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Astronomen erkennen regelmäßigen Rhythmus von Radiowellen mit unbekanntem Ursprung

Ein Team von Astronomen, darunter Forscher am MIT, hat einen merkwürdigen, sich wiederholenden Rhythmus schneller Radioausbrüche aufgegriffen, die von einer unbekannten Quelle außerhalb unserer 500 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie ausgehen.

Fast Radio Bursts oder FRBs sind kurze, intensive Blitze von Radiowellen, von denen angenommen wird, dass sie das Produkt kleiner, entfernter, extrem dichter Objekte sind, obwohl genau das, was diese Objekte sein könnten, ein langjähriges Rätsel in der Astrophysik ist. FRBs dauern typischerweise einige Millisekunden, während dieser Zeit können sie ganze Galaxien überstrahlen.

Seit die erste FRB im Jahr 2007 beobachtet wurde, haben Astronomen über 100 schnelle Radioausbrüche aus entfernten Quellen katalogisiert, die über das Universum außerhalb unserer eigenen Galaxie verstreut sind. Hauptsächlich, Diese Erkennungen waren einmalig, kurz blinken, bevor sie vollständig verschwinden. In einer Handvoll Fällen beobachteten Astronomen mehrmals schnelle Radioausbrüche aus derselben Quelle, jedoch ohne erkennbares Muster.

Diese neue FRB-Quelle, die das Team als FRB 180916 katalogisiert hat.J0158 + 65, ist der erste, der ein periodisches oder zyklisches Muster von schnellen Radioausbrüchen erzeugt. Das Muster beginnt mit einem lauten, viertägigen Fenster, in dem die Quelle zufällige Ausbrüche von Radiowellen aussendet, gefolgt von einer 12-tägigen Funkstille.

Die Astronomen beobachteten, dass dieses 16-tägige Muster schneller Radioausbrüche über 500 Beobachtungstage hinweg konsistent wieder auftrat.

„Dieser FRB, über den wir jetzt berichten, ist wie ein Uhrwerk“, sagt Kiyoshi Masui, Assistenzprofessor für Physik am Kavli-Institut für Astrophysik und Weltraumforschung des MIT. „Es ist das definitivste Muster, das wir aus einer dieser Quellen gesehen haben. Und es ist ein großer Hinweis, den wir verwenden können, um die Physik dessen zu erforschen, was diese hellen Blitze verursacht, die niemand wirklich versteht.“

Masui ist Mitglied der CHIME / FRB-Kollaboration, einer Gruppe von mehr als 50 Wissenschaftlern unter der Leitung der University of British Columbia, der McGill University, der University of Toronto und des National Research Council of Canada, die die Daten des Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME), eines Radioteleskops in British Columbia, das als erstes Signale der neuen periodischen FRB-Quelle aufnahm, betreibt und analysiert.

Die CHIME / FRB-Kollaboration hat die Details der neuen Beobachtung heute in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

Eine Radioansicht

Im Jahr 2017 wurde CHIME am Dominion Radio Astrophysical Observatory in British Columbia errichtet, wo es schnell begann, schnelle Radioausbrüche von Galaxien im gesamten Universum zu entdecken, Milliarden von Lichtjahren von der Erde entfernt.

CHIME besteht aus vier großen Antennen, die jeweils etwa die Größe und Form einer Snowboard-Halfpipe haben, und ist ohne bewegliche Teile konstruiert. Anstatt sich zu drehen, um sich auf verschiedene Teile des Himmels zu konzentrieren, starrt CHIME fest auf den gesamten Himmel und verwendet digitale Signalverarbeitung, um die Region des Raums zu lokalisieren, aus der eingehende Radiowellen stammen.

Von September 2018 bis Februar 2020 hat CHIME 38 schnelle Funkbursts aus einer einzigen Quelle, FRB 180916, ausgewählt.J0158 + 65, den die Astronomen auf eine Sternenwirbelregion am Rande einer massereichen Spiralgalaxie zurückführten, 500 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. Die Quelle ist die aktivste FRB-Quelle, die CHIME bisher entdeckt hat, und bis vor kurzem war sie die der Erde am nächsten gelegene FRB-Quelle.

Als die Forscher jeden der 38 Bursts im Laufe der Zeit zeichneten, begann ein Muster zu entstehen: Ein oder zwei Bursts würden über vier Tage auftreten, gefolgt von einem Zeitraum von 12 Tagen ohne Bursts, nach dem sich das Muster wiederholen würde. Dieser 16-Tage-Zyklus trat über die 500 Tage, an denen sie die Quelle beobachteten, immer wieder auf.

„Diese periodischen Ausbrüche haben wir noch nie zuvor gesehen, und es ist ein neues Phänomen in der Astrophysik“, sagt Masui.

Kreisszenarien

Welches Phänomen genau hinter diesem neuen extragalaktischen Rhythmus steckt, ist eine große Unbekannte, obwohl das Team in seiner neuen Arbeit einige Ideen untersucht. Eine Möglichkeit ist, dass die periodischen Ausbrüche von einem einzigen kompakten Objekt wie einem Neutronenstern stammen, der sich sowohl dreht als auch wackelt — ein astrophysikalisches Phänomen, das als Präzession bekannt ist. Angenommen, die Radiowellen gehen von einem festen Ort auf dem Objekt aus, wenn sich das Objekt entlang einer Achse dreht und diese Achse nur alle vier von 16 Tagen in Richtung Erde zeigt, dann würden wir die Radiowellen als periodische Bursts beobachten.

Eine andere Möglichkeit ist ein Doppelsternsystem, wie ein Neutronenstern, der einen anderen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch umkreist. Wenn der erste Neutronenstern Radiowellen aussendet und sich auf einer exzentrischen Umlaufbahn befindet, die ihn kurzzeitig in die Nähe des zweiten Objekts bringt, könnten die Gezeiten zwischen den beiden Objekten stark genug sein, um den ersten Neutronenstern kurzzeitig zu verformen und zu platzen, bevor er wegschwingt. Dieses Muster würde sich wiederholen, wenn der Neutronenstern entlang seiner Umlaufbahn zurückschwingt.

Die Forscher betrachteten ein drittes Szenario mit einer radioemittierenden Quelle, die einen Zentralstern umkreist. Wenn der Stern einen Wind oder eine Gaswolke aussendet, könnte das Gas aus der Wolke jedes Mal, wenn die Quelle die Wolke passiert, die Radioemissionen der Quelle periodisch vergrößern.

„Vielleicht gibt die Quelle immer diese Ausbrüche ab, aber wir sehen sie nur, wenn sie durch diese Wolken gehen, weil die Wolken als Linse wirken“, sagt Masui.

Die vielleicht aufregendste Möglichkeit ist die Idee, dass dieser neue FRB und sogar diejenigen, die nicht periodisch sind oder sich sogar wiederholen, von Magnetaren stammen könnten — einer Art Neutronenstern, von dem angenommen wird, dass er ein extrem starkes Magnetfeld hat. Die Einzelheiten von Magnetaren sind immer noch ein Rätsel, aber Astronomen haben beobachtet, dass sie gelegentlich massive Mengen an Strahlung über das elektromagnetische Spektrum abgeben, einschließlich Energie im Radioband.

„Die Leute haben daran gearbeitet, wie man diese Magnetare dazu bringt, schnelle Radioblitze auszusenden, und diese Periodizität, die wir beobachtet haben, wurde seitdem in diese Modelle eingearbeitet, um herauszufinden, wie das alles zusammenpasst“, sagt Masui.

Vor kurzem machte dieselbe Gruppe eine neue Beobachtung, die die Idee unterstützt, dass Magnetare tatsächlich eine brauchbare Quelle für schnelle Radioausbrüche sein könnten. Ende April nahm CHIME ein Signal auf, das wie ein schneller Funkstoß aussah und von einem abfackelnden Magnetar stammte, der etwa 30.000 Lichtjahre von der Erde entfernt war. Wenn das Signal bestätigt wird, wäre dies der erste FRB, der in unserer eigenen Galaxie entdeckt wurde, sowie der überzeugendste Beweis für Magnetare als Quelle dieser mysteriösen kosmischen Funken.

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