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Die Astronomen haben gerade einen Riesenschritt gemacht, als sie ein bizarres kosmisches Rätsel gelöst haben

2020

Woran denkst du, wenn du versuchst, dir das mächtigste Objekt im Universum vorzustellen? Vielleicht eine Atombombe oder eine ultrastarke Sonne, oder? Lassen Sie mich Ihnen den Fast Radio Burst vorstellen: ein merkwürdiges Phänomen, das sich nur über einige Tausendstelsekunden erstreckt, aber in 80 Jahren mehr Energie abgeben kann als die Sonne. Tausende von FRBs blitzen zu einem bestimmten Zeitpunkt im Weltraum auf, doch für etwas so Allgegenwärtiges und Mächtiges wissen wir beinahe Blödsinn darüber, wie und warum sie gebildet werden. Vieles hat damit zu tun, dass Wissenschaftler seit ihrer Entdeckung im Jahr 2007 nie ganz sicher waren, woher sie kommen. Werden sie von Schwarzen Löchern vertrieben? Sind sie Verlängerungen von erratischen Sternen, die Amok laufen? Sind sie Anzeichen dafür, dass intelligente Außerirdische versuchen, mit uns zu kommunizieren?

Wir haben gerade einen großen Schritt nach vorne gemacht, um diese Frage zu lösen. In einer am Donnerstag in Science veröffentlichten Studie berichtet ein internationales Team über die erstmalige Lokalisierung des Ursprungspunkts eines sich nicht wiederholenden FRB. "Dies war das erste [FRB], in dem wir beide Daten gefunden haben, und wir hatten den richtigen Datentyp, um sie zu lokalisieren, sagt Keith Bannister, Astronom bei der australischen Organisation für Commonwealth-Wissenschaft und industrielle Forschung (CSIRO) und Hauptautor des neuen Papiers." Wir mussten den so genannten "Live Action Replay" -Modus im Teleskop erstellen, um diesen FRB zu lokalisieren. "

Dieses "Live Action Replay" -System könnte die bahnbrechende Innovation sein, die wir brauchen, um endlich herauszufinden, welche bizarren kosmischen Phänomene FRBs erzeugen und in den Rest des Universums abfeuern.

"Es ist eine wirklich großartige Entdeckung", sagt Brian Metzger, ein Astrophysiker an der Columbia University in New York City, der nicht an der Studie beteiligt war. „Ich möchte sie nicht direkt vergleichen, aber in gewisser Weise ist eine Lokalisierung 100 Ereignisse wert, bei denen wir nicht wissen, woher sie kommen. Es gibt so viel Kontext, den Sie bekommen können. "

Der Schwerpunkt liegt auf FRB 180924, dem 86. von Astronomen entdeckten FRB. Solche Signale sind notorisch vergänglich, und diese war nur 1, 3 Millisekunden lang - für den menschlichen Verstand kaum ein Fehler.

Theorien darüber, was diese Signale erzeugt, beinhalten konventionelle Erklärungen wie Schwarze Löcher oder Neutronensterne oder hochenergetische Supernovae sowie weitere ungewöhnliche Optionen wie Blitzars (eine hypothetische Version eines Pulsars) oder das Kollabieren der Dunklen Materie. Und ja, manchmal schlagen die Leute vor, sie könnten von Außerirdischen stammen. Eine der am meisten gelobten Theorien der letzten Jahre wurde von Metzger und einigen seiner Kollegen aufgestellt, die darauf hinwiesen, dass die FRBs Auswirkungen hyperaktiver Flares von jungen Magnetaren (Neutronensterne, die von besonders starken Magnetfeldern begleitet werden) waren.

Fairerweise ist dies nicht der erste FRB überhaupt. Im Jahr 2017 gelang es den Wissenschaftlern, die Heimatgalaxie für einen sich wiederholenden FRB, FRB 121102, zu lokalisieren (einer von nur zwei, die bisher beobachtet wurden). Die wiederholten Entdeckungen waren zwar immer noch eine schwierige Aufgabe, gaben den Astronomen jedoch Hinweise darauf, wo sie suchen sollten, und führten sie schließlich zu einer schwachen, 3 Milliarden Lichtjahre entfernten Zwerggalaxie mit hoher Sternentstehungsrate.

Wie Sie sich vorstellen können, ist eine einmalige FRB noch schwieriger zu beschaffen. "Der Schlüssel besteht darin, ein Teleskop zu haben, das sowohl FRBs finden kann als auch groß genug ist, um sie in Bezug auf den Abstand zwischen den Antennen zu lokalisieren", sagt Bannister. »Frühere Teleskope hatten das eine oder andere, aber nicht beide.«

CSIRO hat einen Trick in der Tasche, der diese Aufgabe ermöglicht: den Australian Square Kilometern Array Pathfinder (ASKAP), ein in Westaustralien gelegenes 36-Dish-Radioteleskop-Array. In der Vergangenheit wiesen alle ASKAP-Gerichte in der Regel in verschiedene Richtungen und versuchten mit einem Schraubenschlüssel, das Signal einschließlich des Ursprungspunkts genauer zu charakterisieren.

Offensichtlich bestand die einfache Lösung für dieses Problem darin, die ASKAP-Gerichte so neu anzuordnen, dass sie alle auf denselben Teil des Himmels zeigten. Bannister und sein Team haben jedoch auch zusätzliche Schritte unternommen, um die Systeme für die FRB-Datenerfassung zu verbessern, die Hardware so anzupassen, dass Milliarden verschiedener Messungen pro Sekunde möglich sind, und eine neuartige Software zu entwickeln, mit der diese Zahlen in Echtzeit ermittelt werden können.

So funktioniert das "Live Action Replay" -System: Sobald ASKAP einen FRB erkennt, wird die Datenerfassung angehalten und die Software lädt alle Rohdaten herunter, die in den letzten drei Sekunden von jedem Gericht erfasst wurden. Das ursprüngliche Signal wird tatsächlich zu unterschiedlichen Zeiten an jeder Funkschüssel ankommen, und Astronomen können diese Verzögerungen im Bruchteil einer Nanosekunde verwenden, um die Position des FRB mit einer Genauigkeit von etwa 0, 1 Bogensekunden zu bestimmen - äquivalent zu a menschliches haar in 200 metern entfernung «, sagt bannister.

Anschließend bildete das Team den Ursprungspunkt ab und maß die Entfernung mit drei der leistungsstärksten bodengestützten Teleskope der Erde (Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile, Keck-Teleskop in Hawaii und Gemini-Süd-Teleskop in Chile).

Aus diesem Grund wissen wir jetzt, dass FRB 180924 im Sternbild Grus am äußeren Rand einer 3, 6 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie liegt, vergleichbar mit der Größe, Form und Leuchtkraft der Milchstraße. Wie bei anderen FRBs verursachte interstellares Gas gelegentlich eine Verlangsamung des FRB 180924, was als „Dispersion“ bezeichnet wird. Astronomen können mithilfe der Dispersion messen, welche Art von Gas und wie viel davon ein FRB auf seinem Weg durchflossen hat auf die Erde und geben uns ein Gefühl dafür, welche Art von Materie zwischen Punkt A und Punkt B liegt und welche Art von Reise das Signal unternahm.

"Für einen sich nicht wiederholenden FRB haben wir eine Chance, ihn zu finden und seine Position zu messen, und das ASKAP-Team hat es hervorragend gemacht", sagt Shriharsh Tendulkar, ein Astronom an der McGill University in Montreal, der nicht an der Studie beteiligt war.

Es gibt einige Verwirrung, wenn versucht wird, diesen neuen Ursprungspunkt mit der Zwerggalaxie zu versöhnen, die FRB 121102 beheimatet. Es ist schwierig, beide Galaxien zu ergründen, die dieselbe Art von unerklärlich energiereichen Phänomenen erzeugen, wenn der Unterschied in Größe und Leuchtkraft zwischen ihnen 1.000 beträgt -falten.

"Wenn überhaupt, hat diese Entdeckung mehr Fragen aufgeworfen", sagt Bannister. „Wir wissen jetzt, dass FRBs in ziemlich passiven Teilen des Universums auftreten können. Früher dachten wir, Sie bräuchten eine Menge kräftiger Sternentstehung, um FRBs herzustellen. “Er ist der Meinung, dass die neuen Erkenntnisse einige Modelle benachteiligen: Die Tatsache, dass FRB 180924 aus dem Rand seiner Galaxie stammt, lässt Zweifel an der Theorie aufkommen, dass supermassive Schwarze Löcher in diesem Gebiet stecken Das Zentrum der Galaxien ist die übliche Quelle. Sehr junge Sterne, wie junge Magnetare, die sich nach Supernovae gebildet haben, werden wahrscheinlich ebenso mitgezählt wie Erklärungen, die keinerlei galaktischen Körper erfordern. "Wir müssen zurück zum Reißbrett gehen, um zu verstehen, wie FRBs in einem so breiten Spektrum von Umgebungen auftreten können."

Nicht alle sind davon überzeugt, dass die neuen Erkenntnisse eine radikale Änderung unserer derzeitigen FRB-Theorien erforderlich machen. James Cordes, ein Astronom an der Cornell University, der nicht an der Studie teilgenommen hat, ist der Ansicht, dass Neutronensterne, insbesondere Magnetare, die wahrscheinlichste Quelle für die FRB-Produktion sind. Die wichtigste Implikation habe mit der Theorie zu tun, dass FRBs in superleuchtenden Supernovae gebildet werden, die vorzugsweise in Zwerggalaxien mit geringen Metallkonzentrationen gebildet werden. "Das mag bis zu einem gewissen Grad noch stimmen, aber die neue FRB und ihre Galaxie sind ein mögliches Gegenbeispiel", sagt er.

Es besteht auch die Möglichkeit, dass sich wiederholende und nicht wiederholende FRBs einfach von verschiedenen Modellen gesteuert werden. „Einen jungen Magnetar am Rande einer riesigen Galaxie mit alten Sternen zu finden, ist wie einen Wal in der Sahara zu finden“, sagt Tendulkar. „Es ist natürlich noch sehr früh, aber dies könnte darauf hindeuten, dass sich wiederholende und nicht wiederholende FRBs völlig unterschiedlichen Ursprungs sind“, und dass das Magnetarmodell nur für letztere gilt.

Metzger selbst glaubt nicht, dass die Ergebnisse Magnetare völlig ausschließen. Es kann einfach sein, dass Magnetare vielfältiger sind und sich in kosmischeren Szenarien bilden als bisher angenommen. "Es gibt möglicherweise mehr Möglichkeiten, diese FRB-produzierenden Magnetare herzustellen", sagt er. "Und die Natur könnte mehr als eine Möglichkeit haben, einen schnellen Funkstoß zu erzeugen."

Wir werden diese Fragen erst beantworten, wenn wir mehr FRB-Daten gesammelt haben, und es ist klar, dass Bannister und sein Team einen neuen Weg für die eingehende Untersuchung dieser Phänomene beschritten haben. Das Lokalisieren des Ursprungspunkts bietet ein viel engeres Fenster zum Identifizieren, welche Objekte am Tatort Dinge abfeuern könnten. Noch schneller können Wissenschaftler die FRB-Dispersion als robustere Methode verwenden, um die Verteilung der Materie im gesamten Universum abzubilden - was ein Segen für die Beantwortung einiger kosmologischer Fragen sein sollte. „Dieser Ansatz ist die Welle der Zukunft“, sagt Cordes.

(Hält nur nicht deine Hoffnungen auf, dass jemand herauskommt und sagt, dass es Außerirdische sind. Es sind niemals Außerirdische.)

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