Als Astronomen zum ersten Mal den Nachweis von a . bemerkten Schneller Radio-Burst (FRB) im Jahr 2007 (auch bekannt als die Lorimer Burst ), waren sie erstaunt und fasziniert zugleich. Dieser hochenergetische Ausbruch von Radiopulsen, der nur wenige Millisekunden dauerte, schien von außerhalb unserer Galaxie zu kommen. Seitdem haben Astronomen in zuvor aufgezeichneten Daten Beweise für viele FRBs gefunden und spekulieren immer noch darüber, was sie verursacht.
Dank späterer Entdeckungen und Forschungen wissen Astronomen nun, dass FRBs weitaus häufiger vorkommen als bisher angenommen. Tatsächlich ist nach a neue Studie von einem Forscherteam des Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) können FRBs einmal pro Sekunde im beobachtbaren Universum auftreten. Wenn dies zutrifft, könnten FRBs ein mächtiges Werkzeug sein, um die Ursprünge und die Entwicklung des Kosmos zu erforschen.
Die Studie mit dem Titel „ Im beobachtbaren Universum ereignet sich jede Sekunde ein schneller Funkausbruch “, erschien vor kurzem inDie Briefe des Astrophysikalischen Journals. Die Studie wurde von Anastasia Fialkov geleitet, Postdoc-Forscherin und Fellow am CfA Institut für Theorie und Informatik (ITK). Zu ihr gesellten sich Professor Abraham Loeb, der Direktor des ITC, und Frank B. Baird, Jr. Professor of Science in Harvard.
Wie bereits erwähnt, sind FRBs seit ihrer ersten Entdeckung ein Rätsel geblieben. Nicht nur ihre Ursachen bleiben unbekannt, sondern vieles über ihre wahre Natur ist noch immer nicht verstanden. Wie Dr. Fialkov Universe Today per E-Mail sagte:
„FRBs (oder Fast Radio Bursts) sind astrophysikalische Signale unbestimmter Natur. Die beobachteten Bursts sind kurze (oder Millisekunden-Dauer), helle Pulse im Radioteil des elektromagnetischen Spektrums (bei GHz-Frequenzen). Bisher wurden nur 24 Ausbrüche beobachtet und wir wissen immer noch nicht genau, welche physikalischen Prozesse sie auslösen. Die plausibelste Erklärung ist, dass sie von rotierenden magnetisierten Neutronensternen gestartet werden. Diese Theorie muss jedoch bestätigt werden.“
Für ihre Studie verließen sich Fialkov und Loeb auf Beobachtungen, die von mehreren Teleskopen des sich wiederholenden schnellen Radioausbruchs, bekannt als ., gemacht wurden FRB 121102 . Dieser FRB wurde erstmals im Jahr 2012 von Forschern beobachtet, die die Arecibo Radioteleskop in Puerto Rico und wurde inzwischen bestätigt aus einer 3 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie in Richtung des Der Treiber der Konstellation .
Seit seiner Entdeckung wurden zusätzliche Bursts von seinem Standort erfasst, was FRB 121102 zum einzigen bekannten Beispiel für einen sich wiederholenden FRB macht. Diese sich wiederholende Natur hat es Astronomen auch ermöglicht, detailliertere Studien darüber durchzuführen als alle anderen FRB. Wie Prof. Loeb Universe Today per E-Mail mitteilte, machten diese und andere Gründe es zu einem idealen Ziel für ihre Studie:
„FRB 121102 ist der einzige FRB, für den eine Wirtsgalaxie und eine Entfernung identifiziert wurden. Es ist auch die einzige sich wiederholende FRB-Quelle, von der wir inzwischen Hunderte von FRBs entdeckt haben. Das Funkspektrum seiner FRBs ist auf eine charakteristische Frequenz zentriert und deckt kein sehr breites Band ab. Dies hat wichtige Auswirkungen auf die Erkennbarkeit solcher FRBs, denn um sie zu finden, muss das Funkobservatorium auf ihre Frequenz eingestellt werden.“
Bild des Himmels, an dem der Radioausbruch FRB 121102 gefunden wurde, im Sternbild Auriga. Sie können seinen Standort mit einem grünen Kreis sehen. Links ist der Supernova-Überrest S147 und rechts ein Sternentstehungsgebiet namens IC 410. Bildnachweis: Rogelio Bernal Andreo (DeepSkyColors.com)
Basierend auf dem, was über FRB 121102 bekannt ist, führten Fialkov und Loeb eine Reihe von Berechnungen durch, bei denen davon ausgegangen wurde, dass sein Verhalten für alle FRBs repräsentativ ist. Sie projizierten dann, wie viele FRBs am gesamten Himmel existieren würden und stellten fest, dass innerhalb des beobachtbaren Universums wahrscheinlich jede Sekunde ein FRB stattfinden würde. Wie Dr. Fialkov erklärte:
„Angenommen, dass FRBs von Galaxien eines bestimmten Typs produziert werden (z. B. ähnlich wie FRB 121102), können wir berechnen, wie viele FRBs von jeder Galaxie produziert werden müssen, um die bestehenden Beobachtungen zu erklären (d. h. 2000 pro Himmel und Tag). Mit dieser Zahl im Hinterkopf können wir die Produktionsrate für die gesamte Galaxienpopulation ableiten. Diese Berechnung zeigt, dass jede Sekunde ein FRB auftritt, wenn man alle schwachen Ereignisse berücksichtigt.“
Während die genaue Art und Herkunft von FRBs noch unbekannt sind – Vorschläge beinhalten rotierende Neutronensterne und sogar außerirdische Intelligenz! – Fialkov und Loeb weisen darauf hin, dass sie zur Untersuchung der Struktur und Entwicklung des Universums verwendet werden könnten. Wenn sie tatsächlich mit einer so regelmäßigen Häufigkeit im gesamten Kosmos auftreten, könnten weiter entfernte Quellen als Sonden fungieren, auf die sich Astronomen dann verlassen würden, um die Tiefen des Weltraums auszuloten.
Über weite kosmische Entfernungen gibt es beispielsweise eine beträchtliche Menge an Material dazwischen, die es Astronomen erschwert, die Kosmischer Mikrowellen-Hintergrund (CMB) – die übrig gebliebene Strahlung des Urknalls. Studien dieses dazwischenliegenden Materials könnten zu neuen Schätzungen führen, wie dicht der Raum ist – d. h. wie viel davon aus gewöhnlicher Materie, dunkler Materie und dunkler Energie besteht – und wie schnell er sich ausdehnt.
Gemini zusammengesetztes Bild des Feldes um FRB 121102, das einzige sich wiederholende FRB, das bisher entdeckt wurde. Bildnachweis: Gemini Observatory/AURA/NSF/NRC
Und wie Prof. Loeb andeutete, könnten FRBs auch verwendet werden, um anhaltende kosmologische Fragen zu untersuchen, wie zum Beispiel das Ende des „dunklen Zeitalters“ des Universums:
„FRBs können verwendet werden, um die Säule freier Elektronen in Richtung ihrer Quelle zu messen. Damit lässt sich die Dichte gewöhnlicher Materie zwischen Galaxien im heutigen Universum messen. Darüber hinaus können FRBs zu frühen kosmischen Zeiten verwendet werden, um herauszufinden, wann das ultraviolette Licht der ersten Sterne die Uratome des Wasserstoffs, die vom Urknall übrig geblieben sind, in ihre Elektronen und Protonen zerlegt hat.“
Das „Dunkle Zeitalter“, das zwischen 380.000 und 150 Millionen Jahren nach der Urknall , war durch einen „Nebel“ von Wasserstoffatomen gekennzeichnet, die mit Photonen wechselwirkten. Aus diesem Grund ist die Strahlung dieser Zeit mit unseren heutigen Instrumenten nicht nachweisbar. Derzeit versuchen Wissenschaftler noch herauszufinden, wie das Universum den Übergang zwischen diesen „dunklen Zeitaltern“ und nachfolgenden Epochen vollzogen hat, als das Universum mit Licht gefüllt war.
In dieser Phase der „Reionisation“, die 150 Millionen bis 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall stattfand, entstanden die ersten Sterne und Quasare. Es wird allgemein angenommen, dass UV-Licht von den ersten Sternen im Universum nach außen gewandert ist, um das Wasserstoffgas zu ionisieren (und so den Nebel zu lichten). EIN Kürzlich durchgeführte Studie schlugen auch vor, dass Schwarze Löcher, die im frühen Universum existierten, die notwendigen „Winde“ erzeugten, die es dieser ionisierenden Strahlung ermöglichten, zu entweichen.
Zu diesem Zweck könnten FRBs verwendet werden, um diese frühe Periode des Universums zu untersuchen und festzustellen, was diesen „Nebel“ zerbrochen und Licht entweichen ließ. Die Untersuchung sehr weit entfernter FRBs könnte es Wissenschaftlern ermöglichen, zu untersuchen, wo, wann und wie dieser Prozess der „Reionisierung“ stattfand. Mit Blick auf die Zukunft erklärten Fialkov und Loeb, wie zukünftige Radioteleskope viele FRBs entdecken können.
Das geplante Square Kilometre Array wird bei seiner Inbetriebnahme 2018 das größte Radioteleskop der Welt sein. Bildnachweis: SKA
„Zukünftige Radioobservatorien wie das Square Kilometre Array werden empfindlich genug sein, um FRBs der ersten Generation von Galaxien am Rande des beobachtbaren Universums zu erkennen“, sagte Prof. Loeb. „Unsere Arbeit liefert die erste Schätzung der Anzahl und Eigenschaften der ersten Funkwellen, die im Säuglingsuniversum aufleuchteten.“
Und dann ist da noch die Kanadisches Experiment zur Kartierung der Wasserstoffintensität (CHIME) an der bei der Dominion Radio Astrophysikalisches Observatorium in British Columbia, das vor kurzem seinen Betrieb aufgenommen hat. Diese und andere Instrumente werden als leistungsstarke Werkzeuge zum Aufspüren von FRBs dienen, die wiederum verwendet werden könnten, um zuvor ungesehene Regionen von Zeit und Raum zu sehen und einige der tiefsten kosmologischen Geheimnisse zu entschlüsseln.
„[Wir] stellen fest, dass ein Teleskop der nächsten Generation (mit einer viel besseren Empfindlichkeit als die bestehenden) voraussichtlich viel mehr FRBs sehen wird, als heute beobachtet wird“, sagte Dr. Fialkov. „Dies würde es ermöglichen, die Population der FRBs zu charakterisieren und ihre Herkunft zu identifizieren. Das Verständnis der Natur von FRBs wird ein großer Durchbruch sein. Sobald die Eigenschaften dieser Quellen bekannt sind, können FRBs als kosmische Leuchtfeuer zur Erforschung des Universums verwendet werden. Eine Anwendung ist die Untersuchung der Geschichte der Reionisation (kosmischer Phasenübergang, wenn das intergalaktische Gas von Sternen ionisiert wurde).“
Es ist ein inspirierter Gedanke, der natürliche kosmische Phänomene als Forschungswerkzeuge verwendet. In dieser Hinsicht ist die Verwendung von FRBs zur Sondierung der am weitesten entfernten Objekte im Weltraum (und so weit wie möglich in der Zeit zurück) wie die Verwendung von Quasaren als Navigationsbaken. Letztendlich ermöglicht uns die Weiterentwicklung unseres Wissens über das Universum, mehr davon zu erforschen.
Weiterlesen: CfA , Astrophysikalische Zeitschriftenbriefe