundesstaat New Mexico. Sie ist seit 1980 in Betrieb und ermöglicht die elektronische Kombination der mit den einzelnen Antennen empfangenen Signale – und so eine Bestimmung der Position der Strahlungsquelle am Himmel.

Wenn diese Theorie korrekt ist, dann haben die Astronomen – so zumindest eine Version der Geschichte – hier einen neugeborenen, extrem dichten Neutronenstern mit einem hochgradig instabilen Magnetfeld aufgespürt. Der Magnetar befindet sich innerhalb der expandierenden Trümmerwolke der vorangegangenen Supernova-Explosion. Immer wieder auftretende Rekonfigurationen des Magnetfelds pumpen Energie in diese Wolke aus Gas und Staub. Die Wolke absorbiert die Energie, und es kommt zur Bildung von Stoßwellen, die plötzlich große Mengen an Energie freisetzen: eben die Radioausbrüche.

Diese Vorstellung ist zwar noch rein hypothetisch, aber die Astrophysiker haben ein weiteres Indiz dafür gefunden, dass ihre Theorie korrekt ist: Die schnellen Radioausbrüche kommen aus derselben Region wie eine schwächere, aber gleichmäßige Radioemission. Dabei könnte es sich um von der expandierenden Trümmerwolke erzeugte Hintergrundstrahlung handeln. Durch die Expansion der Wolke sollte sich dieses Signal langsam verändern, erläutert Bryan Gaensler von der University of Toronto in Kanada: "Wenn wir das tatsächlich beobachten, unterstützt es das Modell des jungen Magnetars. Zudem liefert es uns Informationen über die Umgebung und die Entstehungsgeschichte des Magnetars."

Es gibt allerdings auch Probleme mit dem Magnetar-Modell, warnt Gaensler. Zunächst einmal: Warum haben wir keine schnellen Radioausbrüche von Magnetaren gesehen, die sich viel näher an der Erde befinden? So produzierte der in unserer Milchstraße gelegene Magnetar SGR 1806-20 im Dezember 2004 einen Ausbruch von Gammastrahlen, jedoch keinen Radioausbruch. "Wenn dieser Magnetar einen schnellen Radioausbruch wie die Spitler-Quelle verursacht hätte", so Gaensler, "dann wäre dieser so hell gewesen, dass wir ihn sogar mit Radioteleskopen empfangen hätten, die zu dem Zeitpunkt in eine völlig andere Richtung schauten."

Möglicherweise, so der Forscher weiter, bündeln Magnetare die schnellen Radioausbrüche in einem engen Strahl. "Dann würden wir den Ausbruch nur sehen, wenn dieser Strahl zufällig genau in unsere Richtung zeigt. Vielleicht produziert SGR 1806-20 ständig Radioausbrüche, strahlt sie jedoch in andere Richtungen ab. Wir wissen es nicht." Wie auch immer: Wenn die Forscher keine langsame Abschwächung der stetigen schwachen Radioquelle beobachten, die mit dem Spitler-Ausbruch zusammenhängt, dann wäre die Magnetar-Theorie reif für den astrophysikalischen Müllhaufen.

Aktive Galaxienkerne als Alternative?

Eine andere Idee, die von den Wissenschaftlern verfolgt wird, sieht aktive Galaxienkerne – extrem leuchtkräftige Strahlungsquellen in den Zentren mancher Systeme – als mögliche Verursacher der schnellen Radioausbrüche. Aktive Galaxienkerne erhalten ihre Energie von supermassereichen Schwarzen Löcher, und viele zeigen Materiestrahlen, Jets genannt, die auch schnelle Radioausbrüche erzeugen könnten. Doch diese Theorie ist weniger populär, so Metzger, weil sich aktive Galaxienkerne üblicherweise in großen Galaxien befinden und nicht in Zwerggalaxien.

Es gibt noch weitere Möglichkeiten. "Ständig kommen neue Theorien auf den Markt", sagt Emily Petroff, Astrophysikerin am Institut für Radioastronomie in den Niederlanden. "Immer wenn neue Beobachtungen über einen schnellen Radioausbruch publiziert werden, folgen sofort eine Reihe theoretischer Arbeiten, die diese Beobachtungen zu erklären versuchen. Hier können sich die Astronomen austoben, denn es kommt nicht oft vor, dass in der Astronomie die Beobachtungen der Theorie so weit vorauseilen."

Eine entscheidende Frage ist, ob der sich wiederholende Spitler-Ausbruch repräsentativ ist für alle schnellen Radioausbrüche, ob sich also letztlich alle dieser Ausbrüche wiederholen. Das könnte durchaus der Fall sein, wobei die Forscher in den meisten Fällen lediglich den ersten und hellsten Ausbruch sehen. "Die bislang vorliegenden Daten können diese Frage noch nicht beantworten", so Chatterjee.

Ein weites Feld der Möglichkeiten

Der wiederholte Ausbruch der Spitler-Quelle hat also mehr neue Fragen aufgeworfen als Antworten geliefert. Um mehr in Erfahrung zu bringen, müssen die Forscher mehr schnelle Radioausbrüche entdecken – und vor allem möglichst mehr sich wiederholende Ausbrüche. Die Wissenschaftler hoffen, weitere Quellen zu lokalisieren und zu überprüfen, ob die Ausbrüche grundsätzlich aus irregulären Zwerggalaxien stammen. Und ein Nachweis schwacher, stetiger Radioquellen auch bei weiteren schnellen Radioausbrüchen würde die Magnetar-Theorie stärken. Und natürlich planen die Astronomen eine Überwachung der stetigen Radioemission der Spitler-Quelle, um zu sehen, ob sich diese Strahlung im Einklang mit dem Magnetar-Modell verändert.

Vielleicht zeigt sich aber auch, dass nicht nur einer, sondern mehrere unterschiedliche astrophysikalische Mechanismen schnelle Radioausbrüche produzieren können. Radioteleskope der nächsten Generation wie das "Square Kilometer Array" können den Astronomen dabei helfen, mögliche Modelle zu bestätigen oder zu verwerfen. Manche der geplanten neuen Radioteleskope können große Bereiche des Himmels überwachen. Gaensler schätzt, dass sich mit ihnen an einem einzigen Tag so viele schnelle Radioausbrüche nachweisen lassen wie bislang in zehn Jahren. Bei jenen Ausbrüchen, die sich wiederholen, ließen sich dann die Quellen lokalisieren. Andere neue Instrumente, wie das am VLA geplante "Realfast", könnten sogar die Lokalisierung von Quellen ermöglichen, die nur einmal ausbrechen.

Wenn sich bezüglich der Herkunft der schnellen Radioausbrüche Muster zeigen und sich damit ihre physikalische Ursache herausschält, können die Wissenschaftler die Signale nutzen, um die Natur ihrer Herkunftsgalaxien zu erforschen und die Verteilung von Materie im Kosmos zu untersuchen. Schnelle Radioausbrüche, die aus unterschiedlichen Entfernungen zu uns gelangen, ermöglichen es, so der Astrophysiker Bing Zhang von der University of Nevada in Las Vegas, die Menge an Materie zu messen, die zwischen uns und der Quelle von der Strahlung durchquert wurde. Solche Untersuchungen könnten zeigen, ob das Universum tatsächlich so "klumpig" ist, wie es Computersimulationen nahelegen, ob die Materie also ungleichförmig in Galaxienhaufen und weiten, leeren Regionen, Voids genannt, verteilt ist. Und es könnte zudem Hinweise auf die Verteilung der unsichtbaren Dunklen Materie liefern, so Zhang weiter.

"Der Durchbruch bezüglich des sich wiederholenden Radioausbruchs basiert darauf, dass wir seine genaue Position am Himmel bestimmen konnten", betont Gaensler. Deshalb sei es das Hauptziel der Forscher, die Positionen von mehr und mehr Radioausbrüchen zu ermitteln. "Die sich daraus ergebenden Fortschritte werden spektakulär sein."

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Von "Spektrum der Wissenschaft" übersetzte und redigierte Fassung des Artikels "A Cosmic Burst Repeats, Deepen­ing a Mystery " aus "Quanta Magazine", einem inhaltlich unabhängigen Magazin der Simons Foundation, die sich die Verbreitung von Forschungsergebnissen aus Mathematik und den Naturwissenschaften zum Ziel gesetzt hat.