Astronomen verbinden „Starkwachen“ mit mysteriösen Radiosignalen aus dem Weltraum

Forschungen der Universität Tokio verbinden schnelle Radiostöße (FRBs) mit „stellaren Erschütterungen“ in Neutronensternen und liefern neue Erkenntnisse über Erdbeben und Kernphysik.

Fast Radio Bursts oder FRBs sind ein astronomisches Rätsel, ihre genaue Ursache und Herkunft ist noch unbestätigt. Diese intensiven Radioenergieausbrüche sind für das menschliche Auge unsichtbar, in Radioteleskopen jedoch deutlich sichtbar. Frühere Studien haben wiederholt große Ähnlichkeiten zwischen der Energieverteilung von FRBs und Erdbeben und Sonneneruptionen festgestellt.

Neue Forschungen an der Universität Tokio untersuchten jedoch den Zeitpunkt und die Energie von FRBs und fanden deutliche Unterschiede zwischen FRBs und Sonneneruptionen, aber auch viele auffällige Ähnlichkeiten zwischen FRBs und Erdbeben. Dies stützt die Theorie, dass FRBs durch „stellares Zittern“ auf der Oberfläche von Neutronensternen verursacht werden. Die Entdeckung wird dazu beitragen, Aspekte von Erdbeben, das Verhalten hochdichter Materie und die Kernphysik besser zu verstehen.

Chinesisches sphärisches Radioteleskop mit fünfhundert Metern Apertur (FAST). Die FRB-Daten wurden vom Five Hundred Meter Aperture Spherical Telescope (FAST) in China und dem Arecibo Telescope in Puerto Rico bereitgestellt, zwei der weltweit größten Einschalenteleskope. Leider wurde das Arecibo-Teleskop im Jahr 2020 beschädigt und deaktiviert. Bildnachweis: Bojun Wang, Jinchen Jiang und Qisheng Cui

Das Rätsel der FRBs

Die Weiten des Weltraums bergen viele Geheimnisse. Während nur wenige davon träumen, dorthin zu gehen, wo noch niemand zuvor gewesen ist, können wir von den Annehmlichkeiten der Erde viel lernen. Dank technologischer Fortschritte können wir die Oberfläche erkunden DienstagÜberraschung SaRinge und fangen mysteriöse Signale aus dem Weltraum auf. Schnelle Funkstöße sind hochenergetische, helle Energiestöße, die in Radiowellen sichtbar sind.

Diese 2007 erstmals entdeckten Ausbrüche können Milliarden von Lichtjahren zurücklegen, dauern jedoch normalerweise nur eine Tausendstelsekunde. Es wird geschätzt, dass jeden Tag 10.000 FRBs auftreten könnten, wenn wir den gesamten Himmel beobachten könnten. Obwohl die meisten bisher erkannten Burst-Quellen offenbar ein einzelnes Ereignis aussenden, gibt es etwa 50 FRB-Quellen, die wiederholte Bursts aussenden.

Daten zu Erdbeben stammen aus der japanischen Kanto-Region (einschließlich Tokio und Narita) und Izumo in der Tsukoku-Region (nördlich von Hiroshima). Schwarze Punkte zeigen Epizentren von Erdbeben an, die zwischen dem 6. Mai 2010 und dem 31. Dezember 2012 aufgezeichnet wurden. Bildnachweis: ©2023 T. Totani & Y. Tsuzuki

Theorien hinter der Ursache von FRBs

Die Ursache von FRBs ist unbekannt, es wurden jedoch einige Ideen vorgebracht, die möglicherweise sogar deren Ursprung sind. Die derzeit vorherrschende Theorie besagt jedoch, dass zumindest einige FRBs von Neutronensternen emittiert werden. Diese Sterne entstehen, wenn ein Überriese mit einem Durchmesser von 20 bis 40 Kilometern aus einer Masse kollabiert, die achtmal so groß ist wie die unserer Sonne (im Durchschnitt). Magnetos sind Neutronensterne mit sehr starken Magnetfeldern und es wird beobachtet, dass sie FRBs aussenden.

„Es wurde die Theorie aufgestellt, dass die Oberfläche eines Magneten ein Sternbeben erleiden würde, eine Energiefreisetzung ähnlich wie bei Erdbeben auf der Erde“, sagte Tomonori Totani, Professor am Fachbereich Astronomie der Graduate School of Science. „Jüngste Beobachtungsfortschritte haben zur Entdeckung Tausender weiterer FRBs geführt, sodass wir die Gelegenheit hatten, die großen statistischen Datensätze, die jetzt für FRBs verfügbar sind, mit Daten von Erdbeben und Sonneneruptionen zu vergleichen, um mögliche Ähnlichkeiten zu untersuchen.“

Die Forscher analysierten den Zeitpunkt und die Energieverteilung von FRB- und Erdbebenereignissen und stellten durch die Darstellung der Regressionswahrscheinlichkeiten als Funktion der Zeitverzögerung fest, dass beide sehr ähnlich sind. Bildnachweis: ©2023 T. Totani & Y. Tsuzuki

Statistische Analyse und Erkenntnisse

Bisher konzentrierte sich die statistische Analyse von FRBs auf die Verteilung der Wartezeiten zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bursts. Totani und Co-Autor Yuya Suzuki, ein Doktorand in derselben Abteilung, weisen jedoch darauf hin, dass die Berechnung nur der Wartezeitverteilung keine Korrelationen berücksichtigt, die bei anderen Ausbrüchen bestehen. Durch die Analyse des Timings und der Emissionsenergie von fast 7.000 Bursts aus drei verschiedenen Repeater-FRP-Quellen beschloss das Team, die Korrelation im zweidimensionalen Raum zu berechnen. Anschließend verwendeten sie dieselbe Methode, um die Zeit-Energie-Korrelationen von Erdbeben (unter Verwendung von Daten aus Japan) und Sonneneruptionen (unter Verwendung von Aufzeichnungen) zu untersuchen. Hinot International Mission for the Study of the Sun) und verglich die Ergebnisse von drei anderen Fällen.

Im Gegensatz zu anderen Studien zeigte ihre Analyse eine bemerkenswerte Ähnlichkeit zwischen FRBs und Erdbebendaten, aber Totani und Tsuzuki waren überrascht, einen deutlichen Unterschied zwischen FRBs und Sonneneruptionen festzustellen.

Totani erklärte: „Die Ergebnisse zeigen in folgender Hinsicht erhebliche Ähnlichkeiten zwischen FRBs und Erdbeben: Erstens beträgt die Wahrscheinlichkeit eines Nachbebens eines Ereignisses 10–50 %; Zweitens nimmt die Inzidenzrate der Regression als eine Kraft der Zeit mit der Zeit ab; Drittens bleibt die Regressionsrate konstant, obwohl sich die FRB-Erdbebenaktivität (Durchschnittsrate) erheblich ändert. Und viertens gibt es keinen Zusammenhang zwischen den Energien des Hauptbebens und des Nachbebens.

Dies deutet stark auf das Vorhandensein einer festen Kruste auf der Oberfläche von Neutronensternen hin, und plötzliche Sternbewegungen in diesen Krusten setzen große Energiemengen frei, die wir als FRBs betrachten. Das Team beabsichtigt, weiterhin neue Daten zu FRBs zu analysieren, um zu überprüfen, ob die gefundenen Ähnlichkeiten universell sind.

„Durch die Untersuchung stellarer Erdbeben in entfernten ultradichten Sternen, Umgebungen, die sich völlig von denen der Erde unterscheiden, können wir neue Erkenntnisse über Erdbeben gewinnen“, sagte Totani. „Das Innere eines Neutronenstern Es ist der dichteste Ort im Universum, vergleichbar mit dem Inneren des Kerns. Stellare Erdbeben von Neutronensternen haben die Möglichkeit eröffnet, neue Einblicke in die Grundgesetze der ultradichten Materie und der Kernphysik zu gewinnen.

Hinweis: „Schnelle Funkausbrüche lösen erdbebenähnliche Nachbeben aus, aber keine Sonneneruptionen“ von Tomonori Totani und Yuya Suzuki, 11. Oktober 2023, Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stad2532