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Schnelle Radiobursts blitzen am Himmel über der Erde auf.(Bildnachweis: NRAO Outreach/T. Jarrett (IPAC/Caltech); B. Saxton, NRAO/AUI/NSF)

Fast Radio Bursts (FRBs) sind intensive, kurzlebige Ausbrüche von Radiowellen jenseits der Milchstraße, die in nur einer tausendstel Sekunde die gleiche Energiemenge abgeben können, für die die Sonne drei Tage braucht.

Trotz ihrer Kraft und der Tatsache, dass täglich etwa 10.000 FRBs am Himmel über der Erde entstehen könnten, bleiben diese Radiowellenexplosionen jedoch rätselhaft. Eines der größten Rätsel im Zusammenhang mit FRBs ist die Frage, warum die meisten einmal aufblitzen und dann verschwinden, während eine winzige Minderheit (weniger als 3 Prozent) den Blitz wiederholt. Dies hat Wissenschaftler auf die Suche nach den Mechanismen geführt, die FRBs auslösen. Einige glauben sogar, dass verschiedene Himmelsobjekte sowohl wiederkehrende als auch nicht-wiederkehrende FRBs erzeugen können.

Wissenschaftler der Universität Toronto nutzten das Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME), um die Eigenschaften des polarisierten Lichts von 128 sich nicht wiederholenden FRBs zu untersuchen. Dabei stellte sich heraus, dass die einmaligen FRBs anscheinend in weit entfernten Galaxien entstehen, die unserer eigenen Milchstraße sehr ähnlich sind, im Gegensatz zu den extremen Umgebungen, die ihre wiederkehrenden Cousins auslösen. Die Ergebnisse könnten die Wissenschaftler dem Ziel näher bringen, das Rätsel der FRBs endlich zu lösen.

„Wenn wir bisher über FRBs nachgedacht haben, haben wir sie nur auf die gleiche Weise betrachtet, wie wir einen Stern am Himmel betrachten würden, indem wir darüber nachdachten, wie hell er ist, vielleicht herausfanden, wie weit er entfernt ist und solche Dinge“, sagte der Hauptautor der Forschung, Ayush Pandhi, ein Doktorand am Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics und dem David A. Dunlap Department of Astronomy & Astrophysics an der Universität Toronto, gegenüber kosmischeweiten.de. „FRBs sind jedoch etwas Besonderes, weil sie auch polarisiertes Licht aussenden, was bedeutet, dass das Licht, das von diesen Quellen kommt, nur in eine Richtung ausgerichtet ist.“

Der entscheidende Unterschied bei dieser Forschung ist, dass sie sich wirklich mit der Untersuchung von polarisiertem Licht befasst.

Polarisiertes Licht besteht aus Wellen, die auf die gleiche Weise ausgerichtet sind – vertikal, horizontal oder in einem Winkel zwischen diesen beiden Richtungen. Veränderungen in der Polarisation könnten den Mechanismus erklären, der den FRB ausgelöst hat, und somit Aufschluss über seine Quelle geben. Die Polarisation kann auch Aufschluss darüber geben, welche Umgebungen der FRB durchqueren musste, bevor er unsere Detektoren auf der Erde erreichte. Diese Studie war der erste groß angelegte Blick auf die sich nicht wiederholenden 97 % der FRBs in polarisiertem Licht.

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Es gab eine Lücke in der Forschung zu sich nicht wiederholenden FRBs, da es viel einfacher ist, sich wiederholende FRBs zu beobachten, da die Astronomen bereits wissen, wo sie auftreten werden, was bedeutet, dass es möglich ist, ein beliebiges Radioteleskop auf diesen Himmelsausschnitt zu richten und zu warten. Bei sich nicht wiederholenden FRBs müssen die Astronomen ein Teleskop haben, das einen großen Bereich des Himmels auf einmal betrachten kann, weil sie nicht wissen, woher das Signal kommt.

„Sie können überall am Himmel auftauchen. CHIME ist in dieser Hinsicht einzigartig, weil es einen so großen Bereich des Himmels auf einmal betrachtet“, sagte Pandhi. „Außerdem hat man sich diese Polarisation noch nicht wirklich angesehen, weil sie auf technischer Ebene viel schwieriger zu erkennen ist.

„Andere Studien haben die Polarisation von vielleicht 10 sich nicht wiederholenden FRBs untersucht, aber dies ist das erste Mal, dass wir mehr als 100 untersucht haben. Das erlaubt uns zu überdenken, was wir für FRBs halten, und zu sehen, wie sich wiederholende und nicht-wiederholende FRBs unterscheiden können.“

Wiederholen oder nicht wiederholen?

Im Jahr 2007 entdeckten die Astronomen Duncan Lorimer und David Narkevic, der damals Lorimers Student war, den ersten FRB. Es handelte sich um einen sich nicht wiederholenden Energieausbruch, der heute allgemein als „Lorimer Burst“ bezeichnet wird. Fünf Jahre später, im Jahr 2012, entdeckten Astronomen den ersten sich wiederholenden FRB: FRB 121102. Danach wurden nach und nach weitere sich wiederholende Bursts entdeckt.

Astronomen fragen sich natürlich, ob hinter diesen beiden Arten von FRBs ein anderes Phänomen steckt. Und tatsächlich fand Pandhis Team heraus, dass sich nicht-wiederkehrende FRBs ein wenig von wiederkehrenden FRBs zu unterscheiden scheinen, da die meisten der ersteren von Galaxien wie unserer eigenen Milchstraße zu stammen scheinen.

Eine Illustration des CHIME-Observatoriums, das Signale eines FRB aufnimmt. (Bildnachweis: Bildnachweis: CHIME. Illustration: Dunlap Institute.)

Während die Ursprünge von FRBs in Geheimnisse gehüllt sind, können diese Ausbrüche von Radiowellen als Boten der Umgebungen fungieren, die sie auf ihrem Weg zur Erde durchlaufen. Diese Information ist in ihrer Polarisation kodiert.

„Wenn das polarisierte Licht Elektronen und Magnetfelder durchläuft, dreht sich der Winkel, in dem es polarisiert ist, und wir können diese Drehung messen“, sagt Pandhi. „Wenn ein FRB also mehr Material durchläuft, dreht er sich stärker. Die Tatsache, dass die Polarisation von sich nicht wiederholenden FRBs geringer ist als die von sich wiederholenden FRBs, deutet darauf hin, dass erstere weniger Material oder schwächere Magnetfelder durchqueren als letztere. Pandhi fügte hinzu, dass, während die sich wiederholenden Strahlungsausbrüche aus extremeren Umgebungen zu stammen scheinen (wie den Überresten von Sternen, die in Supernova-Explosionen gestorben sind), ihre sich nicht wiederholenden Brüder in etwas weniger gewalttätigen Umgebungen aufzutauchen scheinen.

„Nicht-wiederkehrende FRBs stammen in der Regel aus Umgebungen, die entweder schwächere Magnetfelder oder weniger Material um sie herum haben als wiederkehrende FRBs“, so Pandhi weiter. „Wiederholte FRBs scheinen in dieser Hinsicht also etwas extremer zu sein.“

Eine künstlerische Darstellung eines schnellen Radiostrahlungsausbruchs (FRB), der die Erde erreicht, wobei die Farben die verschiedenen Wellenlängen darstellen. (Bildnachweis: Jingchuan Yu, Peking Planetarium)

Sind Neutronensterne aus dem Schneider?

Eine der großen Überraschungen, die diese Forschung für Pandhi bereithielt, war, dass die Polarisation von sich nicht wiederholenden FRBs einen der Hauptverdächtigen hinter ihrem Start zu entlasten scheint: hochmagnetisierte, sich schnell drehende Neutronensterne oder „Pulsare“.

„Wir wissen, wie Pulsare funktionieren, und wir kennen die Arten von polarisiertem Licht, die wir von einem Pulsarsystem erwarten. Überraschenderweise sehen wir keine große Ähnlichkeit zwischen FRBs und Pulsarlicht“, sagte Pandhi. „Wenn diese Dinge von der gleichen Art von Objekt kommen, könnte man erwarten, dass sie einige Ähnlichkeiten haben, aber es scheint, dass sie tatsächlich ziemlich unterschiedlich sind.“ Um herauszufinden, welche Objekte FRBs auslösen, glaubt Pandhi, dass die Erweiterung unseres Verständnisses der Polarisation dieser Ausbrüche von Radiowellen helfen könnte, theoretische Vorhersagen einzugrenzen.

„Wenn wir zwischen mehreren verschiedenen Theorien hin- und hergerissen sind, können wir jetzt das polarisierte Licht betrachten und sagen: ‚Okay, schließt das irgendwelche Theorien aus, die wir noch nicht ausgeschlossen haben?'“, sagte er. „Es liefert einen weiteren Parameter oder sogar einige zusätzliche Parameter, die uns helfen, Theorien auszuschließen, bis wir eine gefunden haben, die Bestand hat.“

Pandhi erklärte weiter, dass diese Studie den Grundstein für zukünftige FRB-Untersuchungen gelegt hat; er selbst arbeitet an einem Weg, die Polarisation von FRBs, die in der Milchstraße aufgetreten sind, von denen zu trennen, die in anderen Galaxien und näher an der Quelle ihrer Emission aufgetreten sind.

Dies sollte uns helfen, die Mechanismen hinter dem Start von FRBs besser zu verstehen, aber für Pandhi ist es die mysteriöse Natur dieser kosmischen Energieausbrüche, die sicherstellt, dass er sie noch einige Zeit lang erforschen wird.

„Ich meine, was ist mysteriöser als Explosionen, die sich tausende Male am Tag am Himmel ereignen, und man hat keine Ahnung, was sie verursacht?“ sagte Pandhi. „Wenn man ein kleiner Detektiv ist, der gerne Rätsel löst, dann sind FRBs einfach ein Rätsel, das nur darum bettelt, gelöst zu werden.“

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Dienstag (11. Juni) im Astrophysical Journal veröffentlicht.