Ein mysteriöser Ausbruch von Radiowellen mit mehr Energie als die Sonne in einem Jahr aussendet, wurde auf einen kosmischen Friedhof toter Galaxien voller alter Sterne zurückgeführt.
Eine Illustration einer „toten“ elliptischen Galaxie, die einen starken und schnellen Ausbruch von Radiowellen aussendet (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Astronomen sind gezwungen, den Ursprung mysteriöser, schneller Radiowellenexplosionen, sogenannter „Fast Radio Bursts“ (FRBs), neu zu bewerten.
Dieses Umdenken wurde durch einen im letzten Jahr erstmals entdeckten FRB ausgelöst, der auf den „kosmischen Friedhof“ einer massiven „toten“ Galaxie voller alter Sterne zurückgeführt wurde, die 2 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt ist.
FRBs werden in der Regel auf den Supernova-Tod massereicher junger Sterne in jüngeren Galaxien zurückgeführt, die sich in einer Phase der Sternentstehung befinden. Dieses Ereignis löst auch die Geburt von hochmagnetischen Neutronensternen oder „Magnetaren“ aus. In dieser FRB-Quellgalaxie scheinen solche Elemente jedoch zu fehlen, was bedeutet, dass die FRB-erzeugenden Ereignisse möglicherweise vielfältiger sind als bisher angenommen.
„Dieser neue FRB zeigt uns, dass sich das Universum gerade dann, wenn man glaubt, ein astrophysikalisches Phänomen zu verstehen, umdreht und uns überrascht“, sagte Wen-fai Fong, Mitglied des Teams und Wissenschaftler an der Northwestern University. „Dieser ‚Dialog‘ mit dem Universum ist es, der unser Feld der Zeitbereichsastronomie so unglaublich aufregend macht.“
Inhaltsübersicht
Einmysteriöses sich wiederholendes Radiosignal
Diese theorieverändernde Forschung begann im Februar 2024, als das Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME) einen neuen FRB entdeckte, der später als FRB 20240209A bezeichnet wurde.
Die meisten FRBs flackern nur einmal auf, dauern nur wenige Millisekunden und strahlen mehr Energie ab, als die Sonne in einem Jahr ausstrahlt. FRB 20240209A jedoch flammte wiederholt auf, wobei dieselbe Quelle zwischen Februar und Juli 2024 21 Pulse erzeugte.
Sechs dieser Impulse wurden von einer kleineren Version von CHIME entdeckt, einem „Ausleger“-Teleskop, das etwa 60 Kilometer vom Hauptinstrument entfernt ist. Diese Ausleger dienen den Astronomen dazu, die Quelle der von CHIME entdeckten FRBs zu lokalisieren. So war das Team in der Lage, diese Rückverfolgung für FRB 20240209A durchzuführen. Nachdem die Quelle von FRB 20240209A lokalisiert worden war, führte das Team Folgebeobachtungen mit den Observatorien W.M. Keck und Gemini durch, um so viel wie möglich über seine Umgebung zu erfahren.
Ein Bild der Wirtsgalaxie und der Position von FRB 20240209A. (Bildnachweis: Tarraneh Eftekhari/Northwestern University)
Wenn die Wissenschaftler eine junge Galaxie wie die typische FRB-Quelle erwarteten, erlebten sie eine Überraschung. Ihre Nachuntersuchung ergab, dass FRB 20240209A vom Rand einer 11,3 Milliarden Jahre alten Galaxie ausging. Das Team machte sich daran, mehr über diese Galaxie zu erfahren, indem es fortschrittliche Computersimulationen durchführte. Dabei stellte sich heraus, dass der galaktische Wirt dieses FRB extrem hell ist und eine Masse hat, die etwa 100 Milliarden Mal so groß ist wie die unserer Sonne.
„Es scheint die bisher massivste FRB-Galaxie zu sein“, sagte Tarraneh Eftekhari, Mitglied des Teams und Wissenschaftlerin am Northwestern Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). „Sie gehört zu den massivsten Galaxien, die es gibt.“
Ein FRB am Rande
Die Quelle dieses FRB innerhalb der Galaxie stellt ebenfalls ein Rätsel dar. Denn FRBs entstehen in der Regel weit innerhalb ihrer Galaxien. FRB 20240209A kam jedoch aus den Außenbezirken seiner Wirtsgalaxie, etwa 130.000 Lichtjahre vom galaktischen Zentrum entfernt.
„Unter den FRB-Populationen ist dieser FRB am weitesten vom Zentrum seiner Wirtsgalaxie entfernt“, sagte Vishwangi Shah, Doktorand in McGill, der die Bemühungen zur Lokalisierung der Quelle von FRB 20240209A leitete. „Dies ist sowohl überraschend als auch aufregend, da man erwartet, dass FRBs innerhalb von Galaxien entstehen, oft in Sternentstehungsgebieten. „Dass dieser FRB so weit außerhalb seiner Wirtsgalaxie auftritt, wirft die Frage auf, wie solch energiereiche Ereignisse in Regionen auftreten können, in denen sich keine neuen Sterne bilden.“
Vor dieser Entdeckung wurde nur ein einziger FRB bis an die äußeren Grenzen einer Galaxie zurückverfolgt.
Messier 81, Gastgeber des FRB mit der Bezeichnung FRB 20200120E. (Bildnachweis: Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/University of Arizona)
Im Jahr 2022 wurde FRB 20200120E zu einem dichten Sternhaufen oder Kugelsternhaufen am Rande von Messier 81 (M81) zurückverfolgt, einer Spiralgalaxie rund 12 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Ursa Major.Obwohl sie aus sehr unterschiedlichen Galaxien stammen, haben FRB 20240209A und FRB 20200120E viele Gemeinsamkeiten.
Vor einigenJahren wurde der FRB von M81 überraschenderweise innerhalb eines dichten Sternhaufens, eines sogenannten Kugelsternhaufens, entdeckt“, so Fong. „Seit der Entdeckung von FRB 20200120E wurde kein FRB dieser Art mehr beobachtet. Das führte dazu, dass Fong und das Team glaubten, FRB 20200120E sei eine einmalige Entdeckung – bis jetzt. „Tatsächlich könnte dieser CHIME FRB ein Zwilling des Ereignisses M81 sein. Er ist weit von seiner Heimatgalaxie entfernt, weit weg von dem Ort, an dem Sterne geboren werden, und die Population der Sterne in seiner Heimatgalaxie ist extrem alt. Sie hat ihre Blütezeit hinter sich und geht jetzt in den Ruhestand“, so Fong. „Gleichzeitig veranlasst uns diese Art von alter Umgebung, unsere Standardmodelle für FRB-Vorläufer zu überdenken und uns exotischeren Entstehungskanälen zuzuwenden, was sehr spannend ist.“
FRBs ohne Supernovae
Bislang wurden etwa 100 FRBs mit einem galaktischen Wirt in Verbindung gebracht, und die meisten davon mit einem Magnetar – einer hochmagnetischen Form eines Neutronensterns.Wie alle Neutronensterne entstehen Magnetare, wenn massereichen Sternen der Brennstoff für die Kernfusion ausgeht. Das bedeutet, dass der Energiefluss nach außen, der sie vor dem Kollaps bewahrt, unterbrochen wird und der Stern sich nicht mehr gegen die erdrückende Kraft seiner eigenen Schwerkraft stemmen kann.
Während der Kern des Sterns schnell zu einem Neutronenstern zerbricht, werden die äußeren Schichten und der größte Teil der Masse des Sterns in einer Kernkollaps-Supernova weggesprengt.
Die Illustration zeigt einen Magnetar, der von grünen Magnetfeldlinien in der feurigen Hülle der Supernova-Trümmer seiner Geburt umgeben ist. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
„Die vorherrschende Theorie besagt, dass FRBs von Magnetaren stammen, die durch Kernkollaps-Supernovae entstehen“, so Eftekhari. „Das scheint hier nicht der Fall zu sein. Während junge, massereiche Sterne ihr Leben als Kernkollaps-Supernovae beenden, sehen wir keine Hinweise auf junge Sterne in dieser Galaxie.
„Dank dieser neuen Entdeckung zeichnet sich ein Bild ab, das zeigt, dass nicht alle FRBs von jungen Sternen stammen. Die Forscher glauben, dass FRB 20240209A, genau wie FRB 20200120E, von einem Kugelsternhaufen stammen könnte. Dies ist von Bedeutung, da Kugelsternhaufen mit anderen starken Ereignissen in Verbindung gebracht werden, die mit älteren Sternen in Verbindung stehen, darunter die Kollisionen und Verschmelzungen zweier Neutronensterne oder ein Weißer Zwerg, der unter seiner eigenen Schwerkraft kollabiert. Ein Kugelsternhaufen als Ursprung dieses sich wiederholenden FRBs ist das wahrscheinlichste Szenario, um zu erklären, warum dieser FRB außerhalb seiner Wirtsgalaxie auftritt“, so Shah. „Wir wissen nicht genau, ob es an der FRB-Position einen Kugelsternhaufen gibt, und haben einen Vorschlag eingereicht, das James Webb Weltraumteleskop für Folgebeobachtungen an der FRB-Position einzusetzen. Sollte dies der Fall sein, wäre dieser FRB erst der zweite FRB, von dem bekannt ist, dass er sich in einem Kugelsternhaufen befindet. „Wenn nicht, müssten wir alternative exotische Szenarien für den Ursprung des FRB in Betracht ziehen.
„Es ist klar, dass es bei FRBs noch viel zu entdecken gibt und dass ihre Umgebung der Schlüssel zur Entschlüsselung ihrer Geheimnisse sein könnte“, schloss Eftekhari.
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden Ende Januar in zwei Artikeln in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
