Seite 3: Ein alter Bekannter überrascht

Inhaltsverzeichnis

Dies war der Stand bis zum 27. April 2020, 20:26:20 MESZ. Als erstes registrierte das Swift-Gammastrahlen-Weltraumteleskop einen Gammastrahlen-Ausbruch vom Soft Gamma Repeater SGR 1935+2154; wie der Name verrät eine Quelle relativ niederenergetischer Gammastrahlung, die dafür bekannt war, dass sie wiederholte Ausbrüche zeigt. 5 Minuten nach dem ersten Ausbruch erfolgte eine Kaskade weiterer Gammabursts mit 350.000 registrierten Gammaphotonen pro Sekunde über mehrere Sekunden Dauer. In den ersten 24 Minuten feuerte SGR 1935+2154 35 Gammabursts ab und er gab noch 7 Stunden später keine Ruhe, als die Astronomen des Swift-Teams ihre Beobachtung als astronomisches Telegramm um die Welt kabelten. Auch das Gammastrahlen-Weltraumteleskop Fermi registrierte die Aktivität.

SGR 1935+2154 war ein alter Bekannter, der im Juli 2014 mit einer Spitzenrate von 4500 Gammaquanten pro Sekunde von Swift mitten in der Milchstraßenebene im Sternbild Fuchs (nicht weit entfernt von Albireo, dem Kopf des Schwans) entdeckt worden war. Bis heute hat er an die 100 gemessene Gammastrahlenausbrüche verzeichnet. Im August 2014 hatten Astronomen mit dem Chandra-Röntgen-Weltraumteleskop entdeckt, dass der Soft Gamma Repeater im Röntgenbereich alle 3.24498 Sekunden einen Impuls aussendete, es handelte sich also um einen Pulsar. Mehrere Radioteleskope nahmen ihn danach unter die Lupe, fanden aber keine entsprechenden periodischen Pulse im Radiofrequenzbereich. Im März 2015 maßen Astronomen mit dem NuSTAR-Röntgenteleskop noch einmal die Röntgen-Pulsfrequenz nach und kamen auf 3,2479 Sekunden Pulsationsdauer. Das war 2,3 Tausendstelsekunden langsamer und daraus konnten die Astronomen ableiten, wie stark der Neutronenstern magnetisch gebremst wurde und seine magnetische Feldstärke ableiten: 7·10¹⁰ Tesla, knapp 10¹¹ T. SGR 1935+2154 war ein Magnetar!

Nun war der Gammastrahlenausbruch von SGR 1935+2154 zwar beeindruckend in seiner Intensität, aber die eigentliche Überraschung folgte am 28. April 2020 um 16:34:33 MESZ, 20 Stunden nach dem ersten Gammapuls: das kanadische CHIME-Radioteleskop registrierte einen extrem hellen Radiopuls, bestehend aus zwei je 5 Millisekunden langen, im Abstand von 30 Millisekunden empfangenen Einzelpulsen zwischen 400 und 800 MHz aus der ungefähren Richtung des Magnetars. Am zerfaserten Spektrum erkannten die Astronomen, dass CHIME das Signal nur in einer Nebenkeule empfangen hatte, es war gar nicht im eigentlichen Sichtbereich der Antenne, so dass sie Korrekturen durchführen mussten, um auf die Herkunftsrichtung rückschließen zu können. Sie lag nur 0,3°±1° von SGR 1935+2154 entfernt.

Im von Paul Scholz von der Universität Toronto verfassten Astronomischen Telegramm wird ein Dispersionsmaß von 332,8 pc/cc angegeben. In dieser Richtung, quer durch die gasreiche Milchstraßenscheibe und innerhalb des Supernovarests G57,2+0.8, der auf den Magnetar zurückgeführt wird, beträgt die Elektronendichte der Milchstraße rund 540 pc/cc, die Quelle sollte also trotz des hohen DM noch innerhalb der Milchstraße liegen. Frühere Arbeiten hatten eine Entfernung des Magnetars von 6,6 bzw. 12,5 Kiloparsec (21.500 – 40.750 LJ) ergeben. Bei einer angenommenen Entfernung von 10 kpc (32.600 LJ) läge die freigesetzte (isotrope) Energie bei 3·10²⁷ Joule und die Spitzenleistung bei 7·10²⁹ Watt.

Konzertierte Aktion

Als das Team des STARE2 Radio Arrays (Survey for Transient Astronomical Radio Emission 2) das Telegramm las, prüften sie sofort ihre Aufzeichnungen vom selben Tag. Das STARE2-System besteht aus drei kleinen 1,4-GHz-Empfängern verteilt über den Südwesten der USA, die senkrecht nach oben schauen. Da es nicht mit richtenden Schüsselantennen arbeitet, hat es ein riesiges Blickfeld, das ca. 50% des Himmels überblickt. Das Gerät wurde speziell zum Aufspüren von Radiotransienten wie FRBs gebaut und ging im Frühjahr 2019 in Betrieb. Mangels bündelnder Schüsseln kann es jedoch nur sehr starke FRBs innerhalb der Milchstraße orten. Und landete am 28.04.2020 seinen ersten Volltreffer.

Das STARE2-Team kam mit seiner im direkten Empfangsbereich des Radioteleskops durchgeführten Messung auf eine noch höhere Pulsenergie von 2,2·10²⁸ Joule isotrop, was rund 4000 Mal stärker wäre als der stärkste bisher von einem Objekt in der Milchstraße registrierte Radiopuls. Das wäre zwar nur ein Vierzigstel der Leistung des bisher schwächsten georteten FRBs, aber 70.000 Mal näher als der nächste FRB, der zuvor registriert worden war.

Die Lokalisierungsgenauigkeit von STARE2 betrug nur etwa 10°, so dass nur die zeitliche Koinzidenz mit der CHIME-Messung einen starken Bezug zum Magnetar SGR 1925+2154 herstellte. Dass es sich wirklich um diesen als Quelle handeln muss, ergaben die Beobachtungen weiterer Instrumente.

Zur gleichen Zeit wie CHIME und STARE2 beobachteten drei Weltraum-Röntgenteleskope den Magnetar: INTEGRAL, das Konus-Experiment auf dem WIND-Satelliten und Insight-HXMT. Sie alle stellten zur exakt gleichen Zeit eine verstärkte Röntgenaktivität des Magnetars fest, womit die Verbindung zum Radiopuls gefestigt wurde. INTEGRAL hat eine örtliche Auflösung von 12 Bogenminuten, rund 1/3 Vollmonddurchmesser. Den endgültigen Bezug stellte dann das chinesische Five-hundred-metre Aperture Spherical radio Telescope (FAST) her, das am 29. und 30. April weitere Radiopulse bei 1,25 GHz aufzeichnen konnte und eine Lokalisierungsgenauigkeit von wenigen Bogensekunden bei diesen Frequenzen hat.

Somit war dies der erste entdeckte echte FRB innerhalb der Milchstraße und zugleich der erste, der einem konkreten Objekt zugeordnet werden konnte. Er erhielt die offizielle Bezeichnung FRB 200428.

Ein Täter aber kein Motiv

Offenbar sind also Magnetare zumindest eine mögliche Quelle von FRBs. Nun stellt sich natürlich die Frage nach dem genauen Mechanismus. Bochenek et al. aus dem STARE2-Team stellen klar, dass weder die Gamma-Bursts noch die zeitgleich mit dem FRB ausgestrahlten Röntgenpulse in irgendeiner Weise untypisch für einen Magnetar gewesen seien, deren 30 Stück in der Milchstraße bekannt sind und tausende weitere existieren müssen. Ungewöhnlich sei nur die zeitliche Koinzidenz, da Röntgenpulse üblicherweise Radiosignale für mehrere 10 Sekunden blockierten. Eine Möglichkeit zur parallelen Erzeugung von Radio- und Röntgenpulsen böten jedoch Riesenflares, bei denen eine magnetische Blase von Teilchen in der Magnetosphäre ("Plasmoid") auf relativistische Geschwindigkeit beschleunigt werde.

Die Teilchen könnten beide Arten von Strahlung erzeugen, wenn sie in umgebendes Gas rammten, und die Energie von Riesenflares wäre mit mehr als 10³⁷ Joule groß genug, diesen Prozess anzutreiben. Alternativ könnte der Plasmoid beim Austritt aus der Magnetosphäre einen elektromagnetischen Puls verursachen. Da die Plasmoide in eine bestimmte Richtung geschleudert würden, wäre auch die generierte Strahlung gerichtet, was ihre Seltenheit (insbesondere in Anbetracht zahlreicher Magnetare in der Milchstraße) erklären könne.

Ob das Plasmoid-Modell das Phänomen der Fast Radio Burst erklären kann und ob es möglicherweise noch andere Prozesse gibt, die FRBs produzieren können, werden weitere Forschungen zeigen müssen. Seit der FRB 200428 dem Magnetar SGR 1935+1254 zugeordnet werden konnte, reißt die Zahl Astronomischer Telegramme und Veröffentlichungen nicht ab, mehr als 2/3 aller Arbeiten zu dem Magnetar wurden in diesem Jahr veröffentlicht. Vielleicht spendiert dieser Magnetar oder ein anderer in der Milchstraße uns noch ein paar FRBs, die sichließlich helfen werden, das Rätsel um die ultrastarken Radiopulse aufzulösen.

Quellen:

• D.R. Lorimer, M. Bailes, M.A. McLaughlin et al., “A bright millisecond radio burst of extragalactic origin”, Science Vol 318, Issue 5851, S. 777-780, 2. November 2007, Preprint: arXiv:0709.4301
• James M. Cordes, Shami Chatterjee, “Fast Radio Bursts: An Extragalactic Enigma”, Annual Review of Astronomy and Astrophysics, Vol. 57:417-465, August 2019, Preprint: 13.06.2019, arXiv:1906.05878
• E. Petroff, J.W.T. Hessels, D.R. Lorimer, “Fast Radio Bursts“, The Astronomy and Astrophysics Review 27, Article no.: 4 (2019), free access
• The CHIME/FRB Collaboration: B.C. Anderson, K.M. Bandura et al., “A bright millisecond-duration radio burst from a Galactic magnetar”, eingereicht bei Nature, Preprint: 20. Mai 2020, arXiv:200510324
• Christopher D. Bochenek, Vikram Ravi, Konstantin V. Belov et al., “A fast radio burst associated with a Galactic magnetar”, eingereicht bei Nature , Preprint: 21. Mai 2020, arXiv:2005.10828
• J.R. Cummings, S.D. Barthelmy, M.M. Chester, and K.L. Page, “Newly discovered SGR 1935+2154: Swift observations”, The Astronomer’s Telegram ATel #6294, 6. Juli 2014, 20:32 UT
• Gian Luca Israel, Nanda Rea et al., “Chandra discovery of 3.2s X-ray pulsations from SGR 1935+2154”, The Astronomer’s Telegram ATel #6370, 5. August 2014, 16:59 UT
• G. Younes, E. Gogus et al., “NuSTAR observations of the magnetar candidate SGR 1935+2154”, The Astronomer’s Telegram ATel #7213, 12. März 2015, 15:29 UT
• David M. Palmer on behalf of the Swift/BAT Team, “A Forest of Bursts from SGR 1935+2154”, The Astronomer’s Telegram ATel #13675, 28. April 2020, 03:24 UT
• Paul Scholz on behalf of CHIME/FRB Collaboration, “A bright millisecond-timescale radio burst from the direction of the Galactic magnetar SGR 1935+2154”, The Astronomer’s Telegram ATel #13681, 28. April 2020, 20:45 UT
• C.F. Zhang, J.C. Jiang et al., “A highly polarised radio burst detected from SGR 1935+2154 by FAST”, The Astronomer’s Telegram ATel #13699, 3. Mai 2020, 02:32 UT

(mho)