James-Webb-Teleskop entdeckt die Heimat des fernsten Radioblitzes

Die erst­mals 2007 ent­deck­ten schnel­len Radio­blit­ze sind rät­sel­haf­te, mil­li­se­kun­den­lan­ge Radio­emis­si­ons­blit­ze aus den Tie­fen des fer­nen Uni­ver­sums. Ihr Ursprung ist wei­ter­hin unklar, ins­be­son­de­re da die meis­ten nur ein­mal beob­ach­tet wer­den. Astro­no­men haben mit­hil­fe des James-Webb-Welt­raum­te­le­skops von NASA, ESA und CSA die Wirts­ga­la­xie des bis­her ent­fern­tes­ten beob­ach­te­ten schnel­len Radio­blit­zes (FRB) loka­li­siert. Ihre Ent­de­ckung hat Aus­wir­kun­gen dar­auf, wel­che Art von ener­gie­rei­chem Ereig­nis die­se Blit­ze erzeugt.

Wel­ches mys­te­riö­se Phä­no­men ist in der Lage, einen mil­li­se­kun­den­lan­gen Aus­bruch von Radio­wel­len zu erzeu­gen, der so stark ist, dass wir ihn aus einer Ent­fer­nung von Mil­li­ar­den Licht­jah­ren wahr­neh­men kön­nen? Der Ursprung sol­cher Ereig­nis­se, die als schnel­le Radio­bursts (FRBs) bekannt sind, bleibt ungewiss.

Ein kürz­lich ent­deck­ter FRB lie­fert einen Hin­weis. Bei dem bis­lang am wei­tes­ten ent­fern­ten FRB erwies sich die Wirts­ga­la­xie als über­ra­schend klein und jung. Dies deu­tet dar­auf hin, dass zwi­schen der Stern­ent­ste­hung in Gala­xien und dem Zeit­punkt, zu dem die­se in der Lage sind, FRBs zu erzeu­gen, nur eine gerin­ge Zeit­span­ne liegt. Dies lässt ver­mu­ten, dass FRBs wahr­schein­lich von jun­gen Neu­tro­nen­ster­nen ver­ur­sacht wer­den, die als Magneta­re bekannt sind. Nur das James-Webb-Welt­raum­te­le­skop war in der Lage, die Wirts­ga­la­xie zu ent­de­cken und zu cha­rak­te­ri­sie­ren und sowohl ihre Ent­fer­nung als auch ihre Grö­ße zu bestimmen.

„Das Inter­es­san­te an schnel­len Radio­blit­zen ist, dass wir nicht wis­sen, wodurch sie erzeugt wer­den. Wir haben Theo­rien dar­über, wel­che Objek­te sie erzeu­gen, aber wir haben kei­nen schlüs­si­gen Beweis“, sag­te Mani­sha Caleb von der Uni­ver­si­tät Syd­ney, Aus­tra­li­en, Haupt­au­to­rin der in der Fach­zeit­schrift Sci­ence ver­öf­fent­lich­ten Stu­die.

Das Meer­TRAP-Team nutz­te das Meer­KAT-Tele­skop, um den Aus­bruch am 4. März 2024 zu detek­tie­ren, was zur Bezeich­nung FRB 20240304B führ­te. Die Radio­da­ten die­ses Aus­bruchs deu­te­ten auf eine extrem gro­ße Ent­fer­nung hin, mög­li­cher­wei­se die größ­te bis­her beob­ach­te­te. Um die­se Ent­fer­nung zu bestä­ti­gen, muss­ten Astro­no­men jedoch die zuge­hö­ri­ge Gala­xie unter­su­chen. Obwohl die Posi­ti­on des FRB sehr genau bekannt war, konn­ten die größ­ten boden­ge­bun­de­nen Tele­sko­pe der Welt an die­ser Stel­le am Him­mel kei­ne Gala­xie beob­ach­ten. Daher wand­te sich das Team an das Webb-Teleskop.

Das Nahin­fra­rot-Instru­ment (NIR­Cam) des Webb-Tele­skops ent­deck­te eine Gala­xie an der rich­ti­gen Posi­ti­on, und sein Nahin­fra­rot-Spek­tro­graph (NIR­Spec) lie­fer­te eine prä­zi­se Mes­sung der Rot­ver­schie­bung der Gala­xie [1]: 2,148, was einem Zeit­punkt nur 3 Mil­li­ar­den Jah­re nach dem Urknall ent­spricht. Die über­wie­gen­de Mehr­heit der bis­her detek­tier­ten FRBs ereig­ne­te sich Mil­li­ar­den von Jah­ren spä­ter in der kos­mi­schen Geschichte.

Das Team ent­deck­te, dass die Wirts­ga­la­xie von FRB 20240304B nicht typisch für ande­re Gala­xien mit FRBs ist. Die meis­ten FRB-Gala­xien sind mas­se­rei­che, stern­bil­den­de Gala­xien, doch die gefun­de­ne Gala­xie war 1.000-mal weni­ger mas­se­reich als erwartet. 

„Wir dach­ten, es wäre eine gro­ße, schön geform­te Gala­xie mit vie­len Ster­nen, statt­des­sen war es eine klei­ne Zwerg­ga­la­xie, obwohl sie aktiv Ster­ne bil­de­te“, sag­te Caleb.

„Die Wirts­ga­la­xie sticht in der gesam­ten Gala­xien­stich­pro­be, die wir unter­sucht haben, deut­lich her­vor. Und sie war defi­ni­tiv nicht das, was wir erwar­tet hat­ten“, sag­te Ben Stap­pers von der Uni­ver­si­tät Man­ches­ter, Groß­bri­tan­ni­en, einer der Koau­to­ren der Stu­die. „Die­se Kom­bi­na­ti­on aus dem Meer­TRAP-Pro­jekt am Meer­KAT-Tele­skop zur Ent­de­ckung und Loka­li­sie­rung die­ser weit ent­fern­ten Aus­brü­che und dem Webb-Tele­skop zur Unter­su­chung ihrer Wirts­ga­la­xien ist äußerst spannend.“

Die Gala­xie befand sich auf dem Höhe­punkt des „kos­mi­schen Mit­tags“ – einer Pha­se in der Geschich­te des Uni­ver­sums, in der die Stern­ent­ste­hung ihren Höhe­punkt erreich­te. Die Stern­ent­ste­hungs­ra­te der Gala­xie deu­te­te dar­auf hin, dass die meis­ten ihrer Ster­ne inner­halb von nur 30 Mil­lio­nen Jah­ren ent­stan­den sein könnten.

Dies hat wich­ti­ge Impli­ka­tio­nen für den Ursprung schnel­ler Radio­blit­ze. Eine Theo­rie besagt, dass FRBs durch die Ver­schmel­zung zwei­er Neu­tro­nen­ster­ne ent­ste­hen könn­ten. Der Pro­zess, bei dem sich umkrei­sen­de Neu­tro­nen­ster­ne all­mäh­lich immer wei­ter annä­hern, bis sie kol­li­die­ren, dürf­te jedoch Mil­li­ar­den von Jah­ren dau­ern. Daher wären FRBs ver­mut­lich eher mit älte­ren Gala­xien asso­zi­iert, die stär­ker ent­wi­ckel­te Stern­po­pu­la­tio­nen enthalten.

Eine zwei­te Theo­rie besagt, dass ein FRB von einem ein­zel­nen, jun­gen, stark magne­ti­schen Neu­tro­nen­stern, einem soge­nann­ten Magnetar, aus­ge­hen kann, und zwar durch einen Mecha­nis­mus ähn­lich Stern­be­ben. In die­sem Fall könn­te ein FRB rela­tiv schnell und ohne gro­ße Zeit­ver­zö­ge­rung auf­tre­ten, sobald ein mas­se­rei­cher Stern als Super­no­va explo­diert und einen Magnetar hin­ter­lässt. Folg­lich wären FRBs auch in jün­ge­ren Gala­xien wie der Gala­xie, in der FRB 20240304B vor­kommt, zu erwarten.

„Unse­re Arbeit legt nahe, dass es sehr unwahr­schein­lich ist, dass die­ser FRB durch eine Ver­schmel­zung ent­stan­den ist“, sag­te Caleb. „Unse­re Ergeb­nis­se zei­gen zudem die erstaun­li­chen Fähig­kei­ten des Webb-Tele­skops, mit dem wir Gren­zen über­schrei­ten kön­nen, die bis­her nicht mög­lich waren“, sag­te Mit­au­tor The­mi­ya Nanay­ak­ka­ra von der Uni­ver­si­tät Syd­ney, Australien.

Der neue FRB ist nicht nur ein Rekord­hal­ter, son­dern ermög­lich­te es dem Team auch, mehr über die Mil­li­ar­den von Licht­jah­ren schein­bar lee­ren Raums zwi­schen dem Aus­bruch und der Erde zu erfahren.

„Ein schnel­ler Radio­im­puls ist fast wie eine kos­mi­sche Taschen­lam­pe. Er erhellt alles auf sei­nem Weg. Er hin­ter­lässt einen Abdruck von allem, was er durch­quert, sodass man ihn nut­zen kann, um das ‚kos­mi­sche Netz‘ – die ansons­ten unsicht­ba­re Mate­rie und Struk­tu­ren, denen er auf sei­nem Weg begeg­net – nach­zu­zeich­nen“, sag­te Mit­au­tor J. Xavier Pro­chas­ka von der Uni­ver­si­ty of Cali­for­nia, San­ta Cruz, USA.

Das Team ent­deck­te im FRB-Signal die Spu­ren zwei­er kos­mi­scher Struk­tu­ren – einen bis­her unbe­kann­ten Gala­xien­hau­fen mit einer Rot­ver­schie­bung von 0,3 (etwa 3,5 Mil­li­ar­den Licht­jah­re von der Erde ent­fernt) und den nahe­ge­le­ge­nen Vir­go-Hau­fen, der sich in einer Ent­fer­nung von etwa 54 Mil­lio­nen Licht­jah­ren von der Erde befindet.

Das Team freut sich dar­auf, künf­tig wei­te­re weit ent­fern­te FRBs zu ent­de­cken. Es schätzt, dass das Meer­KAT-Tele­skop jähr­lich meh­re­re FRBs mit einer Rot­ver­schie­bung grö­ßer als 1,0 nach­wei­sen und loka­li­sie­ren kann. Das bedeu­tet, dass die­se FRBs mehr als die Hälf­te der Stre­cke zurück zum Ursprung des Uni­ver­sums zurück­ge­legt haben. Mit der Inbe­trieb­nah­me wei­te­rer Radio­te­le­sko­pe und Instru­men­te könn­te sich die­se Ent­de­ckungs­ra­te beschleu­ni­gen. Das Webb-Tele­skop wird für die Cha­rak­te­ri­sie­rung die­ser weit ent­fern­ten Wirts­ga­la­xien uner­läss­lich sein.

Anmerkungen

[1] Das Uni­ver­sum expan­diert, und die­se Expan­si­on dehnt das Licht im Raum – ein Phä­no­men, das als kos­mo­lo­gi­sche Rot­ver­schie­bung bekannt ist. Je grö­ßer die Rot­ver­schie­bung, des­to grö­ßer ist die vom Licht zurück­ge­leg­te Stre­cke. Daher sind Tele­sko­pe mit Infra­rot­de­tek­to­ren erfor­der­lich, um das Licht der ers­ten und ent­fern­tes­ten Gala­xien zu beobachten.

Hintergrundinformationen

Webb ist das größ­te und leis­tungs­stärks­te Tele­skop, das jemals ins All gebracht wur­de. Im Rah­men einer inter­na­tio­na­len Koope­ra­ti­ons­ver­ein­ba­rung stell­te die ESA den Start­dienst für das Tele­skop unter Ein­satz der Trä­ger­ra­ke­te Aria­ne 5 bereit. In Zusam­men­ar­beit mit Part­nern war die ESA für die Ent­wick­lung und Qua­li­fi­zie­rung der Anpas­sun­gen der Aria­ne 5 für die Webb-Mis­si­on sowie für die Beschaf­fung des Start­diens­tes durch Aria­nespace ver­ant­wort­lich. Die ESA stell­te außer­dem den Haupt­spek­tro­gra­fen NIR­Spec sowie 50 % des Mit­tel­in­fra­rot-Instru­ments MIRI bereit, das von einem Kon­sor­ti­um staat­lich finan­zier­ter euro­päi­scher Insti­tu­te (dem MIRI Euro­pean Con­sor­ti­um) in Zusam­men­ar­beit mit dem JPL und der Uni­ver­si­ty of Ari­zo­na ent­wi­ckelt und gebaut wurde.

Webb ist eine inter­na­tio­na­le Part­ner­schaft zwi­schen der NASA, der ESA und der Cana­di­an Space Agen­cy (CSA).

Bild­nach­weis: NASA, ESA, CSA, STScI, T. Nanay­ak­ka­ra (USYD). Bild­be­ar­bei­tung: J. DePas­qua­le (STScI)

Links

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Link zur ESA-Pres­se­mit­tei­lung heic2621