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Eine Illustration zeigt einen Neutronenstern-Pulsar, der schnelle Radiostrahlen aussendet (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva)/NASA)

Wissenschaftler haben weitere Beweise dafür gefunden, dass schnelle Energieausbrüche, die heller als ganze Galaxien sind, mit hochmagnetischen toten Sternen oder „Magnetaren“ zusammenhängen. Diese Neutronensterne müssten Winde aus geladenen Teilchen besitzen, die stark genug sind, um Blasen aus überhitztem ionisiertem Gas oder Plasma aufzublasen.

Diese schnellen Radiobursts (FRBs), die in Millisekunden ausbrechen und wieder verschwinden, können in einem Sekundenbruchteil so viel Energie freisetzen wie die Sonne in drei Tagen. Wissenschaftler sind natürlich sehr daran interessiert, die Quelle dieser gewaltigen Energieexplosionen zu bestimmen, aber ihr Ursprung ist seit 2017, als der erste FRB in Daten des Parkes-Observatoriums in Australien gefunden wurde, nachdem er 2001 entdeckt worden war, frustrierend schwer zu fassen.

Diese Quelle war schwer zu fassen, weil die meisten FRBs einmal kurz aufblitzen und dann verschwinden. Erschwerend kommt hinzu, dass eine sehr kleine Anzahl von FRBs mehr als einmal ausbricht, was Wissenschaftler zu der Frage veranlasst, ob sich wiederholende und sich nicht wiederholende FRBs denselben Ursprung haben können oder ob es sich um ein zweigeteiltes Rätsel handelt.

Um das Geheimnis der Entstehung von FRBs zu ergründen, hat ein Team von Astronomen das Very Large Telescope (VLT) in der Atacama-Wüste im Norden Chiles auf FRB 20201124A gerichtet. FRB 20201124A stammt aus einer Quelle, die schätzungsweise 1,3 Milliarden Lichtjahre entfernt ist, und ist ein besonders aktiver Radioburst, der in den letzten Jahren mehrere Episoden explosiver Aktivität erlebt hat.

„FRBs gehören zu den heftigsten Phänomenen im Universum und liefern Informationen über physikalische Prinzipien unter extremen Bedingungen“, sagt Teamleiterin Gabriele Bruni, Forscherin am Nationalen Institut für Astrophysik, gegenüber kosmischeweiten.de. „Alles in allem kann man sie als kosmische Laboratorien betrachten, in denen wir unsere Theorien testen und neue physikalische Erkenntnisse gewinnen können.“

Bruni erklärte, dass er und sein Team die schwächste Radio-Kontinuum-Emission, elektromagnetische Strahlung über einen Bereich von Wellenlängen, nachweisen konnten, die bisher mit FRB in Verbindung gebracht wurde. Damit konnten sie den Ursprung des FRB bestätigen, den ihr „Nebelmodell“ nahelegt. Dieses Modell sagt voraus, dass das Radiokontinuum durch eine Plasmablase erzeugt wird, die den zentralen Motor umgibt, der für die Ausbrüche verantwortlich ist, und die durch Winde geladener Teilchen aufgeblasen wird, die als „Nebelwind“ bezeichnet werden und von diesem Objekt ausgehen. „Die Entdeckung ermöglicht es uns, den Ursprung der schnellen Radiobursts den Überresten massereicher Sterne zuzuschreiben“, sagte Bruni. „Unsere Entdeckung der Kontinuumsemission, die mit einigen FRB verbunden ist, ermöglicht es uns, die Umgebung ihrer Quelle besser zu verstehen, was bedeutet, dass der zentrale Motor, der die Ausbrüche erzeugt, auch in der Lage sein muss, eine Plasmablase durch Winde aufzublasen.

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„Der beste Kandidat, um diese Eigenschaften zu erklären, ist bisher ein Magnetar, ein extrem magnetisierter Neutronenstern.“

Tote Sterne blasen Blasen

Magnetare, wie alle Neutronensterne, entstehen, wenn einst massereiche Sterne mit einer Masse, die mindestens achtmal so groß ist wie die der Sonne, sterben. Der stellare „Tod“ tritt ein, wenn die Sterne ihre Brennstoffvorräte erschöpft haben, nachdem sie Millionen oder sogar Milliarden von Jahren damit verbracht haben, in ihrem Kern Kernbrennstoff zu verbrennen und in schwerere Elemente umzuwandeln. Das ist in der Regel dann der Fall, wenn Eisen geschmiedet wurde und den Kern ausfüllt, da kein Stern in der Lage ist, dieses Element in schwerere Elemente umzuwandeln.

Mit dem Ende dieses Brennstoffvorrats endet auch der vom Kern des Sterns ausgehende Energiefluss nach außen. Dieser Druck der nach außen gerichteten Strahlung ist es, der einen Stern während seines gesamten Lebens gegen die nach innen gerichtete Kraft seiner eigenen Schwerkraft stützt und ihn in einem empfindlichen Zustand des Gleichgewichts hält.

Wenn dieses Gleichgewicht gestört wird, kollabiert der Kern des Sterns und sendet Schockwellen in die äußeren Schichten des Sterns. Dies führt dazu, dass diese Schichten in einer gewaltigen Supernovaexplosion auseinandergesprengt und zerstreut werden, während der innere Kern in sich zusammenfällt. Das Ergebnis ist ein stellarer Überrest, der die ein- bis zweifache Masse der Sonne hat und in eine Kugel mit einem Durchmesser von nur etwa 19 Kilometern gepresst ist.

Das ist ein Neutronenstern.

Eine Illustration eines Neutronensterns, der ein „Sternenbeben“ erlebt, ein gewaltiges Ereignis, das mysteriöse schnelle Radioausbrüche verursachen könnte. (Bildnachweis: NASA’s Goddard Space Flight Center/S. Wiessinger)

Durch diese ganze Situation entsteht nicht nur Neutronensternmaterie, die so dicht ist, dass ein Teelöffel davon etwa 1 Milliarde Tonnen wiegen würde, sondern der schnell schrumpfende Radius erhöht auch die hohe Rotationsrate des stellaren Überrests, ähnlich wie ein Eisläufer, der seine Arme einzieht, um sich schneller zu drehen. Infolgedessen können sich einige junge Neutronensterne bis zu 700 Mal pro Sekunde drehen.

Der Kollaps drückt auch die Magnetfeldlinien des sterbenden Sterns zusammen. Da die Feldlinien zusammengedrückt werden, können die stärksten Magnetfelder des Universums entstehen. Es gibt Neutronensterne, die ein so starkes Magnetfeld haben, dass sie in eine eigene Kategorie von Himmelsobjekten eingeordnet werden können.

Diese Neutronensterne sind die Magnetare.

Wie bereits erwähnt, werden Magnetare seit langem als Quelle der sich wiederholenden FRBs vermutet, aber die Wissenschaftler konnten bisher nicht genau feststellen, wie das geschieht. Zu den Vorschlägen gehören Unterschiede zwischen dem Inneren und der äußeren Kruste eines Neutronensterns, die zu einem „Glitch“ oder einer vorübergehenden Beschleunigung der Rotation führen, und Sternbeben, die das neutronenreiche Materiemeer im Inneren eines Neutronensterns durchdringen und Energie freisetzen, wenn sie die Oberfläche durchbrechen.

Fast Radio Bursts brechen über dem Himmel der Erde aus (Bildnachweis: T. Jarrett (IPAC/Caltech); B. Saxton, NRAO/AUI/NSF)

„Wir haben im April 2021 mit der Beobachtung von FRB20201124A begonnen, und unsere intensiven Beobachtungen mit dem VLA haben es uns ermöglicht, seine schwache Kontinuumsemission im Radio zu entdecken“, sagte Bruni. „Dies ermöglichte uns, die Messung der Helligkeit im Verhältnis zur Rotation zu erweitern, eine Möglichkeit, die Magnetisierung und Ionisierung des die FRB-Quelle umgebenden Mediums abzuschätzen, wie es das Nebelmodell vorsieht, und bestätigte damit seine Gültigkeit“.

„Unser Ergebnis könnte das ‚magnetoionische Medium‘, die Kombination aus Plasma und Magnetfeldern um den FRB-Motor, beweisen und belegen, dass die Kontinuumsemission in seiner unmittelbaren Umgebung erzeugt wird“, so Bruni.

Dieses Modell liefert zwar Beweise für die Verbindung zwischen FRBs und Magnetaren, gibt aber noch keine Antwort auf die Frage, ob sich wiederholende und sich nicht wiederholende FRBs die gleichen Quellen haben.

„Diese Frage wird derzeit von der astronomischen Gemeinschaft untersucht, wobei es einige Hinweise darauf gibt, dass alle FRBs in der Lage sein sollten, sich wiederholende Episoden von Ausbrüchen zu erleben, aber nur die stärksten beobachtet werden können“, sagte Bruni. „Wenn wir das VLA an seine Grenzen bringen, könnten wir ein Gefühl dafür bekommen, wie viele weitere FRB mit der erhöhten Empfindlichkeit der nächsten Generation von Radioteleskopen untersucht werden könnten.

„Wir haben eine Kampagne gestartet, um mehr ‚Plasmablasen‘ zu entdecken, die andere FRBs umgeben, um das Nebelmodell zu verbessern und ihre physikalischen Eigenschaften einzuschränken.“

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Mittwoch (7. August) in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.