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Radioastronomie: Radioblitze, schnell und unterschiedlich

Schnelle Radioblitze sind seltsame Ereignisse im All. Ein Teleskop hat gleich hunderte detektiert, und es zeigt sich: Manche tauchen einzeln, manche mehrfach auf. Eine Typfrage?
Das Radioteleskop CHIME hat in seinem ersten Betriebsjahr 535 schnelle Radioblitze entdeckt.

Ein Radioteleskop in Kanada hat 535 schnelle Radioblitze entdeckt und damit die bekannte Anzahl dieser kurzen, hochenergetischen Phänomene auf einen Schlag vervierfacht. Die lang erwarteten Ergebnisse zeigen, dass es zwei verschiedene Arten dieser rätselhaften Ereignisse gibt: Die meisten Radioblitze, auch Fast Radio Burst (FRB) genannt, sind einmalig, während sich einige wenige periodisch wiederholen und mindestens zehnmal länger als der Durchschnitt dauern.

Die Ergebnisse deuten stark darauf hin, dass schnelle Radioblitze das Ergebnis von mindestens zwei verschiedenen astrophysikalischen Phänomenen sein könnten. »Ich denke, das ist der Beweis für Unterschiede«, sagt Studienmitautor Kiyo Masui, Astrophysiker am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge.

Der plötzliche Zugewinn an Daten hat die Radioastronomie-Gemeinde in Aufregung versetzt. »Ich bin heute Morgen aufgewacht, und alle meine Slackkanäle waren voll von Leuten, die über die Studien sprachen«, sagt Laura Spitler, eine Astrophysikerin am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, Deutschland, die den ersten sich wiederholenden Burst im Jahr 2016 mitentdeckt hat. Mit dem mittlerweile eingestürzten Arecibo-Teleskop in Puerto Rico übrigens.

Gesammelt hat die Blitzdaten das Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME) in seinem ersten Betriebsjahr, zwischen 2018 und 2019. Das Team stellte die Ergebnisse während eines virtuellen Treffens der American Astronomical Society am 9. Juni 2021 vor und veröffentlichte vier Preprints auf dem Online-Repository arXiv.

Es gibt Repeater-Radioblitze und Einzelereignisse

CHIME befindet sich in der Nähe von Penticton in British Columbia und ist ein statisches Teleskop. Es besteht aus vier Antennen, die jeweils 100 Meter lang sind und an Halfpipes erinnern. Zu jedem Zeitpunkt beobachtet es einen schmalen Streifen des Himmels über sich. Während sich die Erde dreht, scannt das Teleskop den Himmel ab, und digitale Verarbeitungschips bündeln eingehende Signale zu einem Bild.

Ursprünglich war CHIME dafür gedacht, die Verteilung der Materie im Universum zu kartografieren, aber man hat zusätzliche Elektronik hinzugefügt, damit es auch schnelle Radioblitze auffangen kann. Spitler erinnert sich, dass viele Kolleginnen und Kollegen auf dem Gebiet skeptisch waren, was das Potenzial des Teleskops zum Aufspüren der Bursts angeht, aber die jüngste Ankündigung hat sie bestätigt. »Sie haben die Behauptung erfüllt«, sagt Spitler. »Es ist sehr beeindruckend.«

»Das ist bei Weitem der überzeugendste Beweis dafür, dass es zwei Arten gibt«
(Laura Spitler, Astrophysikerin)

Obwohl noch nicht geklärt ist, was schnelle Radioblitze verursacht, scheinen die CHIME-Ergebnisse die Idee zu stützen, dass es mindestens zwei verschiedene Typen gibt. 61 der 535 entdeckten Radioblitze waren »Repeater« – sie stammen von 18 Quellen, die bereits mehrfach beobachtet wurden. Die beiden Gruppen unterscheiden sich durch ihre Dauer, wobei einmalige Ereignisse eine viel kürzere Zeitspanne andauern. Repeater emittieren außerdem auf einem viel schmaleren Frequenzband als einmalige Bursts. »Das ist bei Weitem der überzeugendste Beweis dafür, dass es zwei Arten gibt«, sagt Spitler.

Bis vor Kurzem waren die Beweise dafür nicht sehr überzeugend: Einige Astronomen argumentierten, dass es sich bei den sich nicht wiederholenden Bursts lediglich um Wiederholer handeln könnte, die nicht lange genug beobachtet wurden, um sie erneut ausbrechen zu sehen. »Das bedeutet nicht, dass das Phänomen völlig anders ist, aber es könnte sein«, fügt Masui hinzu.

Schnelle Radioblitze werden in der Regel über eine Sekunde oder länger beobachtet. Aber diese Dauer ist irreführend lang. Da die Signale Millionen von Lichtjahren im Weltraum zurücklegen, neigt intergalaktische Materie dazu, Radiowellen über das gesamte Spektrum hinweg zu verwischen. Das hat zur Folge, dass niederfrequente Wellen mit einer Verzögerung von mehreren Sekunden auf der Erde ankommen können, verglichen mit höherfrequenten Wellen. Die Forscher haben berechnet, dass die Emission eines Radioblitzes an der Quelle typischerweise nur Millisekunden dauert. In dieser Zeit kann die Quelle eines Bursts 500 Millionen Mal mehr Energie ausstrahlen als die Sonne in einer vergleichbaren Zeitspanne.

Das Ausmaß dieser »Dispersion« der Wellenlängen gibt einen groben Hinweis darauf, wie weit die Wellen reisen mussten. Bislang ließ sich zeigen, dass alle Ausbrüche aus anderen Galaxien stammen, mit Ausnahme eines Ereignisses, das in der Milchstraße stattfand.

Das CHIME-Team berichtet, dass die Quellen der Ausbrüche gleichmäßig über den Himmel verteilt zu sein scheinen. Nur eine Hand voll konnte zu einer bestimmten Galaxie zurückverfolgt werden.

Wiederholungen helfen, Theorien zum Ursprung der Radioblitze zu entwickeln

In den vergangenen Jahren haben Forscher einige Himmelsregionen beobachtet, in denen in der Vergangenheit Ausbrüche auftraten, und in einigen Fällen haben sie gesehen, dass diese in regelmäßigen Abständen wiederkehren. Der »Repeater«, den Spitler und ihre Mitarbeiter 2016 entdeckten, weist beispielsweise Aktivitätszyklen auf, die etwa einen Tag dauern – sowie mehrere Ausbrüche pro Stunde aussenden – und sich alle 160 Tage wiederholen.

Diese regelmäßige Wiederholung bietet einige Anhaltspunkte darüber, was die Ausbrüche verursachen könnte. Eine mögliche Erklärung, sagt Spitler, ist, dass die Wiederholungen auftreten könnten, wenn ein hochmagnetisierter Neutronenstern einen gewöhnlichen Stern in einer verlängerten Umlaufbahn umkreist. Da sich der Neutronenstern periodisch seinem Begleiter nähert, könnten die Ausbrüche durch dessen Magnetfeld entstehen, das den hochenergetischen Sternwind streut.

Sich nicht wiederholende Blitze hingegen könnten das Ergebnis von kataklysmischen Ereignissen wie den Kollisionen von Neutronensternen oder magnetischen Stürmen in jungen Neutronensternen sein, die Magnetare genannt werden. Das Ereignis in der Milchstraße wurde mit einem bekannten Magnetar in Verbindung gebracht. Die Magnetartheorie wurde jedoch durch die kürzliche Entdeckung eines Ausbruchs aus einem Kugelsternhaufen in der Galaxie M81 in Frage gestellt. Kugelsternhaufen sind dichte Ansammlungen von sehr alten Sternen, und es gilt als unwahrscheinlich, dass sie Magnetare beherbergen.

Die erste Entdeckung eines schnellen Radioblitzes im Jahr 2007 war eine große Überraschung für Forscherinnen und Forscher. Viele Jahre lang waren nur eine Hand voll bekannt, erinnert sich Masui. Theoretiker lieferten zahlreiche mögliche Erklärungen, und der Running Gag war, dass die Zahl der Theorien die tatsächlichen Ereignisse übertrafen. Jetzt habe CHIME diesen Trend umgekehrt, sagt Masui: »Die Theoretiker werden uns nicht einholen.«

Auch weil dieser erste Katalog erst der Anfang ist. Seit seiner Zusammenstellung hat das Team noch viele weitere schnelle Radioblitze entdeckt und wird die Erkenntnisse darüber in den kommenden Jahren veröffentlichen.

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