Die X-Akten der Astronomie: Moduliert da etwa jemand Galaxienkerne?
Ein Eintrag im Anomalienkatalog sollte hellhörig machen: "Kohärente optische Picosekunden-Variabilität eines aktiven galaktischen Kerns". Unbeeindruckt? Moment!
Dank immer besserer Technik, innovativen Ansätzen und internationaler Kooperation erlebt die Astronomie eine Blüte. Doch während viele Beobachtungen dabei helfen, Theorien zu verfeinern oder auszusortieren, gibt es auch immer wieder Entdeckungen, die einfach nicht zu passen scheinen. Mysteriöse Signale, mutmaßliche Verstöße gegen Naturgesetze und – noch – nicht zu erklärende Phänomene. In der Öffentlichkeit wird dann gerne darüber diskutiert, ob es sich um Spuren außerirdischer Intelligenz handelt, Wissenschaftler wissen, dass es am Ende fast immer eine natürliche Erklärung gibt. Aber überall wird die Fantasie angeregt.
In einer Artikelserie auf heise online werden wir in den kommenden Wochen einige solcher astronomischen Anomalien aus einer jüngst vorgestellten Sammlung vorstellen und erklären, warum alle Erklärungsversuche bislang an ihnen scheitern.
Galaxien sind Welteninseln wie unsere Milchstraße (altgriechisch: Γαλαξίας κύκλος – galaxias kyklos, "milchiger Kreis"), die aus hunderten Milliarden von Sternen bestehen. Erst zu Beginn des vergangenen Jahrhunderts fanden die Astronomen heraus, dass die seltsamen "Spiralnebel" Millionen Lichtjahre weit entfernt sind und aus Sternen bestehen. Hingegen sind Gasnebel wie der Orionnebel Wolken aus Wasserstoff, Helium und Staub, die vom ultravioletten Licht junger Sterne zum Leuchten angeregt werden, Teil unserer Milchstraße. Die neblige Erscheinung der Galaxien – nicht alle sind spiralförmig – rührt daher, dass die Sterne zu lichtschwach sind, um einzeln gesehen werden zu können, und sich ihr gemeinsamer Schein zu einem nebligen Wölkchen vermengt.
Galaxien mit ADHS
Galaxien sind riesig und verändern sich so langsam, dass sie uns wie Gemälde erscheinen. Einige Galaxien gelten hingegen als „aktiv“: sie strahlen entweder Emissionslinien (Seyfert-Galaxien), Radiostrahlung (Radiogalaxien) oder harte Röntgen- und Gammastrahlung aus. Manche variieren sogar binnen Stunden bis Wochen in ihrer Leuchtkraft (Blazare). Viele stoßen Jets aus, Materiestrahlen oft nahezu lichtschneller Teilchen. Die meisten aktiven Galaxien zeigen mehrere der vorgenannten Effekte, und diese haben ihren Ursprung stets im Zentrum der Galaxie.
Die kurzfristigen Helligkeitsschwankungen der Blazare weisen darauf hin, dass die Quelle höchstens Lichtstunden bis Lichtwochen groß sein kann, das heißt, wir reden über die Abmessungen von der Größe des Sonnensystems – eine Lichtstunde verhält sich zum Durchmesser einer Galaxie ungefähr wie eine Centmünze zum Durchmesser der Erde. Das ist viel zu klein, um von irdischen Teleskopen aufgelöst werden zu können, abgesehen von radioastronomischer Interferometrie. Das vielleicht berühmteste Beispiel ist die Radiogalaxie Messier 87, die einen prominenten Jet besitzt, und deren zentrales Schwarzes Loch als erstes Objekt seiner Art radioastronomisch aufgelöst und abgebildet werden konnte.
Mittlerweile weiß man, dass ihnen allen der gleiche Mechanismus zugrunde liegt: alle Galaxien haben ein supermassereiches Schwarzes Loch in ihrem Kern, aber üblicherweise, wie bei unserer Milchstraße, ist dieses inaktiv und still. In aktiven Galaxien wird es hingegen "gefüttert": einfallendes Gas stürzt hinein, das sich zuvor in einer Akkretionsscheibe sammelt und derart aufheizt, dass es optisch und am Innenrand der Scheibe bei noch kürzeren Wellenlängen wie UV- und Röntgenstrahlung leuchtet.
(Bild: ESA/Hubble, L. Calçada (ESO))
Im heißen Gas verlieren die Atomkerne ihre Elektronenhüllen, es entsteht ein Plasma aus geladenen Kernen und Elektronen. Ihr Herumwirbeln erzeugt elektrische Ströme, die wiederum Magnetfelder erzeugen, welche auf die Teilchen zurück wirken und einen großen Teil von ihnen entlang der Drehachse der Scheibe fortschleudern: so entstehen die Jets. Beschleunigte Ladungsträger strahlen wiederum Radiostrahlung ab. Weiter außen umgibt die Scheibe ein langsam kreisender Torus aus Staub und Gas, der in Seitenansicht die Akkretionsscheibe verdeckt, so dass nur die Radiostrahlung nach außen dringt. In dem Fall handelt es sich um eine Radiogalaxie. Sieht man über den Torusrand hinweg die leuchtende Scheibe, handelt es sich um eine Seyfertgalaxie. Schaut man genau von oben in den Jet hinein und sieht dessen turbulentes Flackern, handelt es sich um einen Blazar.
Zu klein, um schnell zu sein
All diese Erscheinungen fasst man heute unter dem Begriff "aktive Galaxienkerne" oder AGN (Active Galaxy Nuclei) zusammen. Nun berichtet Ermanno F. Borra von der kanadischen Universität Laval in einer Arbeit aus dem Jahre 2013, erschienen im renommierten Astrophysical Journal, er habe periodische Modulationen in der Größenordnung von 0,1 Picosekunden (Billionstel Sekunden) im Licht einiger AGNs gefunden. Das würde bedeuten, dass sie auf eine Quelle zurückgehen müssen, die selbst kleiner ist als die Strecke, die das Licht in dieser Zeit zurücklegen kann, denn jede natürliche Ursache müsste sich über die gesamte ausstrahlende Fläche synchronisieren, was höchstens mit Lichtgeschwindigkeit möglich ist.
Und wie weit breitet sich Licht in 0,1 Picosekunden aus? 0,03 Millimeter. Nullkommanulldrei! Millimeter!! Und eine mithin maximal 0,003 mm² messende Fläche müsste somit verantwortlich sein für eine Modulation des Lichts eines aktiven Galaxienkerns, die über Millionen Lichtjahre noch nachweisbar ist, zum Beispiel durch Herrn Borra. Wie soll das funktionieren?
Jetzt wird’s bunt
Betrachten wir zunächst, was Borra da eigentlich gemessen hat. Vorweg: es gibt keine technische Möglichkeit, mit einer Zeitauflösung von Picosekunden die optische Strahlung so lichtschwacher Objekte wie ferner Galaxien direkt zu messen. Borra verwendete einen ganz anderen Kniff, für den er nichts anderes benötigte als die lang belichtete fotografische Aufnahme des Spektrums einer Galaxie.
Ein Spektrum ist die Zerlegung des Lichts in verschiedene Wellenlängen, also Farben. Regentropfen leisten dies beim Sonnenlicht und erzeugen einen bunten Regenbogen, wenn die Sonne darauf scheint. Das Prinzip dahinter ist die Lichtbrechung beim schrägen Einfall des Sonnenlichts auf die Wasseroberfläche, die für verschiedene Lichtwellenlängen verschieden stark ausfällt. Weil Regentropfen unbeständig sind und die Wolken, aus denen sie fallen, meist den Blick auf den Sternenhimmel verdecken, schicken Astronomen das Sternenlicht lieber durch ein Glasprisma, welches zuverlässig das gleiche leistet.
Der Sloan Digital Sky Survey (SDSS) ist ein Beobachtungsprogramm, im Rahmen dessen seit 2000 vier Millionen Spektren von Galaxien und Sternen aufgenommen wurden. Dazu werden Aluminiumplatten in den Fokus der 2,5 m durchmessenden Teleskope Apache Point in New Mexico (USA) und Irénée du Pont in Las Campanas (Chile) montiert, in die man exakt an den Positionen der zu untersuchenden Objekt Löcher gebohrt hat. In diese werden Glasfasern gesteckt, die das Licht auffangen und über Prismen, optische Spalte und Linsen zu den CCD-Sensoren leiten, mit denen die Spektren aufgenommen werden.
Schaut man sich das Spektrum einer Galaxie an, sieht man ein Gemisch von Sternspektren. Diese zeigen gemeinhin dunkle Absorptionslinien, vor allem denen des Wasserstoffs, aus dem sie zu 90 Prozent Volumenanteil bestehen. Transparentes neutrales Gas in den Sternatmosphären absorbiert Licht des tiefer liegenden heißen Plasmas nur bei spezifischen Farben, die von den diskreten Energieniveaus diktiert werden, auf die im Atom gebundene Elektronen quantenmechanisch beschränkt sind. Denn jede Farbe entspricht einer spezifischen Energie der Photonen. Photonen genau dieser Farben regen die Elektronen an, auf höhere Energieniveaus zu springen, um kurz danach wieder spontan auf ein niedrigeres Niveau zu fallen und ein Photon einer entsprechenden Farbe auszusenden – allerdings dann in eine andere, zufällige Richtung.
Deswegen fehlt das Licht der absorbierten Farben in der Durchsicht durch die Sternatmosphäre, es wird in andere Richtungen zerstreut. Und dementsprechend zeigen Galaxien vor allem dunkle Linien des Wasserstoffs in ihren Spektren. Durch die berühmte kosmologische Rotverschiebung ist die Position der Linien bei fernen Galaxien zunehmend in Richtung längerer Wellenlängen verschoben. Aus dem Hubble-Lemaître-Gesetz folgt die ungefähre Entfernung der Galaxie. So vermisst der SDSS die Entfernung von Millionen von Galaxien, um einen Überblick über die räumliche Struktur des Universums zu erhalten.
Wie man eingefrorene Zeit auftaut
Zurück zu Borra, der gänzlich anderes mit den Spektren vor hatte. Mathematisch-physikalisch gesehen ist das Spektrum die sogenannten Fourier-Transformierte eines Lichtstroms. Licht besteht aus Lichtwellen, jede Welle ist eine periodische Schwingung einer bestimmten Wellenlänge und Amplitude (Pegel), und das Spektrum ist die Kombination aller Lichtwellenlängen, nebeneinander aufgetragen, wobei die Helligkeit einer jeden Farbe dem Quadrat der Amplitude der jeweiligen Wellenlänge entspricht. Wenn man das elektrische Feld des von einer Galaxie aufgefangenen Lichts über die Zeit auftragen könnte, erhielte man aus der Überlagerung der verschiedenen Wellenfunktionen eine mit der Zeit variierende, auf- und abschwingende periodische Kurve.
Die sogenannte "Fourier-Transformation" ist nun eine mathematische Operation, die angewendet auf eine periodisch variierende Funktion eines hinreichend langen Intervalls ein Spektrum ausspuckt, also eine Auflistung aller enthaltenen Wellenlängen. Man spricht von einer Transformation aus dem Zeitbereich (die Abtastwerte folgen ja zeitlich aufeinander) in den Frequenzbereich (Wellenlänge und Frequenz sind zwei gleichwertige, austauschbare Maße für die Farbe des Lichts). Deren Berechnung überlässt man am besten einem Computer. Um ein Signal im Computer zu verarbeiten, muss man es abtasten, das heißt in einem gewissen Zeitraster den aktuellen Pegel auslesen und in einen Zahlenwert umwandeln, mit dem man rechnen kann.
Die diskrete Fourier-Transformation ist nicht etwa besonders verschwiegen, sondern errechnet aus einer Folge einzelner (= "diskreter") Abtastwerte eine Liste diskreter Wellenlängen mit ihren Amplituden. Je länger das Intervall, desto feiner aufgelöst sind die Wellenlängen, und man könnte bei hinreichender Auflösung in einem Lichtsignal eines Sterns oder einer Galaxie die Absorptionslinien als Lücken bei bestimmten Wellenlängen extrahieren. Das Licht schwingt dafür allerdings viel zu schnell, man kann es nicht mit der nötigen Auflösung von Milliardstel Sekunden aufzeichnen und abtasten.
Interessanterweise kann man die diskrete Fourier-Transformation auch umgekehrt ausführen: man kann aus einem Spektrum der Frequenzen eines von Periodendauern (Periodogramm) rekonstruieren. Diese Methode nennt Borra "spektrale Fourier-Transformation" (SFT) und er hat sie auf Galaxienspektren angewendet. Seine Hypothese: wenn das Licht eines aktiven Galaxienkerns mit einer bestimmten Frequenz moduliert ist, also in regelmäßiger Folge in der Amplitude oder Wellenlänge variiert, dann sollte im Spektrum diese Frequenz auffindbar sein.
Jedoch würde sie zwischen all den anderen Frequenzen im messbedingten Rauschen des Spektrums nicht erkennbar sein, insbesondere nicht, wenn die Modulation die Wellenlänge beträfe und nicht die Amplitude. Zurück transformiert in den Zeitbereich sollte sie sich jedoch als Periodendauer zeigen.
(Bild:Â Ermanno F. Borra)
So extrahierte er 2,5 Millionen Spektren von 900.000 Galaxien – viele waren mehrfach aufgenommen worden – aus dem Sloan Digital Sky Survey und generierte daraus ihre Periodogramme. Bei 223 von ihnen fand er eine einzelne heraus stechende Periode, die mindestens um den Faktor 6,5 die Amplitude aller anderen Perioden im Spektrum überragte. Nach seiner Analyse war es trotz der großen Zahl von Spektren statistisch auszuschließen, dass diese große Amplitude auf eine zufällige, besonders große Schwankung des Rauschens zurück zu führen sein könnte.
Die fernste Galaxie hatte eine Rotverschiebung von 0,25 entsprechend einer Entfernung von 3,3 Milliarden Lichtjahren; dabei zeigte sich, dass die Periodendauer mit der Rotverschiebung der Galaxien wuchs, ein Effekt, den man nur erwarten würde, wenn die Periode wirklich von der Galaxie produziert würde und nicht etwa im beobachtenden Instrument oder durch die Berechnungen. Für die Mehrzahl der Galaxien war keine Periodizität feststellbar. Auch das sprach für einen realen Effekt. Die Rotverschiebung herausgerechnet betrug die Periode ungefähr 10-13 Sekunden, das sind 0,1 Picosekunden.
(Bild:Â Ermanno F. Borra)
Ich sage nicht, es sind Aliens…
Könnte das Signal vielleicht von Absorptionslinien erzeugt werden? Wenn sich Linien im Spektrum in gleichen Abständen wiederholen, entstünde eine ähnliche Spitze im Zeitbereich wie die beobachtete. Borra sagt "nein!", denn erstens seien die aus Spektrallinien resultierenden Perioden-Spitzen bei Fixsternen viel breiter als nur eine der diskreten Wellenlängen, zweitens seien die Linien bei den Galaxien zu schwach und drittens sähen die Spektren der 223 Galaxien nicht anders aus als die der übrigen, ihr Spektrum sei im Augenschein nicht auffällig in ihren Spektrallinien. Einige von ihnen hätten Emissionslinien (das heißt, es handelt sich um Seyfert-Galaxien), andere nicht.
Auch einen Unterschied in der chemischen Zusammensetzung der Galaxien und die dadurch verursachten zusätzlichen Linien will Borra ausschließen, denn dann müssten ganze Sternpopulationen in diesen Welteninseln ungewöhnliche Mengen von Elementen produziert haben, was allenfalls für einzelne Sterne plausibel wäre.
Was könnte stattdessen eine mögliche Erklärung sein? Borra spekuliert, dass die Signale den Jets supermassereicher Schwarzer Löcher in aktiven Galaxienkernen entstammen könnten. Die kurze Periode würde auf ein räumlich stark begrenztes Volumen mit einer absurd hohen Temperatur von mehr als 1040 K rückschließen lassen (um nämlich eine entsprechende Leuchtkraft einer so winzigen Quelle zu erklären), aber die Strahlung müsse ja nicht notwendig thermisch sein, also durch eine Quelle mit hoher Temperatur verursacht; LEDs oder Laser strahlen zum Beispiel kaltes Licht ab. Bisher unbekannte, exotische Physik könne hier am Werk sein. Oder andere "offensichtliche Erklärungen", die er aber in dem Aufsatz nicht nennen mochte.
… aber es sind Aliens!
In einer anderen Arbeit aus dem Jahr zuvor (2012) hatte er die Analyse von Stern-Periodogrammen vorgeschlagen, um nach gepulsten Signalen von auĂźerirdischen Intelligenzen zu suchen. Wenn die Paare von Pulsen mit festem Abstand gesendet wĂĽrden, dann wĂĽrde sich dieser zeitliche Abstand als scharfe Periodenspitze im Periodogramm zeigen.
2016 veröffentlichte er zusammen mit Eric Trottier (ebenfalls Universität Laval) einen weiteren Aufsatz in den Publications of the Astronomical Society of the Pacific (PASP), in dem er nach periodischen Modulationen in Periodogrammen von Sternen suchte. Unter 2,5 Millionen Sternspektren – wieder aus dem SDSS – identifizierten Borra und Trottier 234 Sterne mit einer auffälligen Spitze im Periodogramm bei 1,65 Picosekunden. Alle diese Sterne waren von der Spektralklasse her sonnenähnlich: von vergleichbarer Temperatur, Größe und mit ähnlichen Spektren. Nachdem sie, wie oben, Spektrallinien und Effekte der Fouriertransformation oder der Instrumente als Ursachen ausgeschlossen haben, schließen die Autoren, dass Signale extraterrestrischer Intelligenzen, die auf sich aufmerksam machen wollen, eine plausible Erklärung sein könnten. Die Sterne könnten Planeten haben, von denen die Signale, zum Beispiel als gepulste Laserstrahlen, ausgingen.
Aber ist das wirklich plausibel? 234 Intelligenzen, querbeet über den Himmel verteilt auf nicht einmal sehr fernen Sternen, die alle Pulse mit demselben Zeitabstand senden, um auf sich aufmerksam zu machen? Alle gleichzeitig existierend – kosmologisch gesehen ist die Dauer, die es den Homo Sapiens schon gibt, nur eine Sekunde im Vergleich zu einem Tag, und 99,9 Prozent dieser Zeit waren wir technisch nicht einmal in der Lage, Radiowellen auszusenden. Die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Intelligenzen in der Milchstraße gleichzeitig auf technologischem Niveau existieren, ist winzig, und für 234 ist sie nach allen praktischen Maßstäben Null. Wenn es sich bei allen Quellen jedoch um Kolonien ein- und derselben Spezies handelte, die also interstellare Raumfahrt betreiben können müsste, warum sollte sie uns von überall her Zeichen zusenden anstatt uns zu besuchen?
Und 223 Galaxien, bis zu 3,3 Milliarden Lichtjahre Entfernung, die das ebenfalls tun? Wozu? Die Kommunikation über Milliarden Lichtjahre und entsprechend lange Laufzeiten wäre komplett sinnfrei.
Demontage einer Hypothese
Vielleicht sollte man sich nicht alleine auf die Gegenargumente verlassen, die die Autoren selbst aufzählen, um sie gleich danach wieder zu entkräften. 2018 erschien eine Arbeit von Howard Isaacson, Andrew Siemion (der auch am SETI-Institut in Mountain View, Kalifornien, tätig ist) und anderen, die das Naheliegende taten, was eigentlich auch Borra hätte tun können: die Beobachtungen mit besserem Gerät an den aufgespürten Objekten wiederholen. Sie wählten drei von Borras 234 Sternen aus, darunter TYC3010-1484-1, der im Anomalienkatalog von Breakthrough Listen als Beispiel für einen Stern mit Picosekunden-Veränderlichkeit aufgeführt ist.
Sie nahmen Spektren der Sterne mit einem Spektrographen auf, der eine fast 50-fach höhere Auflösung hatte als diejenigen des SDSS, mit denen Borras Spektren aufgenommen worden waren, und wendeten Borras Methode an, aber mit einer um 2 Größenordnungen besseren Auflösung der Periodogramme. Und fanden: nichts. Natürlich, schrieben die Autoren, könnte es sein, dass die Außerirdischen gerade nicht sendeten, als die hochauflösenden Spektren aufgenommen wurden. Vielleicht seien in einigen wenigen SDSS-Spektren aber auch einfach nur kleine Störungen der Instrumente enthalten. Zum Beispiel Interferenzmuster innerhalb der Optiken, die empfindlich auf Temperaturänderungen oder Erschütterungen reagierten. Auch ein Verriss sollte höflich sein.
(Bild:Â Isaacson, Siemion et al.)
Am 6. Februar 2019 erschien in PASP eine Arbeit von Michael Hippke vom Observatorium Sonneberg. Er gibt darin zu bedenken, dass die atmosphärische Turbulenz Pulse im Picosekundenbereich so stark verschmieren würde, dass man sie eigentlich vom Erdboden aus gar nicht messen können sollte. Hippke wendete ebenfalls Borras Methode an und fand tatsächlich eine Periode – im Spektrum der Sonne! Allerdings nicht in deren echtem Spektrum, sondern in einem synthetischen, welches das Sonnenspektrum absolut frei von Messrauschen mathematisch reproduzierte und welches er zu einem Spektrum mit der doppelten Auflösung der SDSS-Spektrographen verpixelte. Die Signalspitze lag genau bei derselben Periode, die Borra ermittelt hatte, aber das Spektrum war definitiv nicht periodisch moduliert.
Auch bei Galaxienspektren wurde er fündig: er bediente sich aus einem anderen Katalog (6df) ähnlicher Auflösung wie dem des SDSS und fand umso klarere Perioden-Spitzen, je mehr Galaxienspektren er einander überlagerte. Und sie zeigten auch das von Borra beobachtete Verhalten, mit der Rotverschiebung zuzunehmen. Der Grund? Die Absorptionslinien im Spektrum sind nicht zufällig angeordnet, sondern sie unterliegen selbst einem Muster, das in den Zeitbereich transformiert eine zeitliche Periodizität vortäuscht. Die Linienabstände nehmen mit der Rotverschiebung zu und somit auch die Pseudo-Periodizität. Und am Ende gehen sie auf die Linien in den Sternspektren zurück.
(Bild:Â Hippke )
So könnte dieses Rätsel also als gelöst aus dem Katalog von Breakthrough Listen gestrichen werden. Diesmal waren es offenbar leider keine Aliens.
- Ermanno F. Borra, “The discovery of periodic modulations in the optical spectra of galaxies, possibly due to ultrarapid light bursts from their massive central black holes”, The Astrophysical Journal, Volume 774, Number 2, 26. August 2013.
- Ermanno F. Borra, and Eric Trottier, “Discovery of Peculiar Periodic Spectral Modulations in a Small Fraction of Solar-type Stars”, Publications of the Astronomical Society of the Pacific, Volume 128, Number 969, 14. Oktober 2016.
- Howard Isaacson, Andrew P.V. Siemion, Geoffry W. Marcy et al., “The Breakthrough Listen Search for Intelligent Life: No Evidence of Claimed Periodic Spectral Modulations in High Resolution Optical Spectra of Nearby Stars”, Publications of the Astronomical Society of the Pacific, Volume 131, Number 995, 4. Dezember 2018.
- Michael Hippke, “Periodic Spectral Modulations Arise from Nonrandom Spacing of Spectral Absorption Lines”, Publications of the Astronomical Society of the Pacific, Volume 131, Number 997, 6. Februar 2019.
(mho)
