Webb findet die Heimatgalaxie des bisher fernsten schnellen Radioblitzes

Ein Blitz, der Millisekunden dauert

Schnelle Radioblitze (englisch fast radio bursts, FRB) sind Pulse von Radiostrahlung, die Millisekunden dauern und aus anderen Galaxien zu uns gelangen. Den ersten fand man 2007 in archivierten Daten einer Durchmusterung nach Pulsaren. Die meisten werden nur ein einziges Mal beobachtet; nur ein kleiner Teil der Quellen sendet wiederholt Blitze aus.

Auf dem Weg zu uns durchquert jeder Puls dünnes, elektrisch geladenes Gas, und dieses Gas verzögert niedrigere Radiofrequenzen stärker als höhere. Aus der Verzögerung berechnen Astronomen das Dispersionsmaß: Es gibt an, wie viele freie Elektronen insgesamt auf dem ganzen Weg liegen. Bei FRB 20240304B war es ungewöhnlich groß, was auf eine sehr ferne Quelle hindeutete. Doch auch dichtes Gas in der Nähe der Quelle oder in Galaxienhaufen unterwegs kann das Dispersionsmaß erhöhen. Klären lässt sich die Entfernung nur über die Rotverschiebung der Heimatgalaxie.

Von der Radioposition zur Rotverschiebung

MeerKAT besteht aus 64 Parabolantennen, die über ein Gelände von 8 km Ausdehnung verteilt sind. Erfasst wurde der Blitz um 00:50 UTC von MeerTRAP, einem System, das nach kurzen Signalen sucht. Sobald MeerTRAP den Blitz erkannt hatte, speicherte es 300 Millisekunden Rohdaten der 62 Antennen, die gerade in Betrieb waren. Das reichte, um die Position des Blitzes auf etwa eine halbe Bogensekunde genau zu bestimmen. Eine halbe Bogensekunde ist weniger als ein Dreitausendstel des scheinbaren Durchmessers des Vollmonds.

Auf tiefen Aufnahmen der bodengebundenen Teleskope Keck und MMT war an dieser Stelle nichts zu sehen. Webbs Kamera NIRCam fand dann etwa 0,3 Bogensekunden von der Position des Blitzes entfernt eine lichtschwache Galaxie. Nach Berechnungen des Teams ist sie mit einer Wahrscheinlichkeit von 97,5 % die Heimatgalaxie. Mit Webbs Spektrographen NIRSpec wurde das Licht ihres Wasserstoffs und Sauerstoffs gemessen; daraus ergibt sich eine Rotverschiebung von 2,148. Das bedeutet: Auf dem Weg zu uns hat sich die Wellenlänge des sichtbaren Lichts der Galaxie etwa verdreifacht, sodass es im Infraroten ankommt.

Warum die Entfernung wichtig ist: Wie viel Gas liegt zwischen den Galaxien?

Mehr als drei Viertel der gewöhnlichen Materie im Universum stecken in diffusem Gas zwischen den Galaxien und in ihrer Umgebung. Dieses Gas ist so dünn, dass man es nicht sehen kann. Vergleicht man das Dispersionsmaß eines Blitzes mit seiner Entfernung, lässt sich die Menge dieses Gases bestimmen. Im Jahr 2020 tat das Team um Jean-Pierre Macquart genau das anhand weniger Blitze. Die Menge an gewöhnlicher Materie, die es fand, stimmte mit dem Wert überein, den Messungen am frühen Universum erwarten lassen. Mit FRB 20240304B lässt sich die Methode nun auf ein Signal anwenden, das etwa 80 % der kosmischen Geschichte lang unterwegs war.

Auf dem Weg des Signals lagen mehr freie Elektronen, als bei dieser Entfernung üblich ist. Etwa die Hälfte des Überschusses führt das Team auf zwei Strukturen in der Sichtlinie zurück: auf den Virgo-Galaxienhaufen in etwa 54 Millionen Lichtjahren Entfernung und auf eine bisher unbekannte Galaxiengruppe bei der Rotverschiebung 0,31. Außerdem kam der Puls zeitlich stark verbreitert an, vermutlich vor allem durch Gas in seiner eigenen Galaxie. Das Team folgert daraus, dass heutige Durchmusterungen eine ganze Population ebenso verbreiterter Blitze übersehen.

Was die Blitze auslöst, ist weiter offen

Zwei Arten von Quellen gelten als die wichtigsten Kandidaten. Paare von Neutronensternen umkreisen einander nach heutigem Verständnis Milliarden Jahre lang auf immer engeren Bahnen, bevor sie verschmelzen. Solche Verschmelzungen sollten deshalb eher in alten Galaxien vorkommen. Ein Magnetar, ein junger Neutronenstern mit einem extrem starken Magnetfeld, kann sich schon wenige Millionen Jahre nach einem Schub der Sternentstehung bilden. Magnetare sollten also eher in Galaxien zu finden sein, die noch Sterne bilden. Die meisten bekannten Heimatgalaxien schneller Radioblitze sind große Galaxien mit aktiver Sternentstehung. Die Heimatgalaxie von FRB 20240304B hat dagegen nur etwa ein Tausendstel der Masse, die man für eine Heimatgalaxie erwarten würde, und sie bildet so schnell Sterne, dass sie beim heutigen Tempo alle ihre Sterne in etwa 50 Millionen Jahren hervorbringen könnte: Ihre Sterne sind jung. Deshalb hält das Team eine Verschmelzung hier für sehr unwahrscheinlich. Im Jahr 2020 erzeugte ein Magnetar in unserer Milchstraße, SGR 1935+2154, einen ähnlichen Radioblitz, der etwa 40-mal schwächer war als der schwächste extragalaktische Blitz.

Allerdings wurde 2022 eine Quelle wiederholter Radioblitze in einem Kugelsternhaufen der Galaxie M81 lokalisiert, also in einer dichten Ansammlung sehr alter Sterne, in der keine jungen Magnetare entstehen sollten. Ob einmalige und wiederkehrende Blitze eine gemeinsame Ursache haben, ist noch unbekannt.

Mit Amateurausrüstung ist davon nichts zu sehen: Der Blitz dauerte Millisekunden, und die Heimatgalaxie ist viel zu lichtschwach. Sie liegt im Sternbild Jungfrau, etwa 12° nördlich des Himmelsäquators. Diese Himmelsgegend ist von beiden Erdhalbkugeln aus zu sehen, nur nicht aus dem äußersten Süden.