Ein sich wiederholender Radiostrahlungs-Ausbruch aus einer Spiralgalaxie

Das Radioteleskop Effelsberg ist an der Unter­suchung eines sich wieder­holenden schnellen Radio­strahlungs­ausbruchs (fast radio burst, FRB) beteiligt, mit dem es möglich wurde, den Ursprung des Ausbruchs in einer Spiral­galaxie zu lokali­sieren. Entscheidend für den Erfolg waren die Empfind­lich­keit des Teleskops wie auch sein flexibles Pulsar-Analyse­instrument, mit dem eine schnelle Lokali­sierung der Radio­position möglich wurde. Dieser FRB hat den bisher geringsten Abstand zur Erde und wurde in einer Umgebung auf­ge­spürt, die sich deutlich von denen bei vorher­gehenden FRBs unter­scheidet. Damit müssen die Forscher ihre bisherigen Annahmen über den Ursprung dieser rätsel­haften extra­galak­tischen Ereignisse über­prüfen.

Der Ursprung der extrem kurzen heftigen Radio­strahlungs­ausbrüchen ist eines der großen Rätsel in der aktuellen astro­no­mischen Forschung. Obwohl sie nur für Milli­sekunden sichtbar sind, hat man inzwischen Hunderte dieser rätsel­haften Quellen beobachtet. Doch lediglich für vier bisher gefundene FRBs ist auch eine genauere Position am Himmel bekannt und deren wahr­schein­licher Ursprung lokali­siert. Im Jahr 2016 wurde bei einer dieser vier Quellen beobachtet, dass sich die Radio­strahlungs­ausbrüche wieder­holen: Sie kommen in nicht vorher­sag­barer Weise aus der gleichen Region am Himmel. Seither unter­scheiden die Forscher zwischen FRBs mit lediglich einem beobachteten Radio­strahlungs­ausbruch („non-repeating”) und solchen, für die gleich mehrere dieser Ausbrüche beobachtet werden konnten („repeating”).

„Die wiederholten Ausbrüche, die wir beim ersten identi­fi­zierten Repeater beobachten konnten, kommen aus sehr speziellen und extremen Bedingungen im Inneren einer masse­armen Zwerg­galaxie”, sagt Benito Marcote vom Joint Institute for VLBI ERIC. „Diese Entdeckung markierte das erste Fundstück in einem Puzzle, aber sie warf auch neue Fragen auf, wie zum Beispiel nach dem funda­mentalen Unter­schied zwischen Repeatern und Non-Repeatern. Jetzt haben wir eine zweite Quelle dieser wiederholten Radio­strahlungs­ausbrüche lokali­siert und können unsere vorherigen Annahmen über den Ursprung dieser Ausbrüche über­prüfen.”

Am 19. Juni 2019 haben acht Radio­teleskope im Rahmen des Europä­ischen VLBI-Netzwerks gleich­zeitig eine Radio­quelle beobachtet, die unter der Bezeichnung FRB 180916.J0158+65 bekannt ist. Die Quelle war ursprünglich im Jahr 2018 mit dem CHIME-Radio­teleskop in Kanada entdeckt worden. Mit dem EVN konnten die Wissen­schaftler eine Messung mit sehr hoher Winkel­auflösung in Richtung von FRB 180916.J0158+65 durch­führen. Während der fünf Stunden dauernden Beobachtung entdeckten die Forscher vier Strahlungs­ausbrüche, die jeweils weniger als zwei Milli­sekunden lang dauerten. Die erreichte Auflösung mit der Verbindung von Radio­teleskopen über die ganze Erde hinweg bedeutete, dass die Position des Strahlungs­ausbruchs in der Galaxie auf eine Region von lediglich sieben Licht­jahren Ausdehnung fest­gelegt werden konnte.

Das Radioteleskop Effelsberg spielte gleich in zweierlei Hinsicht eine entscheidende Rolle bei der Durch­führung dieser Beobach­tungen. Zum einen wurde mit den flexiblen Pulsar-Instrumenten am Teleskop Daten für eine sehr schnelle Identi­fi­kation der Radio­strahlungs­ausbrüche gewonnen, die als Input für die hoch­auf­ge­lösten Radio­beobach­tungen wichtig waren. Zum anderen war die große Sammel­fläche und damit Empfind­lich­keit dieses Teleskops unver­zichtbar für die koordi­nierten Inter­fero­metrie-Beobach­tungen sehr schwacher Quellen wie diesem FRB.

Mit der präzisen Position der Radio­quelle wurde es nun möglich, optische Beobach­tungen dieses Bereichs am Himmel bei hoher Auflösung mit einem der größten optischen Teleskope der Erde, dem Gemini-Nord-Teleskop auf dem Mauna Kea in Hawaii, durch­zu­führen. Die genaue Radio­position zeigt, dass die Strahlungs­ausbrüche aus einer Spiral­galaxie mit der Bezeichnung SDSS J015800.28+654253.0 kommen, die ungefähr eine halbe Milliarde Licht­jahre von der Erde entfernt liegt. Genauer gesagt kommen die Ausbrüche aus einer Region innerhalb dieser Galaxie, in der starke Stern­entstehungs­aktivität statt­findet.

„Die ermittelte Position in der Galaxie ist deutlich anders als bei dem vorher bereits identi­fi­zierten Repeater, sie unter­scheidet sich aber auch von allen anderen bisher unter­suchten FRBs”, erklärt Kenzie Nimmo, von der Univer­sität Amsterdam. „Die Unter­schiede zwischen Repeatern und Non-Repeatern werden damit weniger eindeutig und wir nehmen an, dass diese Ereignisse nicht an einen bestimmten Typ von Galaxie oder Umgebung innerhalb einer Galaxie gebunden sind. Es mag durchaus sein, dass FRBs in einer großen Vielfalt von Umgebungen im Universum auftreten und dass es spezielle Bedingungen braucht, um sie nach­weisbar zu machen.”

„Mit den vorliegenden Ergebnissen wird es zunehmend unwahr­schein­lich, dass die sich wieder­holenden FRBs auf sehr starke Signale von Radio­pulsaren zurück­zu­führen sind”, sagt Ramesh Karup­pusamy vom Max-Planck-Institut für Radio­astronomie. „Wir sind an der Schwelle, mit neuen noch empfind­licheren Radio­teleskopen weitere FRBs zu lokali­sieren und damit schließlich die wahre Natur dieser Quellen heraus­zu­finden.”

Während die aktuelle Unter­suchung Zweifel an vorherigen Annahmen über FRBs weckt, ist es auf jeden Fall der FRB mit dem geringsten Abstand zur Erde, der bisher lokali­siert werden konnte. Dadurch wird eine sehr detail­lierte Unter­suchung dieses Phänomens möglich. „Wir hoffen, dass die Fort­setzung unserer Unter­suchungen schließlich die Bedingungen für die Entstehung solch rätsel­hafter Radio­astrahlungs­ausbrüche aufzeigt. Unser Ziel ist es, weitere FRBs genau zu lokali­sieren und letzt­endlich auch ihren Ursprung verstehen zu können”, sagt Jason Hessels, vom Nieder­ländischen Institut für Radio­astronomie ASTRON.

MPIfR / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  'B. Marcote et al.: A repeating fast radio burst source localized to a nearby spiral galaxy, Nature, online 6. Januar 2020; DOI: 10.1038/s41586-019-1866-z
• Joint Institute for VLBI ERIC, Dwingeloo, Niederlande
• Netherlands Institute for Radio Astronomy ASTRON, Dwingeloo, Niederlande
• Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn