Radioblitz aus einer fernen Galaxie

Die Entdeckung des Strahlungsausbruchs zeigt fehlende Materie im All

24. Februar 2016

Astronomen haben erstmals den Ort eines der rätselhaften schnellen Radioblitze gefunden: Er liegt in einer rund sechs Milliarden Lichtjahre entfernten elliptischen Galaxie. Außerdem schloss das Team – darunter auch Forscher des Bonner Max-Planck-Instituts für Radioastronomie – aus der Signalverzögerung auf die Materieverteilung im Universum. Dabei haben die Wissenschaftler das aktuelle kosmologische Modell bestätigt.

Galaxie im Fokus: Das Infrarotbild auf der linken Seite entspricht dem Blickfeld der Beobachtungen mit dem Parkes-Radioteleskop. Der Bereich, aus dem das Signal stammt, ist farblich markiert. Im rechten Teil der Abbildung sieht man Ausschnittvergrößerungen aus dieser Region. Auf den Teilbildern c) und d) ist jeweils die Galaxie zu erkennen, in welcher der Radioausbruch stattfand. Teilbild d) enthält zusätzlich elliptische Konturen; sie deuten die Position des sechstägigen Nachglimmens an, wie es ATCA beobachtete.  

Helle Radioblitze geben den Astronomen schon lange Rätsel auf. Sie dauern meist nur wenige Millisekunden, und ihr Ursprung liegt im Dunkeln. Ein solcher FRB (Fast Radio Burst) lässt sich sehr schwer entdecken, bisher kennen die Forscher lediglich 17 dieser Ausbrüche. Jener am 18. April 2015 brachte nun neue Erkenntnisse.

Den FRB als erstes beobachtet hat das 64-Meter-Parkes-Radioteleskop in Australien. Dank einer sofort losgeschickten Benachrichtigung suchten innerhalb weniger Stunden eine ganze Reihe von Teleskopen weltweit nach dem Signal, darunter das Australia Telescope Compact Array (ATCA) und das 100-Meter-Radioteleskop Effelsberg in der Eifel.

„Bisher konnte man einen FRB nur im Nachhinein durch die Analyse von Monate oder sogar Jahre vorher aufgenommenen Daten identifizieren”, sagt Evan Keane, Projektwissenschaftler bei der Square Kilometre Array Organisation und Erstautor des in der Zeitschrift Nature erschienenen Artikels. „Dann ist es natürlich zu spät, um direkte Nachfolgebeobachtungen des Phänomens zu machen.“

Um dies zu vermeiden, hat das Team ein spezielles System namens SUPERB entwickelt. Mit ihm lässt sich ein Radioblitz innerhalb von Sekunden aufspüren; außerdem erfolgt eine augenblickliche Alarmierung von Observatorien, aus deren Folgebeobachtungen die Forscher dann zusätzliche Informationen von der direkten Nachwirkung eines FRB gewinnen können.

So ließ sich dank der hohen Winkelauflösung der kombinierten sechs 22-Meter-Antennen des ATCA die Richtung, aus der das Radiosignal am 18. April 2015 kam, wesentlich genauer festlegen als vorher. Zudem haben die Teleskope sechs Tage lang ein Nachglimmen des ursprünglichen Strahlungsausbruchs registriert. Aufgrund dieser langen Beobachtungszeit konnten die Wissenschaftler die Position der Quelle am Himmel 1000-fach genauer bestimmen als bei den bisherigen FRB.

Ein weiteres Puzzleteilchen kam über optische Beobachtungen mit dem 8,2-Meter-Subaru-Teleskop auf Hawaii hinzu: Als Ursprungsort für das Radiosignal machten die Astronomen eine elliptische Galaxie in rund sechs Milliarden Lichtjahren Abstand von der Erde aus. Diese Messung erfolgte mithilfe der Rotverschiebung – jener Geschwindigkeit, mit der sich ein Objekt aufgrund der Expansion des Weltalls von uns entfernt und die eine Verschiebung des Lichts in den roten Spektralbereich bewirkt.

Doch die Wissenschaftler ziehen noch weitere Erkenntnisse aus dem Ereignis vom 18. April 2015: „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“, sagt Michael Kramer, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn.

Kramer hat die Struktur des Radioprofils analysiert. So zeigen FRB eine frequenzabhängige Dispersion – eine Verzögerung des Signals. Diese hängt davon ab, wieviel Materie das Radiosignal 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“, sagt Ko-Autor Simon Johnston von der australischen Forschungsorganisation CSIRO. „Das ermöglicht uns letztlich, das All zu wiegen, oder zumindest seinen Anteil an normaler Materie.“

Nach dem aktuellen Modell besteht das Universum zu 70 Prozent aus Dunkler Energie, zu 25 Prozent aus Dunkler Materie und zu 5 Prozent aus gewöhnlicher (baryonischer) Materie. Allerdings können Astronomen durch Beobachtungen von Sternen, Galaxien und Wasserstoff nur ungefähr die Hälfte dieser 5 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“, sagt Evan Keane. „Zum ersten Mal hat ein schneller Radiostrahlungsausbruch eine kosmologische Beobachtung ermöglicht.“ Und Michael Kramer, der die Berechnungen zur Bestimmung der fehlenden Materie vorgenommen hat, ergänzt: „Unsere Resultate zeigen das Potenzial der Radioblitze als neues Werkzeug für die Kosmologie. 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 sowie seinem großen Blickfeld es ermöglichen, viele neue Radioblitze 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 ein besseres Verständnis der Dunklen Energie ermöglichen.

HOR / NJ

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