RADIOSTRAHLUNGSAUSBRUCH
Burst hilft bei Suche nach fehlender Materie
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie
astronews.com
26. Februar 2016

Astronomen ist es erstmals gelungen, den genauen Ursprungsort und die Entfernung eines schnellen Radiostrahlungsausbruchs zu bestimmen. Sie nutzten dazu ein ganzes Netzwerk von Teleskopen. Die Beobachtungen erlaubten auch Rückschlüsse auf die Materieverteilung im Universum und konnten so derzeitige kosmologische Modelle bestätigen.

Das Infrarotbild auf der linken Seite zeigt das Blickfeld der Beobachtungen mit dem Parkes-Radioteleskop, wobei der Bereich, aus dem das Signal stammt, blaugrün markiert wurde. Auf der rechten Seite sind jeweils Ausschnittvergrößerungen aus diesem Bereich mit dem optischen Bild des Subaru-Teleskops unten rechts. Es zeigt die Galaxie, in der der Radioausbruch stattfand mit überlagerten elliptischen Konturen der Position des sechstägigen Nachglimmens, wie mit ATCA beobachtet. Bild: D. Kaplan (UWM), E. F. Keane (SKAO)   [Großansicht]

Am 18. April 2015 wurde mit dem 64-Meter-Parkes-Radioteleskop in Australien im Rahmen einer systematischen Suche nach Pulsaren und Radiostrahlungsausbrüchen ein schneller Radiostrahlungsausbruch (im Englischen Fast Radio Burst, kurz FRB) entdeckt. Innerhalb von nur wenigen Stunden waren mehrere Teleskope weltweit alarmiert, um nach dem Signal zu suchen, darunter das Australia Telescope Compact Array (ATCA) und das 100-Meter-Radioteleskop Effelsberg in Deutschland.

Bei FRBs handelt es sich um rätselhafte helle Radioblitze, die meist nur wenige Millisekunden dauern. Ihr eigentlicher Ursprung ist bisher unbekannt, wobei eine ganze Reihe möglicher Phänomene mit ihnen in Verbindung gebracht werden. FRBs sind sehr schwierig zu entdecken; mit dem aktuellen Beispiel sind nur insgesamt 17 solcher Ausbrüche bekannt.

"Bisher konnte man FRBs nur im Nachhinein durch die Analyse von Monate oder sogar Jahre vorher aufgenommener Daten identifizieren", erläutert Evan Keane, Projektwissenschaftler bei der Square Kilometre Array Organisation. "Dann ist es natürlich zu spät, um direkte Nachfolgebeobachtungen des Phänomens durchführen zu können."

Um dies zu vermeiden, hat das Forscherteam im Rahmen des SUrvey for Pulsars and Extragalactic Radio Bursts, kurz SUPERB, ein spezielles Beobachtungssystem entwickelt, mit dem FRBs innerhalb von Sekunden aufgespürt eine Reihe von Teleskopen für unmittelbare Nachfolgebeobachtungen alarmiert werden können. So erhofft sich das Team zusätzliche Informationen über die direkten Nachwirkung des Radioblitzes.

Dank der hohen Winkelauflösung der kombinierten sechs 22-Meter-Antennen des ATCA konnte die Richtung, aus der das Radiosignal kam, wesentlich genauer als vorher bestimmt werden, wobei das "Nachglimmen" des ursprünglichen Strahlungsausbruchs insgesamt sechs Tage lang beobachtet werden konnte, ehe es unter die Nachweisgrenze geriet. Durch die lange Beobachtungszeit konnte die Position am Himmel tausendmal genauer festgelegt werden als bei vorher gefundenen FRBs.

Weitere wichtige Informationen lieferten optische Beobachtungen mit dem 8,2-Meter-Subaru-Teleskop auf Hawaii, mit denen eine elliptische Galaxie in rund sechs Milliarden Lichtjahren Entfernung als Ursprungsort für das Radiosignal ermittelt werden konnte. "Es ist das erste Mal überhaupt, dass wir die Ursprungsgalaxie eines FRB identifizieren konnten", freit sich Keane.

Die optischen Beobachtungen ermöglichten auch zum ersten Mal die Bestimmung der Entfernung für einen FRB. Um die Physik eines solchen Ereignisses zu verstehen, müssen die Astronomen wissen, wo genau sich das Phänomen ereignet hat, wie weit es entfernt ist und ob es sich eventuell wiederholen könnte.

"Unsere Analyse führt uns zu dem Schluss, dass dieser neue Radiostrahlungsausbruch sich nicht wiederholen wird, sondern dass er auf ein verheerendes Ereignis in dieser fernen Galaxie zurückgeht", so Michael Kramer vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, der die Struktur des Radioprofils des Ausbruchs analysiert hat. Mit dem 100-Meter-Radioteleskop Effelsberg des Instituts wurden auch Nachfolgebeobachtungen des Ereignisses durchgeführt.

FRBs zeigen eine frequenzabhängige Dispersion, also eine Verzögerung des Radiosignals, die davon abhängt, wie viel Materie das Signal auf seinem Weg zur Erde durchlaufen hat. "Bis jetzt war das Dispersionsmaß alles, was wir zur Analyse hatten. Mit der zusätzlichen Entfernungsangabe können wir nun die Materiedichte zwischen dem Ursprungsort und der Erde bestimmen und mit gängigen Modellen der Materieverteilung im Universum vergleichen", so Teammitglied Simon Johnston von der Abteilung für Astronomie und Weltraumwissenschaftler der australischen Wissenschaftsorganisation Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) in Sydney. "Das ermöglicht uns letztendlich, das Universum zu wiegen, oder zumindest seinen Anteil an normaler Materie."

Im derzeitigen Modell zum Aufbau des Universums wird von folgender Zusammensetzung ausgegangen: etwa 70 Prozent Dunkle Energie, 25 Prozent Dunkle Materie und fünf Prozent "gewöhnliche" Materie, worunter alles fällt, was wir direkt wahrnehmen können. Allerdings können Astronomen durch Beobachtungen von Sternen, Galaxien und Wasserstoff im Universum nur ungefähr die Hälfte dieser fünf Prozent belegen; der Rest ist nicht unmittelbar sichtbar und wird daher auch als "fehlende Materie" bezeichnet.

"Die gute Nachricht ist, dass unsere Beobachtungen und das Modell übereinstimmen, und dass wir somit die fehlende Materie gefunden haben", erklärt Keane. "Zum ersten Mal hat ein schneller Radiostrahlungsausbruch eine kosmologische Beobachtung ermöglicht."

"Unsere Resultate zeigen das Potential der FRBs als neues Werkzeug für die Kosmologie", meint Kramer, der auch die Berechnungen zur Bestimmung der fehlenden Materie durchgeführt hat. "Was wird erst möglich sein, wenn wir Hunderte dieser Quellen entdeckt haben?"

In Zukunft wird das Square Kilometre Array (SKA) mit seiner extrem hohen Empfindlichkeit und Winkelauflösung und seinem großen Blickfeld es ermöglichen, eine Vielzahl neuer FRBs zu entdecken und deren Ursprungsgalaxien zu bestimmen. Eine wesentlich vergrößerte Stichprobe dieser Objekte wird zu Präzisionsmessungen von kosmologischen Parametern wie der Verteilung von Materie im Universum führen und könnte auch ein besseres Verständnis der Dunklen Energie ermöglichen.

Allerdings werden deutsche Astronomen von den SKA-Beobachtungen weniger profitieren als andere: Die Bundesregierung hatte die Beteiligung Deutschlands an dem Projekt zum Sommer des vergangenen Jahres gekündigt (astronews.com berichtete).

Über ihre Resultate berichteten die Astronomen in dieser Woche in der Zeitschrift Nature.