Seite 2: Vier auf einen Streich

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2013 legten dann Thornton et al. in ihrer Arbeit gleich 4 FRBs vor, mit DMs zwischen 553,3 und 1103,6 pc/cc, entsprechend geschätzten Entfernungen von bis zu 9,7 Milliarden Lichtjahren. Die binnen Millisekunden abgestrahlte Radioleistung betrug bis zu 10³⁵ Watt oder 260 Millionen Sonnenleuchtkräfte, die gesamte freigesetzte Energie 10³² Joule oder so viel, wie die Sonne an 3 Tagen abstrahlt. Ab dieser Veröffentlichung etablierte sich die Bezeichnung "Fast Radio Bursts" und die Nomenklatur FRB <Datum> wurde fortan verwendet, auch nachträglich für die ersten beiden FRBs von Lorimer und Keane. Als FRB galt demnach eine Radioquelle mit einer Kombination von mehreren, nicht besonders streng geforderten Eigenschaften wie einer Millisekunden-Pulsdauer, einer großen Bandbreite und Leuchtkraft, sowie einem Dispersionsmaß, das die Quelle eindeutig als extragalaktisch, also außerhalb der Milchstraße befindlich, qualifiziert, um sie von galaktischen Pulsaren oder RRATs zu unterscheiden.

Von nun an wurde auch in den Daten anderer Radioteleskope nach FRBs gesucht. Man wurde fündig beim Arecibo-Radioteleskop, beim Green Bank Teleskop, beim Upgraded for Transits Molonglo Synthesis Telescope (UTMOST), beim Australian Square Kilometer Array Pathfinder (ASKAP) und beim Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME). Mittlerweile sind bereits mehr als 150 Quellen bekannt und man geht davon aus, dass mit großen Radioteleskopen pro Tag über 1000 FRB aufspürbar wären, wenn man den gesamten Himmel permanent überwachen könnte. Ihre Häufigkeit beträgt dabei nur 1% derjenigen von Kernkollaps-Supernovae.

2016 wurde die erste Quelle entdeckt, die für mehrere FRBs verantwortlich war, FRB 121102. Die erste Detektion am 2. November 2012 war zugleich die erste mit einem anderen Radioteleskop geglückte als dem Parkes-Teleskop in Australien, und zwar war es diesmal die 305-Meter-Schüssel von Arecibo in Puerto Rico. Das Signal fand sich in archivierten Daten einer mit dem Arecibo-Teleskop durchgeführten Pulsarsuche, und das betreffende Blickfeld war nur 180 Sekunden lang beobachtet worden. In einem zufälligerweise zwei Tage später wiederholten Scan derselben Position fand sich erwartungsgemäß kein zweites Signal. Im Mai 2015 spürte Arecibo jedoch erneut Signale aus der Richtung von FRB 121102 auf – nicht einen, sondern gleich 10 Pulse, 6 davon in einem 10-Minuten-Intervall und deutlich heller als der Burst im November 2012. Jeder der Pulse hatte ein anderes Spektrum.

Eine gleichzeitig mit dem Very-Large-Array-Radioteleskop in New Mexico und dem Europäischen VLBI-Netzwerk (an dem auch das Radioteleskop Effelsberg und mehr als 20 weitere Teleskope in Europa, Asien, Südafrika und das Arecibo-Teleskop beteiligt sind) durchgeführte interferometrische Messung erlaubte es, die Position der Quelle auf 0,1 Bogensekunden genau zu bestimmen. Ein weiterer Burst 2017 erlaubte sogar eine Lokalisierung auf 12 tausendstel Bogensekunden genau. An der entsprechenden Stelle fand sich eine Galaxie bei einer Rotverschiebung von z=0,193 entsprechend einer Entfernung von 2,6 Milliarden Lichtjahren. Damit war die extragalaktische Herkunft der FRBs und somit auch ihre riesige Leuchtkraft eindeutig nachgewiesen.

Kein Mangel an Ideen

Aufgrund der wiederholten Pulse von FRB 121102 (und später einiger weiterer Quellen) war nun klar, dass FRBs nicht auf kataklysmische Einmal-Ereignisse wie Supernovae oder Neutronensternverschmelzungen zurückgehen können. Aber welche Art von Ereignissen könnte es sein, die soviel Energie freisetzt? Da es nie gelang, von Ursprungsort eines FRBs ein Signal in anderen Wellenlängen zu erhaschen, erging sich die Fachwelt in Spekulationen, unfähig diese durch Beobachtungen mit der Realität abgleichen zu können.

Unter anderem wurden die folgenden Phänomene diskutiert:

• Isolierte Neutronensterne

Einzelne Neutronensterne könnten extrem starke Radiopulse auf dreierlei Weise generieren: durch gerichtete Abstrahlung ihrer Magnetosphäre, beim Kollaps eines überschweren, bis dahin durch schnelle Rotation stabilisierten Neutronensterns zu einem Schwarzen Loch oder durch von auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigte Partikeln, die im umgebenden Gas wie etwa dem Supernovarest, der den Neutronenstern umgibt, Schockwellen auslösen.

Im ersten Fall könnten Pulsare gelegentlich Super-Pulse als seltenen Teil ihres normalen Puls-Repertoires produzieren. Vom Krebsnebel-Pulsar ist bekannt, dass er gelegentlich Riesenpulse erzeugt. Bisher ist der Prozess, der die Radiopulse von Pulsaren erzeugt, noch unvollständig verstanden. Sicher ist nur, dass Pulsare Neutronensterne sind, bei denen das extrem starke Magnetfeld gegen die Rotationsachse verkippt ist, sodass es wie das Feld eines an einem Faden hängenden, gegen die Senkrechte geneigten Stabmagneten kreist. Dies bedeutet, dass sich an einem ortsfesten Punkt in der Umgebung des Pulsars das Magnetfeld ständig ändert. Variierende Magnetfelder erzeugen ein elektrisches Feld, das Teilchen aus der Oberfläche des Pulsars reißen kann, die dann in den Magnetfeldern um die Feldlinien kreisen müssen, wobei Radiostrahlung (Synchrotronstrahlung) entsteht, die den Pulsar als relativ breite Radiokeule verlässt. Wenn die Keule die Erde überstreicht, beobachten wir einen Puls.

Bei einem schnell rotierenden Millisekunden-Pulsar wird ein besonders starkes elektrisches Feld erzeugt, daher ist hier die Chance am größten, dass Teilchen aus der Pulsaroberfläche gerissen werden. An den magnetischen Polen treten die Feldlinien senkrecht aus und werden mit der Entfernung rasch (mit der dritten Potenz des Abstands) schwächer, das heißt die Teilchen können entlang der magnetischen Pole abgefeuert werden und ein stark gerichtetes Radiosignal erzeugen. Wenn ein Pulsar eine rasch taumelnde, präzedierende Achse hat, könnte das gerichtete Signal kurzzeitig und einmalig die Erde direkt treffen und so zu besonders starken Pulsen führen. In diesem Fall wäre auch die immense Leuchtkraft von hunderten Millionen Sonnenleuchtkräften verständlich, denn diese geht von einer isotropen, das heißt in alle Richtungen mit gleicher Intensität ausgesendeten Strahlung aus und extrapoliert die Leistung, die die Erde trifft, auf die gesamte Umgebung des Pulsars. Wird hingegen nur ein schmaler Strahl ausgesendet, ist die Gesamtleistung auf den Bruchteil verkleinert, den der Raumwinkel des Strahls im Verhältnis zur Vollkugel hat.

Ein überschwerer Pulsar, der eigentlich zum Schwarzen Loch kollabieren müsste, könnte durch die Fliehkraft schneller Rotation eine Weile lang nach seiner Entstehung stabilisiert werden und aufgrund der Verlangsamung seiner Rotation durch Radioabstrahlung schließlich doch zum Schwarzen Loch kollabieren, wobei ein Radiopuls durch die in das Schwarze Loch stürzende Materie ausgelöst würde (eine hypothetische Quelle, die auch als "Blitzar" bezeichnet wird). Ähnliches könnte einem Neutronenstern widerfahren, der in seinem Inneren Dunkle Materie aufsammelt, bis er zu schwer wird und zum Schwarzen Loch kollabiert.

Andere Theorien gehen von Pulsaren mit besonders starken Magnetfeldern, den "Magnetaren" als Quellen der FRBs aus. Magnetare entstehen aus Sternen mit bereits ursprünglich starken Magnetfeldern, bei deren Kollaps Wirbel im Plasma entstehen, die einen Dynamo-Effekt auslösen, der ein im Vergleich zu einem normalen Neutronenstern bis zu tausendfach verstärktes Magnetfeld induziert. Dieses wird im entstehenden Neutronenstern eingefroren. Das Feld eines Magnetars ist mit bis zu 10¹¹ Tesla hundert Millionen Mal stärker als die stärksten menschengemachten Elektromagnete, eine Milliarde Mal stärker als die stärksten Neodym-Permanentmagnete und eine Billion Mal stärker als das Magnetfeld der Erde. Ein so starkes Feld wäre auf 1000 km Entfernung tödlich. Man kann dem Feld über Einsteins berühmte E=mc²-Gleichung ein Masseäquivalent zuordnen: Die Energiedichte im Feld ist so hoch, dass ein Kubikzentimeter vom Feld durchzogenen Vakuums mehrere Dutzend Tonnen Masseäquivalent hätte. Atome würden im Feld zu langen Stäbchen, 200-Mal schmäler als lang, auseinander gezogen und das Vakuum würde doppelbrechend und einen Lichtstrahl in zwei verschiedene Richtungen ablenken.

Beben auf einem Magnetar könnten dafür sorgen, dass sich mehr Materie in Form geladener Teilchen von der Oberfläche löst und von den induzierten elektrischen Feldern fortgeschleudert wird, was zu Hyperflares führt, die die FRBs verursachen könnten. Der Kollaps zum Magnetar selbst und die Bildung des hyperstarken Magnetfelds könnten ebenfalls für die FRBs verantwortlich sein. Das den Magnetar umgebende ionisierte Gas könnte wie bei einem Laser in einen angeregten Zustand gepumpt sein und durch einen Flare des Magnetars zur Aussendung eines Mikrowellen-Impulses (MASER) veranlasst werden.

In den meisten Fällen sollte bei den zuvor beschriebenen Prozessen auch Strahlung in Form von Licht, Röntgen oder Gammastrahlung freiwerden, die sich nachweisen lassen sollte.

• Interagierende Neutronensterne

Einige Modelle erklären die FRBs durch Interaktionen eines Neutronensterns mit seiner Umgebung oder einem Begleitstern. Beispielsweise könnten die Magnetfeldlinien eines Neutronensterns durch eine massive Störung wie etwa die Schockwelle einer benachbarten Supernova aufreißen und sich im Anschluss neu miteinander verbinden. Solche als "magnetische Rekonnexionen" bezeichneten Ereignisse finden im Kleinen auch auf der Sonne statt und sind für Sonneneruptionen und koronale Massenauswürfe verantwortlich. Bei den Magnetfeldstärken eines Neutronensterns wären sie um Größenordnungen heftiger.

Mehrere Hypothesen gehen davon aus, dass FRBs eine Folge von Materieakkretion eines Neutronensterns sind, wobei es gleichfalls zur magnetischen Rekonnexion kommen könnte. Sei es normales Plasma, das von einem Nachbarstern ausgestoßen wurde, Asteroiden, die das Magnetfeld durchfliegen oder auf dem Neutronenstern aufschlagen, oder gar aufgesammelte Dunkle Materie. Schließlich könnten sich etwa im dichten Gedränge von Kugelsternhaufen Neutronensterne begegnen und ihre Magnetfelder könnten sich berühren und miteinander oder mit dem Pulsarwind des anderen Sterns interagieren. Bei verschmelzenden Neutronen-Doppelsternen berühren sich Magnetfelder ebenfalls. Der magnetische Bremseffekt der sich durchdringenden Felder könnte Energie freisetzen. Oder bei einer Verschmelzung der Neutronensterne könnte Materie um die Sterne wirbeln und Synchrotronstrahlung aussenden.

• Schwarze Löcher

Wie eingangs bereits erwähnt könnten durch Hawking-Strahlung verdampfende Mini-Black-Holes die FRBs verursachen, wobei allerdings nicht wirklich viel Materieäquivalent in der letzten Millisekunde eines solchen Zerfalls in Energie umgewandelt würde. Nicht genug, um quer durch das beobachtbare Universum messbar zu sein.

Einige Modelle schlagen vor, dass ein supermassereiches Schwarzes Loch, das klumpenweise Materie akkretiert, Partikelstöße im Jet verursachen könnte, die wiederum in das umgebende Gas rammen und dabei Radiostrahlung aussenden. Oder dass im Jet eines stellaren Schwarzen Lochs Klumpen miteinander kollidieren. Verschmelzende Schwarze Löcher sollten eigentlich kaum Strahlung abgeben, aber wenn eines davon oder beide geladen wären (Schwarze Löcher können Masse, Drehimpuls und Ladung haben – sonst nichts), könnte das anders aussehen. Primordiale, also beim Urknall entstandene Schwarze Löcher könnten mit Neutronensternen kollidieren und magnetische Rekonnexionen in deren Magnetfeldern verursachen. Wieder andere Autoren schlagen das Verschmelzen von Neutronensternen oder Weißen Zwergen mit Schwarzen Löchern als Mechanismen der FRBs vor. Der Fantasie scheinen keinerlei Grenzen gesetzt zu sein.

• Weiße Zwerge

Weiße Zwerge können kaum genug Energie aufbringen, um einen FRB verursachen zu können, aber es gibt dennoch zwei vorgeschlagene Modelle. Zum einen könnte ein Weißer Zwerg einen Pulsar extrem eng umkreisen und dabei Materie zum Pulsar überfließen und dabei FRBs durch Synchrotronstrahlung in dessen Magnetfeld produzieren. Oder zwei Weiße Zwerge, die zu leicht sind, um als Typ-Ia-Supernova zu explodieren, könnten zu einem massiven Weißen Zwerg verschmelzen und einen FRB durch ausgestoßene Materie produzieren, die in umgebendes Gas rammt oder von Magnetfeldern zur Synchrotronstrahlung angeregt wird.

• Exotische Vorläufer

Schließlich wurde noch ein ganzes Sammelsurium an weiteren Effekten vorgeschlagen, die nicht in die obengenannten Kategorien fallen. Zum Beispiel könnten die FRBs in Wahrheit von Flare-Sternen aus der Milchstraße stammen, wie etwa Rote Zwerge, die teils sehr starke Strahlungsausbrüche produzieren. Das hohe Dispersionsmaß würde durch die große Elektronendichte in der Korona des Sterns erklärt werden, also der äußersten, Millionen Grad heißen Atmosphäre. Ein Autor schlug primordiale Schwarze Löcher vor, die zu Weißen Löchern explodieren – hypothetische im Rahmen der Relativitätstheorie denkbare Gegenstücke der Schwarzen Löcher mit abstoßender Schwerkraft, denen sich nicht einmal Licht näher als bis zu ihrem Ereignishorizont nähern kann.

Quarksterne und "Strange Stars" wurden vorgeschlagen, das sind hypothetische Objekte, die noch kompakter als Neutronensterne sein und in ihrem Kern oder auch komplett aus Quarks bestehen sollen. Mit den massereichen Strange-Quarks ließe sich die Materie noch dichter packen als in Form der Up- und Downquarks, aus denen die Neutronen und Protonen der normalen Materie bestehen, und so könnten die im Deutschen manchmal als "seltsame Sterne" bezeichneten Strange Stars die kompakteste mögliche Materieform bilden, wobei niemand weiß, ob Quarksterne jeglicher Art überhaupt existieren können. Ein Neutronenstern, der zum Quarkstern/seltsamen Stern kollabiert oder ein solcher, der zum Schwarzen Loch wird, wurden als mögliche FRB-Quellen vorgeschlagen.

Wem das noch nicht exotisch genug erscheint, der kann sich an Arbeiten über supraleitende kosmische Strings oder den Zerfall von Schlingen in kosmischen Strings erfreuen. Kosmische Strings sind hypothetische, im Rahmen der Stringtheorie vorgeschlagene extrem lange und gleichzeitig extrem dünne Fäden (dünner als ein Protonendurchmesser) mit enormer Masse (10 Billiarden Tonnen pro Zentimeter), die vom Urknall übrig geblieben sein könnten. Ja, zwei Autoren schlugen sogar vor, bei den FRBs handele es sich um Strahlen gerichteter Mikrowellen, mit denen, ähnlich wie für das Breakthrough-Starshot-Projekt vorgeschlagen, Lichtsegel von Raumfahrzeugen angetrieben würden. Ein Zoo von Absurditäten in Ermangelung einer in irgendeiner Form verifizierbaren Erklärung.