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Rätselhafter kosmischer Strahlungsausbruch wiederholt sich in gleicher Quelle

Neue Beobachtungen geben Hinweise auf unterschiedliche Klassen von schnellen Radiostrahlungsausbrüchen

2. März 2016

Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung von Astronomen aus dem Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie hat die erste Quelle von wiederholten Radiostrahlungsausbrüchen außerhalb der Milchstraße entdeckt. Diese Kurzzeit-Strahlungsausbrüche im Radiobereich dauern jeweils nur einige Millisekunden und ihr rätselhaftes Verhalten beschäftigt die Forscher bereits seit der Erstentdeckung vor fast zehn Jahren. Die aktuellen Resultate lassen darauf schließen, dass die beobachteten Ausbrüche von einem extrem leuchtkräftigen Objekt stammen, das gelegentlich auch Mehrfachausbrüche innerhalb eines Zeitraums von weniger als einer Minute produziert.

Die Ergebnisse werden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift “Nature” präsentiert.
<p><em>Das 305m-Arecibo-Radioteleskop und seine Instrumentenplattform in 140 m H&ouml;he &uuml;ber dem Spiegel, fotografiert in einer sternklaren Nacht. Aus gro&szlig;er Entfernung im Universum bewegt sich eine Sequenz von Radioblitzen von jeweils nur wenigen Millisekunden Dauer in Richtung des Teleskopspiegels, wird dort reflektiert und vom Empf&auml;nger an der Plattform aufgenommen. Diese Art von Radiosignalen bezeichnet man als schnelle Radiostrahlungsausbr&uuml;che, und Arecibo ist das erste Teleskop, mit dem ein wiederholter Ausbruch von derselben Quelle nachgewiesen werden konnte.</em></p> Bild vergrößern

Das 305m-Arecibo-Radioteleskop und seine Instrumentenplattform in 140 m Höhe über dem Spiegel, fotografiert in einer sternklaren Nacht. Aus großer Entfernung im Universum bewegt sich eine Sequenz von Radioblitzen von jeweils nur wenigen Millisekunden Dauer in Richtung des Teleskopspiegels, wird dort reflektiert und vom Empfänger an der Plattform aufgenommen. Diese Art von Radiosignalen bezeichnet man als schnelle Radiostrahlungsausbrüche, und Arecibo ist das erste Teleskop, mit dem ein wiederholter Ausbruch von derselben Quelle nachgewiesen werden konnte.

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„Wir haben niemals zuvor gesehen, dass sich ein Radiostrahlungsausbruch in der gleichen Quelle wiederholt hat”, sagt Laura Spitler, die Erstautorin der Veröffentlichung, die als Postdoc am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) arbeitet. „Um sicherzugehen, haben wir eine bereits vorher entdeckte Radioburst-Quelle über Monate hinweg systematisch überwacht.“ Die Beobachtungen der Kurzzeit-Radiostrahlungsausbrüche („Fast Radio Bursts“ oder FRBs) wurden mit dem Arecibo-Radio-Teleskop in Puerto Rico durchgeführt, dem zur Zeit weltweit größten Einzelteleskop mit einem Spiegeldurchmesser von 305 Metern.

Bis jetzt gehen die meisten Theorien zum Ursprung dieser rätselhaften Strahlungsausbrüche davon aus, dass es sich dabei um verheerende Ereignisse handelt, bei denen die Quelle selbst zerstört wird. Das könnte zum Beispiel eine Supernova-Explosion sein, oder auch der Kollaps eines Neutronensterns in ein Schwarzes Loch. Das hat sich seit November 2015 grundliegend verändert, als nämlich Paul Scholz, ein Doktorand an der kanadischen McGill-Universität, die Ergebnisse einer systematischen Überwachung durchging und dabei auf 10 weitere Strahlungsausbrüche stieß. „Die wiederholt auftretenden Signale waren eine Überraschung – und sehr aufregend!“ freut sich Paul Scholz. „Mir war sofort klar, dass diese Entdeckung für die weitere Untersuchung der Strahlungsausbrüche extrem wichtig sein würde.“   

Die Beobachtung lässt darauf schließen, dass die Ausbrüche auf ein sehr exotisches Objekt zurückzuführen sind, wie zum Beispiel einen schnell rotierenden Neutronenstern mit bisher nicht gekannter Energie, die die Aussendung von extrem intensiven Strahlungspulsen ermöglicht. Es ist durchaus möglich, dass dieses Ergebnis die erstmalige Entdeckung einer neuen Unterklasse in der Population kosmischer Kurzzeit-Radiostrahlungsausbrüche darstellt.

„Es ist nicht nur so, dass die Strahlungsausbrüche sich bei dieser Quelle wiederholen, auch Helligkeit und Spektralverhalten unterscheiden sich deutlich von anderen FRBs“, stellt Laura Spitler fest. Ein zusätzliches Argument für die Existenz von mehreren Klassen von FRBs kommt von einer Untersuchung, die in Kürze in der Fachzeitschrift „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ veröffentlicht wird. Sie berichtet über die erstmalige Entdeckung von Strahlungsausbrüchen mit zwei direkt aufeinanderfolgenden Maxima, die mit dem australischen Parkes-Radioteleskop entdeckt wurden. „Die Aussendung von zwei Pulsen hintereinander mit nur wenigen Millisekunden Abstand können wir am ehesten mit Strahlungsausbrüchen auf der Oberfläche eines Neutronensterns erklären“, sagt David Champion vom MPIfR, der Erstautor dieser Untersuchung.

<p><em>Der urspr&uuml;nglich entdeckte &ldquo;Burst 1&rdquo; und 10 neue Strahlungsausbr&uuml;che von der Radioquelle FRB 121102. Die Strahlungsausbr&uuml;che sind als Funktion der beobachteten Radiofrequenz dargestellt, wobei das &uuml;ber alle Frequenzen aufsummierte Signal am oberen Rand eines jeden Teildiagramms dargestellt ist.</em></p> Bild vergrößern

Der ursprünglich entdeckte “Burst 1” und 10 neue Strahlungsausbrüche von der Radioquelle FRB 121102. Die Strahlungsausbrüche sind als Funktion der beobachteten Radiofrequenz dargestellt, wobei das über alle Frequenzen aufsummierte Signal am oberen Rand eines jeden Teildiagramms dargestellt ist.

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Interessanterweise steht die wahrscheinlichste Erklärung des neuen Arecibo-Ergebnisses – dass nämlich der wiederholte Strahlungsausbruch von selben Ursprungsobjekt auf einen jungen Neutronenstern von außerhalb der Milchstraße schließen lässt – scheinbar im Widerspruch mit dem Ergebniseiner weiteren Untersuchung, die erst letzte Woche in „Nature“ veröffentlicht wurde, und an der ebenfalls Wissenschaftler vom MPIfR beteiligt waren. Darin wird vorgeschlagen, dass sich FRBs auf zerstörerische Einzelereignisse zurückführen lassen, wie zum Beispiel Kurzzeit-Gammastrahlungsausbrüche, die die Quelle selbst zerstören und keine Wiederholung zulassen. Beide Resultate zusammengenommen liefern ein starkes Argument dafür, dass es zumindest zwei unterschiedliche Arten von FRBs gibt.

In Zukunft hoffen die Wissenschaftler darauf, durch Beobachtungen in anderen Wellenlängenbereichen noch mehr über diese Strahlungsausbrüche erfahren zu können. „Wir sind dabei, unsere Radiobeobachtungen mit den entsprechenden Beobachtungen von optischen und Röntgenteleskopen zu vergleichen“, sagt Jason Hessels (Universität Amsterdam & ASTRON, Niederlande). „Es ist eine sehr aufregende Zeit für die Untersuchung von FRBs. Man kann mit beinahe jeder Quelle etwas Neues lernen.“

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Am Projekt beteiligte Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie sind Laura Spitler, die Erstautorin, sowie Paulo Freire, Patrick Lazarus und Weiwei Zhu.

Das Arecibo-Observatorium wird von SRI International unter einem Kooperationsvertrag mit der National Science Foundation (AST-1100968) betrieben, in Zusammenarbeit mit der Ana G. Méndez-Universidad Metropolitana, und der Universities Space Research Association.

Das Forschungsprojekt wurde unterstützt durch den “European Research Council”, den “National Science and Engineering Council of Canada”, und die “American National Science Foundation”.

 
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