Radioblitz erstmals lokalisiert

Zum ersten Mal ist es Astronomen gelungen, die exakte Richtung eines Radio­blitzes (Fast Radio Burst, FRB) so genau festzulegen, dass sie damit seine Herkunfts­galaxie identifizieren konnten. Sie liegt in einer Entfernung von mehr als drei Milliarden Lichtjahren. Es handelt sich um eine Zwerg­galaxie, sehr unterschiedlich zu unserer Milchstraße. Außerdem konnten die Forscher eine kompakte Radio­quelle in unmittelbarer Nähe des Ausbruchs nachweisen, die Rückschlüsse auf den astro­physikalischen Ursprung des Phänomens ermöglicht.

Kurzzeitige Radiostrahlungsausbrüche („Fast Radio Bursts”, FRBs) leuchten nur für Sekunden­bruchteile auf und stellen seit ihrer ersten Entdeckung vor zirka zehn Jahren ein Rätsel für Astronomen dar. Die genaue Ortung des Ursprungs von FRBs erfordert ein Netzwerk miteinander verbundener Radio­teleskope über große Distanzen, um damit Radio­bilder von sehr hoher Winkel­auflösung zu erhalten. Derartige Folge­beobachtungen eines Radio­strahlungs­ausbruchs wurden schließlich durch die erstmalige Entdeckung einer Quelle von mehr­maligen Radio­strahlungs­ausbrüchen, FRB 121102, mit dem 305-Meter-Radio­teleskop von Arecibo in Puerto Rico ermöglicht.

Bis zu dieser Entdeckung gab es nur indirekte Rückschlüsse darauf, dass die Radio­strahlungs­ausbrüche ihren Ursprung im fernen Universum, weit außerhalb der Grenzen unserer Milchstraße, haben. Aufgrund der geringen Winkel­auflösung der Beobachtungen war es nicht möglich, eine eindeutige Zuordnung von Ursprungs­galaxien für die Radio­strahlungs­ausbrüche zu finden. Das neue Resultat ist von entscheidender Bedeutung, weil sich über die Entfernung der Galaxie auch die Gesamt­energie des Strahlungs­ausbruchs bestimmen lässt.

Mit dem „Very Large Array”-Radioteleskop in New Mexico, USA, beobachteten die Forscher insgesamt neun Strahlungs­ausbrüche von FRB 121102. Damit konnten sie die Ursprungs­position auf den Bruchteil einer Bogen­sekunde genau festlegen, mehr als 200 Mal genauer als mit früheren Beobachtungen. „In der Nähe dieser Position am Himmel haben wir eine ganze Reihe von Radio- und optischen Quellen identifizieren können, die uns schließlich den Weg zur Ursprungs­galaxie für den FRB gewiesen haben“, sagt Shami Chatterjee von der Cornell-Universität.

Das Forscherteam erreichte eine nochmals zehnfach höhere Positions­genauigkeit am Himmel durch die Verbindung des Arecibo-Radio­teleskops mit dem Europäischen VLBI-Netzwerk (EVN), mit dem Teleskope über mehrere Kontinente hinweg miteinander verbunden werden. „Mit etwas Glück haben wir es geschafft, Strahlungs­ausbrüche von FRB 121102 mit dem EVN zu entdecken und dadurch konnten wir den Ursprung dieser Ausbrüche punkt­genau mit der dort vorhandenen Radio­quelle identifizieren“, sagt Benito Marcote vom JIVE-Institut in den Niederlanden. Das 100-Meter-Radio­teleskop in Effelsberg ist das größte und empfindlichste Einzel­teleskop im EVN-Netzwerk. „Die Ausbrüche von dieser Quelle sind sehr schwach und das Effelsberg-Teleskop hatte eine Schlüsselrolle dabei, diese Entdeckung erst möglich zu machen“, ergänzt Laura Spitler, Postdoc-Wissenschaftlerin am Max-Planck-Institut für Radioastronomie, die Entdeckerin von FRB 121102.

Das Forscherteam setzte eines der weltweit größten optischen Teleskope, das 8-Meter-Gemini-Nord-Teleskop auf dem Mauna Kea in Hawaii, dafür ein, die Ursprungs­galaxie für die Radio­strahlungs­ausbrüche zu identifizieren und über das gemessene Spektrum die Entfernung dieser Galaxie zu bestimmen. Die ermittelte Rotverschiebung im Spektrum entspricht einer Entfernung von mehr als drei Milliarden Lichtjahren! „Das gibt uns die unwiderlegbare Bestätigung dafür, dass der Ausbruch aus einem Bereich weit jenseits der Grenzen unserer Milchstraße herrührt“, sagt Cees Bassa (ASTRON, Niederlande). Obwohl das Problem der Entfernung zu den FRBs nun gelöst scheint, haben die Astronomen jetzt ein weiteres Rätsel zu lösen. Die Ursprungs­galaxie des Strahlungs­ausbruchs ist nämlich überraschend klein: eine Zwerggalaxie.

Die Tatsache, dass FRB 121102 aus einer Zwerggalaxie kommt, gibt einen entscheidenden Hinweis auf seinen physikalischen Ursprung. Diese Galaxien enthalten Gas, das im Vergleich zum Gas in der Milchstraße eine sehr ursprüngliche Form darstellt. „Die Bedingungen in dieser Zwerggalaxie sind so, dass noch wesentliche massereichere Sterne als in unserer Milchstraße dort entstehen können und vielleicht liegt der Ursprung der Strahlungs­ausbrüche im kollabierten Überrest eines solchen Sterns“, schlägt Jason Hessels (ASTRON, Universität Amsterdam) vor. Als alternatives Modell erwägen die Forscher die Erzeugung der Strahlungs­ausbrüche im unmittelbaren Bereich eines sehr masse­reichen Schwarzen Lochs, das Gas aus seiner Umgebung aufsaugt, einem aktiven Galaxienkern.

Um zwischen diesen beiden Szenarien unterscheiden zu können, untersuchen die Forscher FRB 121102 mit einer Vielzahl der besten Teleskope weltweit, von Radio-, optischen, Röntgen- bis hin zu Gamma­wellen­längen. „Wenn wir zum Beispiel eine Periodizität in der Ankunfts­zeit der Ausbrüche finden könnten, dann hätten wir einen sehr starken Anhalts­punkt dafür, dass sie von einem rotierenden Neutronen­stern stammen“, sagt Laura Spitler.

Für die Entschlüsselung des Ursprungs der FRBs ist es wichtig, mehr dieser Quellen am Himmel zu lokalisieren. Die Forscher erörtern ebenfalls, ob alle bisher gefundenen Strahlungs­ausbrüche den gleichen kosmischen Ursprung haben oder ob es mehrere Kategorien dieses neuartigen astro­physikalischen Phänomens geben könnte.

MPIfR / DE