Seit 2007 haben Astronomen etwa 20 mysteriöse Funkimpulse aufgezeichnet, deren Quellen sich weit außerhalb unserer Galaxie befanden. Der BBC Earth-Kolumnist beschloss, mehr über dieses Phänomen herauszufinden.
Es gibt keinen Mangel an seltsamen und nicht vollständig verstandenen Phänomenen im Universum - von Schwarzen Löchern bis zu ausgefallenen Planeten. Wissenschaftler haben etwas zu rätseln.
Aber ein Rätsel war in letzter Zeit für Astronomen besonders interessant - mysteriöse Ausbrüche von Funkemissionen im Weltraum, die als schnelle Funkimpulse bekannt sind.
Sie dauern nur wenige Millisekunden, setzen aber etwa eine Million Mal mehr Energie frei, als die Sonne im gleichen Zeitraum produziert.
Seit der Entdeckung des ersten solchen Impulses im Jahr 2007 konnten Astronomen weniger als 20 solcher Fälle registrieren - alle ihre Quellen befanden sich außerhalb unserer Galaxie und waren gleichmäßig über den Himmel verteilt.
Teleskope neigen jedoch dazu, zu jedem Zeitpunkt kleine Teile des Himmels zu beobachten.
Wenn wir die erhaltenen Daten auf den gesamten Himmel extrapolieren, kann die Anzahl solcher Funkimpulse, wie Astronomen annehmen, 10.000 pro Tag erreichen.
Und niemand kennt den Grund für dieses Phänomen.
Werbevideo:
Astronomen haben natürlich viele mögliche Erklärungen, von denen einige sehr exotisch klingen: Kollisionen von Neutronensternen, Explosionen von Schwarzen Löchern, Brüche von kosmischen Fäden und sogar die Ergebnisse der Aktivität außerirdischer Intelligenz.
"Es gibt jetzt mehr Theorien, die versuchen, die Natur schneller Funkimpulse zu erklären, als es tatsächlich Impulse gibt", sagt Duncan Lorimer, ein Forscher an der American University of West Virginia und Leiter des Forschungsteams, das den allerersten schnellen Funkimpuls (auch Lorimer-Impuls genannt) entdeckte. "Dies ist ein fruchtbarer Boden für Theoretiker."
Aber selbst wenn sich die Erklärung der Natur schneller Funkimpulse als viel üblicher herausstellt, können sie für die Wissenschaft dennoch von großem Nutzen sein.
Sie werden zweifellos unser Verständnis des Universums revolutionieren.
Diese Funksignale sind wie Laserstrahlen, die das Universum durchdringen und auf ihrem Weg auf Magnetfelder, Plasma und andere kosmische Phänomene treffen.
Mit anderen Worten, sie erfassen unterwegs Informationen über den intergalaktischen Raum und können ein einzigartiges Werkzeug für die Erforschung des Universums darstellen.
"Sie werden zweifellos unser Verständnis des Universums revolutionieren, da sie für sehr genaue Messungen verwendet werden können", sagt Peng Wee-Li, Astrophysiker an der Universität von Toronto.
Bevor dies geschieht, müssen Wissenschaftler die Natur schneller Funkimpulse besser verstehen.
Die Astronomen haben in den letzten Monaten in diesem Bereich vielversprechende Fortschritte erzielt.
Das erste, was Lorimer an dem Puls auffiel, den er entdeckte, war seine Intensität.
Lorimer und seine Kollegen überprüften Archivdatensätze, die mit dem Parks Radio Telescope in Australien gesammelt wurden. Sie suchten nach Funkimpulsen, wie sie von schnell rotierenden Neutronensternen, sogenannten Pulsaren, emittiert werden.
Ich war in dieser Nacht so aufgeregt, dass ich nicht schlafen konnte
Matthew Bales, Astronom
Diese Sterne mit dem Durchmesser einer Großstadt haben die Dichte eines Atomkerns und können sich mit einer Geschwindigkeit von mehr als 1000 Umdrehungen pro Sekunde drehen.
Gleichzeitig senden sie eng gerichtete Funkemissionsströme aus, in deren Zusammenhang sie auch als Space Beacons bezeichnet werden.
Die von Pulsaren ausgesendeten Funksignale sehen für einen Beobachter von der Erde aus wie Pulsationen.
Aber das von Lorimers Team erkannte Signal war sehr seltsam.
"Es war so intensiv, dass es die elektronischen Komponenten des Teleskops überforderte", erinnert sich Lorimer. "Das ist für eine Radioquelle äußerst ungewöhnlich."
Der Puls dauerte etwa 5 Millisekunden, danach nahm seine Intensität ab.
"Ich erinnere mich an das erste Mal, als ich ein Impulsdiagramm sah", sagte Lorimers Teammitglied Matthew Bales, Astronom an der Swinburne University of Technology in Australien. "Ich war in dieser Nacht so aufgeregt, dass ich nicht schlafen konnte."
Für ungefähr fünf Jahre nach der Entdeckung von Lorimers Impuls blieb es eine ungeklärte Anomalie.
Einige Wissenschaftler glaubten, dass es sich nur um eine instrumentelle Störung handelte. In einer 2015 veröffentlichten Studie heißt es, dass Impulse mit ähnlichen Parametern während des Betriebs von Mikrowellen aufgezeichnet werden, die im wirtschaftlichen Teil des Parks Observatory installiert sind.
Ihre Quellen liegen außerhalb unserer Galaxie, möglicherweise Milliarden von Lichtjahren von der Erde entfernt.
Seit 2012 haben Astronomen, die mit anderen Teleskopen arbeiten, mehrere ähnliche Funkimpulse erfasst, was bestätigt, dass die Signale tatsächlich aus dem Weltraum kommen.
Und das nicht nur aus dem Weltraum - ihre Quellen befinden sich außerhalb unserer Galaxie, möglicherweise Milliarden von Lichtjahren von der Erde entfernt. Diese Annahme wurde basierend auf Messungen eines Phänomens getroffen, das als Dispersionseffekt bekannt ist.
Während ihrer Reise durch das Universum interagieren Radiowellen mit den Elektronen des Plasmas, denen sie auf ihrem Weg begegnen. Diese Wechselwirkung bewirkt eine Verlangsamung der Wellenausbreitung in Abhängigkeit von der Frequenz des Funksignals.
Hochfrequente Funkwellen erreichen den Beobachter etwas schneller als niederfrequente Funkwellen.
Durch Messen der Differenz dieser Werte können Astronomen berechnen, wie viel Plasma das Signal auf dem Weg zum Beobachter passieren musste, wodurch sie eine ungefähre Vorstellung von der Entfernung der Funkimpulsquelle erhalten.
Radiowellen, die von anderen Galaxien zu uns kommen, sind nichts Neues. Es ist nur so, dass Wissenschaftler vor der Entdeckung schneller Funkimpulse keine Signale von so hoher Intensität beobachtet haben.
Die Existenz eines Signals, dessen Intensität millionenfach höher ist als alles, was zuvor erkannt wurde, regt die Vorstellungskraft an
Quasare - aktive galaktische Kerne, in denen sich nach Ansicht von Wissenschaftlern massive schwarze Sterne befinden - geben also eine enorme Menge an Energie ab, auch im Funkbereich.
Aber Quasare in anderen Galaxien sind so weit von uns entfernt, dass die von ihnen empfangenen Funksignale extrem schwach sind.
Sie könnten sogar durch ein Funksignal von einem Mobiltelefon auf der Mondoberfläche leicht übertönt werden, bemerkt Bailes.
Schnelle Funkimpulse sind eine andere Sache. "Die Existenz eines Signals, das millionenfach stärker ist als alles, was zuvor erkannt wurde, ist aufregend", sagt Bales.
Insbesondere angesichts der Tatsache, dass schnelle Funkimpulse auf neue, unerforschte physikalische Phänomene hinweisen können.
Eine der kontroversesten Erklärungen für ihren Ursprung betrifft die sogenannten kosmischen Strings - hypothetische eindimensionale Raum-Zeit-Falten, die sich über mindestens zehn Parsec erstrecken können.
Einige dieser Strings können supraleitend sein und ein elektrischer Strom kann durch sie fließen.
Nach einer 2014 vorgeschlagenen Hypothese brechen kosmische Ketten manchmal, was zu einem Ausbruch elektromagnetischer Strahlung führt.
Oder, sagt Penh, die Erklärung für diese Ausbrüche könnten Explosionen von Schwarzen Löchern sein.
Das Gravitationsfeld eines Schwarzen Lochs ist so massiv, dass selbst Licht, das es trifft, nicht zurückfließen kann.
Wenn wir annehmen, dass im frühen Stadium der Entwicklung des Universums kleine schwarze Löcher darin gebildet wurden, dann können sie jetzt einfach verdunsten
In den 1970er Jahren. Der berühmte britische theoretische Physiker Stephen Hawking schlug vor, dass Energie von der Oberfläche alternder Schwarzer Löcher verdunsten kann.
Wenn wir annehmen, dass im frühen Stadium der Entwicklung des Universums kleine Schwarze Löcher darin gebildet wurden, können sie jetzt einfach verdampfen und schließlich explodieren, was zu einer sofortigen Emission von Funkemissionen führt.
Im Februar 2016 gaben Astronomen bekannt, dass sie möglicherweise einen Durchbruch in der Forschung erzielt haben.
Ein Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Evan Keehan, das am Hauptsitz des Square Kilometer Array-Funkinterferometers am British Jodrell Bank Astrophysical Centre arbeitet, analysierte die Parameter eines im April 2015 aufgezeichneten schnellen Funkimpulses.
Nach den Schlussfolgerungen der Astronomen lag die Quelle des Funkimpulses in einer Galaxie, die 6 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt liegt und aus alten Sternen besteht.
In diesem Fall zeigten die Parameter des beobachteten Funkimpulses die Wahrscheinlichkeit von mindestens einem Szenario an: Kollisionen gepaarter Neutronensterne
Zum ersten Mal konnten Forscher den Standort einer Funkemissionsquelle mit einer Genauigkeit der Galaxie bestimmen, die in der wissenschaftlichen Gemeinschaft als äußerst wichtige Entdeckung angesehen wurde.
„Die Identifizierung der Galaxie, die die Quelle des schnellen Funkimpulses enthält, ist ein Teil des Puzzles“, sagt Bales, der auch in Keehans Team gearbeitet hat. "Wenn wir die Galaxie bestimmen können, können wir herausfinden, wie weit die Quelle von uns entfernt ist."
Danach können Sie die Menge der Pulsenergie genau messen und beginnen, die unplausibelsten Theorien bezüglich ihres Ursprungs zu verwerfen.
In diesem Fall zeigten die Parameter des beobachteten Funkimpulses die Wahrscheinlichkeit von mindestens einem Szenario an: Kollisionen gepaarter Neutronensterne, die sich umeinander drehen.
Es schien, dass das Geheimnis der Natur schneller Funkimpulse fast gelöst war. "Ich war sehr aufgeregt über die Ergebnisse dieser Studie", sagt Lorimer.
Nur wenige Wochen später stellten die Wissenschaftler Edo Berger und Peter Williams von der Harvard University die Theorie in Frage.
Die Ergebnisse von Keehans Team basierten auf der Beobachtung des Phänomens, das Wissenschaftler als Dämpfung des Funksignals nach dem Ende eines schnellen Funkimpulses interpretierten.
Die Quelle des Fading-Signals befand sich zuverlässig in einer 6 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernten Galaxie, und die Forscher glaubten, dass der schnelle Funkimpuls von dort kam.
Berger und Williams zufolge hatte das, was Kian für ein verbleibendes - verblassendes - Funksignal hielt, nichts mit einem schnellen Funkimpuls zu tun.
Sie analysierten sorgfältig die Eigenschaften des Restsignals, indem sie das amerikanische Very Large Array-Radioteleskop auf eine entfernte Galaxie richteten.
Kollisionen von Neutronensternen treten mehrere Größenordnungen seltener auf als die wahrscheinliche Frequenz schneller Funkimpulse, so dass nicht alle registrierten Fälle allein durch dieses Phänomen erklärt werden können.
Es wurde festgestellt, dass es sich um ein separates Phänomen handelt, das durch Helligkeitsschwankungen der Galaxie selbst verursacht wird, da sich in ihrem Zentrum ein supermassereiches Schwarzes Loch befindet, das kosmische Gase und Staub absorbiert.
Mit anderen Worten, die funkelnde Galaxie war nicht der Ort, von dem der schnelle Funkimpuls ausgesendet wurde. Es ist nur so, dass es sich zufällig im Sichtfeld des Teleskops befand - entweder hinter der wahren Quelle oder davor.
Und wenn der Funkimpuls nicht von dieser Galaxie gesendet wurde, wurde er möglicherweise nicht durch die Kollision zweier Neutronensterne verursacht.
Das Neutronenszenario hat eine weitere Schwachstelle. „Die Emissionsfrequenz schneller Funkimpulse ist viel höher als die Strahlungsfrequenz, die bei Kollisionen von Neutronensternen erwartet wird“, sagt Maxim Lyutikov von der American Purdue University.
Außerdem treten Kollisionen von Neutronensternen um mehrere Größenordnungen seltener auf als die wahrscheinliche Frequenz schneller Funkimpulse, so dass nicht alle registrierten Fälle allein durch dieses Phänomen erklärt werden können.
Und bald reduzierten neue wissenschaftliche Erkenntnisse die Wahrscheinlichkeit einer solchen Erklärung noch mehr.
Im März 2016 berichtete eine Gruppe von Astronomen über eine erstaunliche Entdeckung. Sie untersuchten einen 2014 vom Arecibo Observatory in Puerto Rico aufgezeichneten Funkimpuls. Es stellte sich heraus, dass dies kein einzelnes Ereignis war - der Impuls wurde über 16 Tage 11 Mal wiederholt.
"Dies war die größte Entdeckung seit dem ersten schnellen Funkausbruch", sagt Penh. "Damit ist die Vielzahl der bisher vorgeschlagenen Hypothesen beendet."
Alle zuvor aufgezeichneten schnellen Funkimpulse waren Einzelwiederholungen von Signalen aus demselben Himmelssektor wurden nicht aufgezeichnet.
Die Wissenschaftler gingen daher davon aus, dass sie eine Folge von kosmischen Kataklysmen sein könnten, die jeweils nur einmal auftreten - beispielsweise Explosionen von Schwarzen Löchern oder Kollisionen von Neutronensternen.
Diese Theorie erklärt jedoch nicht die Möglichkeit (in einigen Fällen), Funkimpulse schnell hintereinander zu wiederholen. Unabhängig von der Ursache einer solchen Reihe von Impulsen müssen die Bedingungen für ihr Auftreten für eine bestimmte Zeit eingehalten werden.
Dieser Umstand schränkt die Liste möglicher Hypothesen erheblich ein.
Einer von ihnen, den Buttercup erforscht, sagt, dass junge Pulsare - Neutronensterne, die sich mit einer Geschwindigkeit von bis zu einer Umdrehung pro Millisekunde drehen - Quellen für schnelle Funkimpulse sein können.
Butterblume nennt solche Objekte Pulsare auf Steroiden.
Mit der Zeit verlangsamt sich die Rotation der Pulsare und ein Teil der Rotationsenergie kann in Form von Funkemission in den Weltraum ausgestoßen werden.
Es ist nicht ganz klar, wie Pulsare schnelle Funkimpulse aussenden können, aber es ist bekannt, dass sie kurze Funkwellenimpulse aussenden können.
Der im Krebsnebel befindliche Pulsar ist also angeblich etwa 1000 Jahre alt. Es ist relativ jung und einer der stärksten Pulsare, die uns bekannt sind.
Je jünger der Pulsar ist, desto schneller dreht er sich und desto mehr Energie hat er. Butterblume nennt solche Objekte "Pulsare auf Steroiden".
Und obwohl der Pulsar im Krebsnebel jetzt nicht genug Energie hat, um schnelle Funkimpulse abzugeben, ist es möglich, dass er dies unmittelbar nach seinem Auftreten tun könnte.
Eine andere Hypothese besagt, dass die Energiequelle für schnelle Funkimpulse nicht die Rotation eines Neutronensterns ist, sondern sein Magnetfeld, das tausend Billionen Mal stärker sein kann als das der Erde.
Neutronensterne mit extrem starken Magnetfeldern, die sogenannten Magnetare, können durch einen ähnlichen Prozess wie bei Sonneneruptionen schnelle Funkimpulse aussenden.
Es gibt viele Magnetare im Universum
Während sich der Magnet dreht, ändern die Magnetfelder in seiner Korona - der dünnen äußeren Schicht der Atmosphäre - ihre Konfiguration und werden instabil.
Irgendwann verhalten sich die Zeilen dieser Felder so, als hätten Sie auf eine Peitsche geklickt. Es wird ein Energiestrom freigesetzt, der die geladenen Teilchen beschleunigt, die Funkimpulse aussenden.
"Es gibt viele Magnetare im Universum", sagt Bailes. "Sie zeichnen sich durch ihre Instabilität aus, was möglicherweise das Auftreten schneller Funkimpulse erklärt."
Hypothesen zu Neutronensternen sind konservativer und basieren auf relativ gut untersuchten Phänomenen, weshalb sie wahrscheinlicher erscheinen.
„Alle Hypothesen über das Auftreten schneller Funkimpulse, die ich für ernst halte und die ich ernsthaft mit meinen Kollegen diskutiere, haben mit Neutronensternen zu tun“, sagt Bales.
Er gibt jedoch zu, dass dieser Ansatz etwas einseitig sein kann. Viele Astronomen, die schnelle Funkimpulse untersuchen, untersuchen auch Neutronensterne, so dass ihre Tendenz, die ersteren durch das Prisma der letzteren zu betrachten, verständlich ist.
Es kann sein, dass wir uns mit unerforschten Aspekten der Physik befassen
Es gibt auch unkonventionellere Erklärungen. Beispielsweise haben eine Reihe von Forschern vorgeschlagen, dass schnelle Funkimpulse infolge von Kollisionen von Pulsaren mit Asteroiden entstehen.
Es ist möglich, dass mehrere Hypothesen gleichzeitig zutreffen, und jede von ihnen erklärt einen bestimmten Fall des Auftretens schneller Funkimpulse.
Vielleicht wiederholen sich einige Impulse, andere nicht, was die Hypothese von Kollisionen von Neutronensternen und anderen Kataklysmen einer kosmischen Skala nicht vollständig ausschließt.
"Es kann sich herausstellen, dass die Antwort sehr einfach ist", sagt Lyutikov. "Es kann aber auch vorkommen, dass wir uns mit unerforschten Aspekten der Physik befassen, mit neuen astrophysikalischen Phänomenen."
Unabhängig davon, wie schnell sich Funkimpulse tatsächlich herausstellen, können sie für die Weltraumforschung von großem Nutzen sein.
Sie könnten beispielsweise verwendet werden, um das Volumen der Materie im Universum zu messen.
Wie bereits erwähnt, treffen Radiowellen auf ihrem Weg auf intergalaktisches Plasma, das ihre Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Frequenz der Welle verlangsamt.
Der Unterschied in der Wellengeschwindigkeit kann nicht nur den Abstand zur Signalquelle messen, sondern gibt auch eine Vorstellung davon, wie viele Elektronen sich zwischen unserer Galaxie und der Strahlungsquelle befinden.
"Radiowellen werden mit Informationen über die Elektronen codiert, aus denen das Universum besteht", sagt Bailes.
Bisher beschäftigten sich Wissenschaftler in ihrer Freizeit hauptsächlich mit diesem Thema aus der Grundlagenforschung.
Dies gibt Wissenschaftlern die Möglichkeit, die Menge der gewöhnlichen Materie im Weltraum grob abzuschätzen, was ihnen in Zukunft bei der Berechnung von Modellen für die Entstehung des Universums helfen wird.
Die Einzigartigkeit schneller Funkimpulse ist, dass sie eine Art kosmischer Laserstrahlen sind, sagt Pen.
Sie durchdringen den Raum in einer bestimmten Richtung und sind intensiv genug, um eine überlegene Messgenauigkeit zu gewährleisten.
„Dies ist das genaueste Messinstrument, das uns zur Untersuchung entfernter Objekte in Sichtweite zur Verfügung steht“, erklärt er.
So können schnelle Funkimpulse über die Struktur von Plasma und Magnetfeldern in der Nähe der Strahlungsquelle berichten.
Während das Plasma durchläuft, können Funkimpulse flackern, genau wie Sterne funkeln, wenn sie durch die Erdatmosphäre betrachtet werden.
Durch die Messung der Eigenschaften dieser Szintillation können Astronomen die Größe von Plasmabereichen mit einer Genauigkeit von mehreren hundert Kilometern messen. Aufgrund des hohen wissenschaftlichen Potenzials und nicht zuletzt aufgrund der Unerklärlichkeit des Phänomens ist das Interesse der Wissenschaftler an schnellen Funkimpulsen in den letzten Jahren erheblich gestiegen.
„Bisher beschäftigten sich Wissenschaftler in ihrer Freizeit hauptsächlich mit diesem Thema aus der Grundlagenforschung“, bemerkt Lorimer.
Jetzt suchen Astronomen intensiv nach schnellen Funkimpulsen in den noch unerforschten Regionen des Himmels und beobachten weiterhin die Sektoren des Himmels, in denen diese Phänomene bereits aufgezeichnet wurden - in der Hoffnung, sie zu registrieren.
In diesem Fall werden die Leistungen von Teleskopen auf der ganzen Welt genutzt, da die Wahrscheinlichkeit einer genaueren Berechnung der Quellkoordinaten erheblich zunimmt, wenn ein Impuls von mehreren Observatorien aus beobachtet wird.
In den nächsten Jahren können Radioteleskope wie das kanadische CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment oder Canadian Hydrogen Intensive Mapping Experiment) weite Bereiche des Himmels beobachten und Hunderte schneller Funkimpulse registrieren.
Je mehr Daten gesammelt werden, desto verständlicher wird das Phänomen der schnellen Funkimpulse. Vielleicht wird eines Tages ihr Geheimnis gelüftet.
