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Quelle wiederholter Radiostrahlungsausbrüche in extremer kosmischer Umgebung

Extragalaktische Quelle energetischer Radiostrahlungsausbrüche liegt in hochmagnetisierter astrophysikalischer Region

10. Januar 2018

Die erstmalige Entdeckung von stark polarisierten Radioblitzen von FRB 121102, der bisher einzigen bekannten Quelle wiederholter Radiostrahlungsausbrüche, zeigt die Existenz eines starken Magnetfelds im direkten Umfeld der Quelle. Derart starke Magnetfelder sind in astrophysikalischen Umgebungen recht selten und lassen darauf schließen, dass die Quelle des Radiostrahlungsausbruchs entweder in der Nachbarschaft eines massereichen Schwarzen Lochs oder aber innerhalb eines kosmischen Nebels von hoher Energie zu finden ist. Die Forschungsergebnisse  eines internationalen Teams von Astronomen unter Beteiligung von Laura Spitler vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) werden in der Fachzeitschrift „Nature” (Ausgabe vom 11. Januar 2018) veröffentlicht und auch als Highlight auf der Titelseite der Zeitschrift präsentiert.

 

<p><em>Das 305m-Radioteleskop bei Arecibo in Puerto Rico mit der in 140 Metern Höhe darüber hängenden Instrumentenplattform in einer sternklaren Nacht. Links neben dem Band der Milchstraße ist ein Strahlungsausbruch von der Quelle FRB 121102 dargestellt, der von weit jenseits der Grenzen der Milchstraße das Teleskop erreicht. </em></p> Bild vergrößern

Das 305m-Radioteleskop bei Arecibo in Puerto Rico mit der in 140 Metern Höhe darüber hängenden Instrumentenplattform in einer sternklaren Nacht. Links neben dem Band der Milchstraße ist ein Strahlungsausbruch von der Quelle FRB 121102 dargestellt, der von weit jenseits der Grenzen der Milchstraße das Teleskop erreicht.

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Die Radioblitze von FRB121102, der nach wie vor einzigen bekannten Quelle wiederholter Radiostrahlungsausbrüche („Fast Radio Bursts”, FRBs), treten sehr stark polarisiert auf. Das hat ein internationales Team von Astronomen durch neue Radiobeobachtungen mit den Teleskopen des Arecibo-Observatoriums, Puerto Rico, und des Green-Bank-Observatoriums, West Virginia, herausgefunden. Das Verhalten dieser polarisierten Strahlung bei unterschiedlichen Frequenzen macht es ihnen möglich, die direkte Umgebung der Strahlungsquelle auf neuartige Weise zu erforschen.

Wenn polarisierte Radiostrahlung ein kosmisches Magnetfeld durchläuft, wird die Ausrichtung der Polarisation durch einen Effekt verdreht, den man als Faraday-Rotation bezeichnet: je stärker das Magnetfeld desto größer das Ausmaß der Verdrehung. Bei den Radiostrahlungsausbrüchen von FRB121102 gehört dieser Effekt zu den stärksten, die  jemals in kosmischen Radioquellen gemessen wurden. Die Forscher schließen daraus, dass die erzeugte Strahlung ein außergewöhnlich starkes Magnetfeld in dichtem kosmischem Plasma durchläuft.

„Die einzigen Quellen in unserer Milchstraße, deren polarisierte Strahlung so stark verdreht wird wie bei FRB121102, liegen im Galaktischen Zentrum und damit in einer dynamischen Region in unmittelbarer Nähe zu einem massereichen Schwarzen Loch”, sagt Daniele Michilli, ein Doktorand an der Universität von  Amsterdam und ASTRON, dem Niederländischen Institut für Radioastronomie. „Die Verdrehung der Polarisation in den Strahlungsausbrüchen könnte aber auch dadurch erklärt werden, dass sich die Quelle in einem leuchtkräftigen Nebel oder Supernovaüberrest befindet”, setzt er hinzu. 

Der Schlüssel zu dem neuen Resultat war der Nachweis der Strahlungsausbrüche bei höheren Radiofrequenzen als jemals zuvor. „Wir haben am Arecibo-Observatorium einen neuen Beobachtungsaufbau entwickelt, um dies zu ermöglichen, und unsere Kollegen vom „Breakthrough Listen”-Projekt am Green-Bank-Teleskop konnten das Ergebnis durch Beobachtungen bei sogar noch höheren Radiofrequenzen bestätigen“, sagt Andrew Seymour vom Arecibo-Observatorium. „Dazu kommt, dass Eigenschaften und Verlauf der Polarisation der von jungen energiereichen Neutronensternen in unserer Milchstraße ähneln. Das unterstützt Modelle zum Ursprung der Radioblitze in Neutronensternen”, fügt er hinzu.

Erst vor einem Jahr hat das Forscherteam die genaue Position von FRB121102 ermittelt und herausgefunden, dass die Strahlungsausbrüche aus einem Sternentstehungsgebiet in einer Zwerggalaxie in rund drei Milliarden Lichtjahren Entfernung kommen. Der riesige Abstand zu der Quelle zeigt, dass in jedem Strahlungsausbruch eine gewaltige Menge an Energie freigesetzt wird – in einem nur eine Millisekunde lang andauernden Radioblitz ist es die gleiche Energie, wie sie unsere Sonne an einem ganzen Tag abstrahlt.

Zusätzlich zu der stärksten Drehung der Polarisationsrichtung, die in den bisher bekannten Radiostrahlungsausbrüchen beobachtet werden konnte, zeigen die beobachteten Ausbrüche von FRB121102  eine komplexe Struktur in Zeit und Radiofrequenz. „Die Profile der anderen bisher gefundenen Strahlungsausbrüche sind einfach mit gerade einem oder maximal zwei Spitzen im zeitlichen Verhalten. Bei FRB121102 haben wir aber schon Ausbrüche mit gleich sieben dieser Spitzen beobachtet, und die finden wir sowohl in der zeitlichen als auch in der Frequenzabhängigkeit der Radiostrahlung”, sagt Laura Spitler vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie. „Wir versuchen zu verstehen, ob diese Strukturen in den Strahlungsausbrüchen direkt von dem Prozess kommen, der die Strahlung erzeugt, oder ob sie auf die Ausbreitung der Strahlung in dichtem Plasma in der direkten Umgebung zurückgehen.”  

„Wir werden weiterhin systematisch überprüfen, wie sich die Eigenschaften der Strahlungsausbrüche mit der Zeit ändern”, sagt Jason Hessel, Universität Amsterdam und  ASTRON-Institut. „Mit diesen Beobachtungen sollte es uns möglich sein, zu entscheiden, welche der beiden Ursprungsmodelle für die Bursts zutrifft: ein Neutronenstern entweder in direkter Umgebung eines Schwarzen Lochs oder inmitten eines energiereichen kosmischen Nebels”, schließt er.

Mit eine ganzen Anzahl von neuen Radioteleskopen zur gleichzeitigen Erfassung größerer Areale am Himmel, die demnächst ihren Betrieb aufnehmen, ist zu erwarten, dass in den kommenden Jahren eine ganze Anzahl weiterer Radioblitze nachgewiesen wird und die Forscher sind gespannt auf die Ergebnisse, um weitere fundamentale Fragen über die Natur der schnellen Radiostrahlungsausbrüche zu beantworten.

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Das Forscherteam umfasst Daniele Michilli (University of Amsterdam & ASTRON), den Erstautor und Jason Hessels, ebenso University of Amsterdam und ASTRON, Andrew Seymour (NAIC, Arecibo), Laura Spitler (MPIfR Bonn), Vishal Gajjar (Space Science Laboratory, University of California at Berkeley), gefolgt von einer Anzahl weiterer Ko-Autoren: A.M. Archibald G. C. Bower, S. Chatterjee, J.M. Cordes, K. Gourdji, G. H. Heald, V.M. Kaspi, C. J. Law, C. Sobey, E. A. K. Adams, C. G. Bassa, S. Bogdanov, C. Brinkman, P. Demorest, F. Fernandez, G. Hellbourg, T. J. W. Lazio, R. S. Lynch, N. Maddox, B. Marcote, M. A.McLaughlin, Z. Paragi, S.M. Ransom, P. Scholz, A. P. V. Siemion, S. P. Tendulkar, P. Van Rooy, R. S. Wharton, D. Whitlow. Vom MPIfR sind Laura Spitler und Robert Wharton als Autoren beteiligt. 

Laura Spitler ist Projektleiterin der Beobachtungskampagne am 305m-Radioteleskop Arecibo. Ihre Forschungsarbeit wurde durch das ERC-Forschungsprojekt BEACON (Kontraktnummer 279702) und durch die Max-Planck-Gesellschaft unterstützt.

 

 
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