Was? Wie sind Millisekunden in Jahrzehnten? Das Geheimnis schneller Radioblitze lüften

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Yun Chaoang und Wen Zhigang (Astronomisches Observatorium Xinjiang, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Im Jahr 2007 entdeckten Astronomen in lange archivierten Pulsardaten des Parkes-Radioteleskops ein übersehenes Signal – einen kurzen, hellen Radiopuls mit einer Dauer von wenigen Millisekunden.

Die Energie dieses momentanen Radioimpulses im Radioband entspricht dem Zehnmilliardenfachen der aktuellen weltweiten jährlichen Stromerzeugung, also der gesamten von der Sonne im Radioband in den letzten Jahrzehnten abgestrahlten Energie!

Dieses Signal ist seit Milliarden von Jahren durch den Weltraum unterwegs und wird nach dem Flug durch interstellares Gas und Staub allmählich langsamer. Nach Effekten wie Dispersion, Szintillation und Streuung hat sich sein Pulsprofil erheblich verändert. Was genau ist dieses Signal?

Parkes-Radioteleskop (Bildnachweis: Flickr/Amanda Slater, CC BY-SA)

Mysteriöses Signal aus der Mikrowelle

Drehen wir die Uhr zurück ins Jahr 1998, als das Parkes-Radioteleskop in Australien ein mysteriöses Signal entdeckte – zunächst war es hochfrequent, dann nahm die Frequenz allmählich ab und wurde schließlich wieder ruhig.

Die Meinungen der Astronomen zu diesem Signal gehen auseinander. Einige glauben, es handele sich um einen Blitzschlag, andere wiederum glauben, es sei ein Signal von Außerirdischen.

In den folgenden Tagen trat dieses bekannte Signal immer wieder auf, jeweils tagsüber und zu den Mahlzeiten. Daher haben die Mitarbeiter des Parkes-Teleskops während der 17 Jahre der Beobachtung die Angewohnheit entwickelt, von 1998 bis 2015 bei Regen oder Sonnenschein mit Mahlzeiten in der Hand auf das Eintreffen des Signals zu warten.

Astronomen haben Hunderte von Artikeln über dieses Signal geschrieben und sie in maßgeblichen Zeitschriften veröffentlicht. Sie gaben dem Signal sogar einen Namen: Peryton , ein Monster, das halb Hirsch, halb Vogel ist und einen menschenförmigen Schatten hat. Es weist große Ähnlichkeiten mit dem 2007 ignorierten Funksignal auf.

Peryton-Bild (Bildquelle: Wiki)

Erst im Jahr 2015 entdeckte ein neuer Kollege, dass die Frequenz des Signals bei etwa 2,4 GHz lag, was mit der Frequenz von Mikrowellenherden übereinstimmte. Damit wurde endgültig bestätigt, dass das Signal aus einem Mikrowellenherd in einem Forschungslabor der astronomischen Station stammte. Die 17 Jahre harter Arbeit der Wissenschaftler waren damit auf einen Schlag zunichte gemacht.

Dieser Vorfall ging als berühmter Fehler in die Geschichte der wissenschaftlichen Forschung ein und offenbarte die Grausamkeit der astronomischen Forschung.

Schnelle Radioblitze: Astrophysikalische Phänomene unbekannten Ursprungs

Was das 2007 ignorierte Signal betrifft, so haben Wissenschaftler aus aller Welt wiederholt bestätigt, dass es sich weder um eine Fehlfunktion des Teleskops noch um Rauschen handelte, und sie haben die Möglichkeit ausgeschlossen, dass es sich um ein von einem Mikrowellenherd abgestrahltes Signal handelte. Sie nennen es „Fast Radio Bursts“ oder FRBs (Fast Radio Bursts), ein astrophysikalisches Phänomen unbekannten Ursprungs, das sich als vorübergehende Radioimpulse manifestiert, die durchschnittlich einige Millisekunden andauern.

Seit der ersten Entdeckung schneller Radioblitze durch das 64-Meter-Radioteleskop von Parkes im Jahr 2007 haben Wissenschaftler insgesamt etwa 700 Quellen, die solche Signale aussenden, in den FRB-Katalog aufgenommen, von denen 63 Quellen mindestens 2 FRB-Signale ausgesendet haben (Datenstand: Mai 2023).

Räumliche Verteilung des vom Parkes-Teleskop beobachteten Himmelsbereichs im galaktischen Koordinatensystem. Die orangefarbenen Sterne zeigen die Verteilung der 81 Kandidaten für schnelle Radioblitze, und der grau schattierte Bereich zeigt den Bereich, der von 1997 bis 2001 vom Teleskop beobachtet wurde. Die fünf violetten Sternchen stehen für die schnellen Radioblitze, die 2001 vom Parkes-Teleskop registriert und bereits zuvor gemeldet wurden (einschließlich des ersten schnellen Radioblitzes, der von Lorimer et al. entdeckt wurde). (Bildquelle: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)

Solche wiederholten FRBs werden „Repeater Bursts“ genannt. Ein sehr bekanntes Beispiel ist FRB180916.J0158+65. Die Zahl gibt den Zeitpunkt an, zu dem der FRB erkannt wurde.

Dieser schnelle Radioblitz wurde erstmals am 16. September 2018 registriert. Es handelt sich um den einzigen schnellen Radioblitz mit einer festen Periode, der bisher registriert wurde . Die Periode beträgt 16,35 Tage. FRBs, die nur einmal auftreten, werden als „nicht wiederholende Bursts“ bezeichnet.

Welche Bedeutung hat die Erkennung schneller Radioblitze?

Wissenschaftler untersuchen FRBs seit mehr als einem Jahrzehnt, doch das Verständnis der Menschen darüber ist immer noch relativ vage, beispielsweise was genau ist sein Vorgängerstern? Wo befindet es sich? Was sind die Ursachen und Mechanismen?

Um Antworten auf diese Fragen zu erhalten, sind mehr Beobachtungsdaten erforderlich. In diesem Stadium können Wissenschaftler aus den erkannten FRBs bereits einige physikalische Ergebnisse ableiten.

Wenn ein schneller Radioblitz die Erde erreicht, hat das von ihm übertragene Signal eine andere Wellenlänge, eine andere Ausbreitungsgeschwindigkeit und benötigt eine andere Zeit, um die Erde zu erreichen.

Durch die Aufzeichnung der Ankunftszeiten verschiedener Wellenlängen können Wissenschaftler herausfinden, wie viel interstellare Materie der schnelle Radioblitz während seiner langen Reise durchquert hat. Auf diese Weise können sie die Dichteverteilung freier Elektronen im interstellaren Medium ermitteln.

FRB121102 (Bildnachweis: Gemini Observatory/AURA/NRC/NSF/NRAO)

Schnelle Radioblitze können auch das schwache Äquivalenzprinzip in Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie testen (das schwache Äquivalenzprinzip besagt, dass bei der Ausbreitung neutraler Teilchen ohne Ruhemasse (wie Photonen) oder mit vernachlässigbarer Ruhemasse (wie Neutrinos) in einem Gravitationsfeld die Reisezeit eine andere ist als in Abwesenheit eines Gravitationsfelds).

Da die Lichtkurve eines schnellen Radioblitzes im Allgemeinen ein einfaches Einzelimpulsmerkmal darstellt, kann der Zeitunterschied zwischen Photonen unterschiedlicher Frequenzen im schnellen Radioblitz, die auf der Erde ankommen, verwendet werden, um die Hypothese des schwachen Äquivalenzprinzips genau zu überprüfen.

Mithilfe von Dispersionsmessungen (DM-Werten) schneller Radioblitze können Wissenschaftler die „fehlenden“ Baryonen im Universum mit geringer Rotverschiebung erkennen und eine mögliche theoretische Erklärung für die „fehlenden“ Baryonen liefern.

Darüber hinaus können schnelle Radioblitze auch als „Standardkerze“ verwendet werden, um die Expansion des Universums bei hoher Rotverschiebung (z>5) zu beobachten. Wenn es bei hohen Rotverschiebungsskalen einen signifikanten Dunkle-Energie-Effekt gibt, sind schnelle Radioblitze das beste Mittel zur Beobachtung in diesem Rotverschiebungsbereich.

Künstlerische Darstellung eines schnellen Radioblitzes und seiner Wirtsgalaxie

Die Teleskope auf dem Bild sind Chinas Sky Eye (FAST) und das Keck-Teleskop, ein optisches Einzelaperturteleskop mit der höchsten räumlichen Auflösung (Abbildung: Yu Jingchuan, Fu Hai) (Bildquelle: WeChat-Konto der Science Academy)

Chronik schneller Radiowellen

Astronomen spekulieren, dass es sich zwar um ein weit verbreitetes kosmisches Phänomen handeln dürfte , obwohl die Zahl der schnellen Radioblitze, die wir derzeit beobachten, begrenzt ist. Sie gehen davon aus, dass schnelle Radioblitze im Universum mit einer Frequenz von etwa einmal pro Sekunde auftreten (bisher wurden etwa 700 registriert).

Obwohl die Wissenschaftler die wissenschaftlichen Geheimnisse schneller Radioblitze noch nicht vollständig verstanden haben, konnten wir durch jahrzehntelange Beobachtung und Forschung bereits viele Ergebnisse erzielen.

Abschluss

Das FRB-Feld ist ein Forschungsgebiet voller Geheimnisse und Herausforderungen. Mithilfe der hochempfindlichen Beobachtungsfähigkeit des chinesischen Sky Eye FAST und seiner Beobachtungsvorteile im Niederfrequenzband sowie mit der Fertigstellung des 110 Meter langen omnidirektionalen beweglichen Radioteleskops am Qitai-Observatorium des Xinjiang Astronomical Observatory der Chinesischen Akademie der Wissenschaften können wir mehr FRB-Signale in einem höheren Frequenzbereich und einem größeren Himmelsbereich beobachten. Ich bin davon überzeugt, dass die Menschheit in Zukunft einen qualitativen Sprung bei der Erforschung schneller Radioblitze machen wird.

Quellen:

[1] Macquart JP, Keane E, Grainge K, et al. Schnelle Transienten bei kosmologischen Distanzen mit dem SKA[J]. Fortschritte in der Astrophysik mit dem Square Kilometre Array, 2015:055.DOI:10.22323/1.215.0055.

[2] Fender R, Stewart A, Macquart JP, et al. Transiente Astrophysik mit dem Square Kilometre Array[J].Physics, 2015.DOI:10.48550/arXiv.1507.00729.