Als Astronomen 2007 erstmals die Entdeckung eines Fast Radio Burst (FRB) (auch bekannt als Lorimer Burst) bemerkten, waren sie sowohl erstaunt als auch fasziniert. Dieser energiereiche Ausbruch von Funkimpulsen, der nur wenige Millisekunden dauerte, schien von außerhalb unserer Galaxie zu kommen. Seit dieser Zeit haben Astronomen in zuvor aufgezeichneten Daten Hinweise auf viele FRBs gefunden und spekulieren immer noch darüber, was sie verursacht.
Dank späterer Entdeckungen und Forschungen wissen Astronomen jetzt, dass FRBs weitaus häufiger sind als bisher angenommen. Laut einer neuen Studie eines Forscherteams des Harvard-Smithsonian-Zentrums für Astrophysik (CfA) können FRBs innerhalb des beobachtbaren Universums einmal pro Sekunde auftreten. Wenn dies zutrifft, könnten FRBs ein leistungsfähiges Instrument zur Erforschung der Ursprünge und der Entwicklung des Kosmos sein.
Die Studie mit dem Titel „Ein schneller Funkstoß tritt jede Sekunde im gesamten beobachtbaren Universum auf“ erschien kürzlich in Die astrophysikalischen Tagebuchbriefe. Die Studie wurde von Anastasia Fialkov geleitet, einer Postdoc-Forscherin und Fellow am CfA-Institut für Theorie und Berechnung (ITC). Zu ihr gesellten sich Professor Abraham Loeb, der Direktor des ITC, und Frank B. Baird, Jr. Professor für Wissenschaft in Harvard.
Wie bereits erwähnt, sind FRBs seit ihrer ersten Entdeckung ein Rätsel geblieben. Ihre Ursachen bleiben nicht nur unbekannt, sondern vieles über ihre wahre Natur ist immer noch nicht verstanden. Wie Dr. Fialkov dem Space Magazine per E-Mail sagte:
„FRBs (oder schnelle Funkstöße) sind astrophysikalische Signale unbestimmter Natur. Die beobachteten Bursts sind kurze (oder Millisekunden dauernde) helle Impulse im Funkbereich des elektromagnetischen Spektrums (bei GHz-Frequenzen). Bisher wurden nur 24 Bursts beobachtet, und wir wissen immer noch nicht genau, welche physikalischen Prozesse sie auslösen. Die plausibelste Erklärung ist, dass sie durch rotierende magnetisierte Neutronensterne ausgelöst werden. Diese Theorie muss jedoch bestätigt werden. “
Für ihre Studie stützten sich Fialkov und Loeb auf Beobachtungen mehrerer Teleskope des sich wiederholenden schnellen Funkstoßes FRB 121102. Dieser FRB wurde erstmals 2012 von Forschern mit dem Arecibo-Radioteleskop in Puerto Rico beobachtet und ist es seitdem Es wurde bestätigt, dass es aus einer 3 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie in Richtung der Auriga-Konstellation stammt.
Seit seiner Entdeckung wurden zusätzliche Bursts von seinem Standort aus erkannt, was FRB 121102 zum einzigen bekannten Beispiel für eine sich wiederholende FRB macht. Diese sich wiederholende Natur hat es Astronomen auch ermöglicht, detailliertere Studien darüber durchzuführen als jede andere FRB. Wie Prof. Loeb dem Space Magazine per E-Mail mitteilte, machten diese und andere Gründe es zu einem idealen Ziel für ihre Studie:
„FRB 121102 ist die einzige FRB, für die eine Wirtsgalaxie und eine Entfernung identifiziert wurden. Es ist auch die einzige sich wiederholende FRB-Quelle, aus der wir inzwischen Hunderte von FRBs entdeckt haben. Das Funkspektrum seiner FRBs ist auf eine charakteristische Frequenz zentriert und deckt kein sehr breites Band ab. Dies hat wichtige Auswirkungen auf die Erkennbarkeit solcher FRBs, da das Funkobservatorium auf ihre Frequenz abgestimmt werden muss, um sie zu finden. “
Basierend auf dem, was über FRB 121102 bekannt ist, führten Fialkov und Loeb eine Reihe von Berechnungen durch, bei denen angenommen wurde, dass das Verhalten für alle FRB repräsentativ war. Sie projizierten dann, wie viele FRBs über den gesamten Himmel existieren würden, und stellten fest, dass innerhalb des beobachtbaren Universums wahrscheinlich einmal pro Sekunde ein FRB stattfinden würde. Fialkov erklärte:
„Unter der Annahme, dass FRBs von Galaxien eines bestimmten Typs erzeugt werden (z. B. ähnlich wie FRB 121102), können wir berechnen, wie viele FRBs von jeder Galaxie produziert werden müssen, um die vorhandenen Beobachtungen zu erklären (d. H. 2000 pro Himmel und Tag). Unter Berücksichtigung dieser Zahl können wir die Produktionsrate für die gesamte Galaxienpopulation ableiten. Diese Berechnung zeigt, dass jede Sekunde ein FRB auftritt, wenn alle schwachen Ereignisse berücksichtigt werden. “
Während die genaue Natur und Herkunft von FRBs noch unbekannt sind, schlagen Vorschläge rotierende Neutronensterne und sogar außerirdische Intelligenz vor! - Fialkov und Loeb weisen darauf hin, dass sie zur Untersuchung der Struktur und Entwicklung des Universums verwendet werden könnten. Wenn sie tatsächlich mit einer solchen regelmäßigen Häufigkeit im gesamten Kosmos auftreten, könnten weiter entfernte Quellen als Sonden fungieren, auf die sich Astronomen verlassen würden, um die Tiefen des Weltraums auszuloten.
Beispielsweise gibt es über weite kosmische Entfernungen eine erhebliche Menge an dazwischenliegendem Material, das es Astronomen erschwert, den kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) zu untersuchen - die übrig gebliebene Strahlung des Urknalls. Untersuchungen dieses dazwischenliegenden Materials könnten zu neuen Schätzungen darüber führen, wie dicht der Raum ist - d. H. Wie viel davon aus gewöhnlicher Materie, dunkler Materie und dunkler Energie besteht - und wie schnell er sich ausdehnt.
Und wie Prof. Loeb angedeutet hat, könnten FRBs auch verwendet werden, um dauerhafte kosmologische Fragen zu untersuchen, wie zum Beispiel das Ende des „dunklen Zeitalters“ des Universums:
„FRBs können verwendet werden, um die Säule freier Elektronen in Richtung ihrer Quelle zu messen. Dies kann verwendet werden, um die Dichte gewöhnlicher Materie zwischen Galaxien im heutigen Universum zu messen. Darüber hinaus können FRBs in frühen kosmischen Zeiten verwendet werden, um herauszufinden, wann das ultraviolette Licht der ersten Sterne die vom Urknall übrig gebliebenen ursprünglichen Wasserstoffatome in ihre Elektronen und Protonen zerlegt. “
Das „Dunkle Zeitalter“, das zwischen 380.000 und 150 Millionen Jahre nach dem Urknall stattfand, war durch einen „Nebel“ von Wasserstoffatomen gekennzeichnet, die mit Photonen wechselwirken. Infolgedessen ist die Strahlung dieser Periode mit unseren derzeitigen Instrumenten nicht nachweisbar. Derzeit versuchen Wissenschaftler immer noch zu klären, wie das Universum den Übergang zwischen diesen „dunklen Zeiten“ und den folgenden Epochen vollzogen hat, als das Universum mit Licht gefüllt war.
In dieser Zeit der „Reionisierung“, die 150 Millionen bis 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall stattfand, bildeten sich die ersten Sterne und Quasare. Es wird allgemein angenommen, dass UV-Licht von den ersten Sternen im Universum nach außen wanderte, um das Wasserstoffgas zu ionisieren (wodurch der Nebel gelöscht wird). Eine kürzlich durchgeführte Studie legte auch nahe, dass Schwarze Löcher, die im frühen Universum existierten, die notwendigen „Winde“ erzeugten, die das Entweichen dieser ionisierenden Strahlung ermöglichten.
Zu diesem Zweck könnten FRBs verwendet werden, um diese frühe Periode des Universums zu untersuchen und festzustellen, was diesen „Nebel“ zerstört und Licht entweichen lässt. Durch die Untersuchung sehr weit entfernter FRBs könnten Wissenschaftler untersuchen, wo, wann und wie dieser Prozess der „Reionisierung“ stattfand. Mit Blick auf die Zukunft erklärten Fialkov und Loeb, wie zukünftige Radioteleskope viele FRBs entdecken können.
"Zukünftige Funkobservatorien wie das Square Kilometer Array werden empfindlich genug sein, um FRBs aus der ersten Generation von Galaxien am Rande des beobachtbaren Universums zu erkennen", sagte Prof. Loeb. "Unsere Arbeit liefert die erste Schätzung der Anzahl und Eigenschaften der ersten Blitze von Radiowellen, die im Säuglingsuniversum aufleuchteten."
Und dann gibt es das kanadische Wasserstoffintensitäts-Kartierungsexperiment (CHIME) am Dominion Radio Astrophysical Observatory in British Columbia, das vor kurzem in Betrieb genommen wurde. Diese und andere Instrumente werden als leistungsstarke Werkzeuge zur Erkennung von FRBs dienen, mit denen wiederum bisher nicht sichtbare Regionen von Zeit und Raum betrachtet und einige der tiefsten kosmologischen Geheimnisse aufgedeckt werden können.
"[W] wir stellen fest, dass ein Teleskop der nächsten Generation (mit einer viel besseren Empfindlichkeit als die vorhandenen) voraussichtlich viel mehr FRBs sehen wird als heute beobachtet", sagte Dr. Fialkov. „Dies würde es ermöglichen, die Bevölkerung von FRBs zu charakterisieren und ihre Herkunft zu identifizieren. Das Verständnis der Natur von FRBs wird ein großer Durchbruch sein. Sobald die Eigenschaften dieser Quellen bekannt sind, können FRBs als kosmische Leuchtfeuer verwendet werden, um das Universum zu erkunden. Eine Anwendung besteht darin, die Geschichte der Reionisierung zu untersuchen (kosmischer Phasenübergang, als das intergalaktische Gas durch Sterne ionisiert wurde). “
Es ist ein inspirierter Gedanke, der natürliche kosmische Phänomene als Forschungsinstrumente verwendet. In dieser Hinsicht ähnelt die Verwendung von FRBs zur Untersuchung der am weitesten entfernten Objekte im Raum (und so weit wie möglich in der Zeit zurück) der Verwendung von Quasaren als Navigationsbaken. Wenn wir unser Wissen über das Universum erweitern, können wir letztendlich mehr davon erforschen.
