Schnelle Radio Bursts: Der Schlüssel zum Geheimnis

Schnelle Radio Bursts: Der Schlüssel zum Geheimnis

Konstantin Postnov,
Dr. Phys.-Mat. Sci., Professor, Abteilung für Astrophysik und Sternastronomie, Astronomische Abteilung, Fakultät für Physik, MSU
"Trinity Option" №1 (220), 17. Januar 2017

Konstantin Postnov

Im Jahr 2007 wurde eines der mysteriösesten Phänomene der modernen Astrophysik entdeckt: Fast Radio Bursts (FRB). Die erste fand sich in den archivierten Daten des Radioteleskops Parks (Australien) – ein Millisekundenschub von hochintensiver Radioemission, der eine sehr starke Abhängigkeit der Signalverzögerung von der Frequenz aufwies. Diese Abhängigkeit wird als Streuungsmaß bezeichnet, das auftritt, wenn sich ein Radiosignal im interstellaren und intergalaktischen Plasma ausbreitet und proportional zur Dichte der elektronischen Komponente ist, die entlang der Sichtlinie integriert ist.

Der Autor der Entdeckung, Duncan Lorimer, vermutete, dass es sich bei der Quelle höchstwahrscheinlich um ein extragalaktisches Objekt mit einer Entfernung in der Größenordnung von Hunderten von Megaparsec handelt. Ein paar Jahre später, Radioastronomen entdeckt ähnliche Bursts mit ähnlichen Eigenschaften, und es wurde klar, dass dies eine ganze Klasse von neuen astronomischen Phänomenen war. Jetzt sind sie etwa 20 bekannt, und statistische Analysen zeigen, dass die Anzahl der schnellen Radiobündel pro Tag über den Himmel in der Größenordnung von mehreren Tausend liegen sollte!

Aber die Frage blieb – woher kommen sie? Wo sind die Quellen in der Galaxie, in benachbarten Galaxien oder sogar in kosmologischen Entfernungen von Milliarden von Lichtjahren? Die Genauigkeit der Lokalisierung von schnellen Funkausbrüchen am Himmel war bisher gering – einige Quadratgrade. Nach einer Quelle auf einem solchen Gebiet zu suchen und nicht zu wissen, wie es sein sollte, ist eine hoffnungslose Aufgabe.

Radioteleskop "Parks" in Australien, in dessen Daten der erste FRB gefunden wurde. Foto von John Sarkissian (CSIRO Parkes Observatorium)

Was ist ihre Einzigartigkeit? Kurze Dauer und hohe Intensität zeigen die kolossale Helligkeitstemperatur der Strahlung an der Quelle an. Diese Art der Radioemission war nur aus ultrakurzen "Superpulsen" junger Pulsare (zum Beispiel der Krebs) bekannt, deren Natur ebenfalls unklar ist. Derzeit ist die Natur der kurzen Funkbursts (FRB) Hunderte von Artikeln geschrieben und vorwärts mehrere Dutzende Hypothesen, von einem ganz natürlichen (zB sie mit explosiven Prozessen in der Nähe von Neutronensternen verbinden, arXiv: 1307,4924, arXiv: 1401,6674) zu recht exotisch (zB explosiver Zerfall "axion mini-clusters", arXiv: 1411.3900) oder sogar (bisher) fantastisch (z. B. Funkstrahlen,von außerirdischen Zivilisationen verwendet, um "Weltraumsegel" zur Bewegung im interplanetaren und interstellaren Raum zu verteilen, ArXiv: 1701.01109).

Der erste schnelle Radioburst, der in archivierten Daten gefunden wurde. Vertikal – Frequenz, waagerecht – Zeit in Millisekunden. Überspannungssignal – dunkler Streifen. Bei niedrigen Frequenzen kommt das Signal später wegen der Dispersion von Radiowellen in einem Medium mit freien Elektronen. Auf der Seitenleiste – Signalzeitprofil bei einer festen Frequenz. Abbildung aus dem Artikel Larimer et al., ArXiv: 0709.4301

Die Situation mit schnellen Radio Bursts ist der Geschichte von Gamma-Bursts der Verschreibung für fast ein halbes Jahrhundert sehr ähnlich. Auch dann konnten die Quellen wegen schlechter Lokalisierung nicht gefunden werden, auch die Entfernung zu ihnen nicht. In den frühen 1990er Jahren herrschte die Ansicht vor, dass die Quellen in der Galaxis liegen. Aber ihre Statistiken, die vom Compton-Gamma-Observatorium gesammelt wurden, sprachen für die Tatsache, dass Gammastrahlenausbrüche von kosmologischen Entfernungen herrühren, die mit der Entfernung zum Horizont des Universums vergleichbar sind.

Bei dieser Gelegenheit fand eine aufregende öffentliche Debatte zwischen Don Lamb (Donald Q. Lamb), der der galaktischen Hypothese folgte, und Bohdan Paczynski, der den kosmologischen Ursprung der Gammastrahlung verteidigte, in der Kongressbibliothek 1995 statt.Dann gewann niemand einen klaren Sieg, aber 1996 wurde das Rätsel gelöst. Wir fanden das optische Nachleuchten des Bursts, der mit einer entfernten Galaxie mit einer großen Rotverschiebung zusammenfällt. Dann mehr und mehr – alles auf kosmologischen Distanzen. Der Schlüssel zur Lösung war, die Koordinaten der Quelle mit astrometrischer Genauigkeit zu bestimmen.

Die Astrometrie ist das genaueste Gebiet der Astronomie; Die Bestimmung der Koordinaten von Himmelskörpern und ihrer sichtbaren Bewegungen ist eine ihrer Hauptaufgaben. Die Koordinaten werden am genauesten mittels Interferometrie bestimmt, insbesondere im Funkbereich, wo die Basis mit der Größe der Erde vergleichbar ist, und in Weltraumexperimenten (Radioastron) sogar um ein Vielfaches größer.

Lange Zeit war es aufgrund des engen Sichtfeldes ein Problem, einen Funkimpuls mit einem Interferometer zu erfassen. Und am 4. Januar 2017 in der Zeitschrift Natur Eine große Gruppe von Radioastronomen (S. Chatterjee et al., ArXiv: 1701.01098) berichtete über die finale "astrometrische" Lokalisierung einer der Quellen von Kurzimpulsen FRB 121102 mittels radiointerferometrischer Beobachtungen an VLA-Antennen und eines 305-Meter-Radioteleskops in Arecibo (USA).

Astronomen haben die Tatsache ausgenutzt, dass diese besondere Quelle wiederholt wird- Für 83 Stunden Beobachtungen am VLA im 2,5-3,5 GHz Frequenzband wurden innerhalb von sechs Monaten 9 kurze helle Bursts mit dem gleichen Dispersionsmaß aufgezeichnet. Die Lokalisierungsgenauigkeit betrug etwa 0,1 Winkelsekunden (dies ist die Genauigkeit der besten optischen Beobachtungen).

Es stellte sich heraus, dass in der Nähe der Quelle der wiederholten FRBs (in einer Entfernung von 0,1 Sekunden des Bogens) eine schwache, fast konstante Radioquelle mit einem kontinuierlichen nicht-thermischen Spektrum vorliegt. Laut archivischen Beobachtungsdaten von 2014 wurde an der Quelle an der Quelle des 10-Meter-Kek-Teleskops und des Gemini-Teleskops ein schwaches permanentes Objekt von etwa 25-facher Größe gefunden.

Weitere interferometrische Beobachtungen mit einer super langen Basis (VLBI) im europäischen Radioteleskopnetz mit Millisekundengenauigkeit bestätigten die Ergebnisse der VLA (arXiv: 1701.01099) und zeigten, dass die konstante Quelle und die Quelle der FRB durch weniger als 0,12 Millisekunden des Bogens getrennt sind. Dies bestätigt ihre mögliche physische Verbindung.

Optische Quellenspektroskopie am Nord-Gemini-Teleskop (Hawaii) zeigte (arXiv: 1701.01100), dass optische Strahlung eine schwache Zwerggalaxie mit einer Rotverschiebung von z = 0.1927 (Abstand etwa 1 GPC) ist.mit einer Masse von 40-70 Millionen Sonnenmassen, mit einer hohen spezifischen Sternbildungsrate und geringer Metallizität, ähnlich wie junge Zwerggalaxien mit einem Starburst-Blitz.

Was sind die Schlussfolgerungen aus diesen Entdeckungen? Erstens wurde die extragalaktische Natur (zumindest davon!) Der FRB-Quelle bestätigt. Zweitens wurde eine permanente zweite Radioquelle mit einem nichtthermischen Spektrum gefunden, das mit bekannten Quellen nicht identifiziert werden konnte (zum Beispiel ein junger Neutronenmagnetstern oder der Kern einer aktiven Galaxie). Drittens befindet sich die Quelle genau in einer Zwerggalaxie mit geringer Metallizität und hoher Sternentstehungsrate.

Offensichtlich lehnen diese Fakten eine Reihe physikalischer Modelle sicher ab, erlauben aber immer noch keine eindeutige Antwort auf die Frage nach der Natur von FRB und ihrer ungewöhnlichen Radioemission. Vermutlich werden in naher Zukunft neue Beobachtungen den Astronomen ermöglichen, das Geheimnis der Quellen kurzer Radiobündel zu entschlüsseln – und auf neue Ergebnisse warten!


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