Astronomen machten sich auf eine Revolution bei der schnellen Ortung von Funkausbrüchen gefasst

Radioastronomen auf der ganzen Welt bereiten sich auf eine Veränderung ihrer Fähigkeit vor, schnelle Radioblitze (FRBs) zu lokalisieren. Es wird erwartet, dass Upgrades einer Reihe von FRB-Jagdteleskopen vor Ende des Jahres die Lokalisierungsrate von FRBs zu ihren Wirtsgalaxien um mehr als eine Größenordnung erhöhen werden – was möglicherweise unser Verständnis des Universums revolutionieren wird.

Erstmals im Jahr 2007 entdeckt, sind FRBs intensive Ausbrüche von Funkwellen, die weniger als ein paar Millisekunden dauern. Es gibt sie in zwei Haupttypen: entweder aus Quellen, die sich wiederholen, oder aus solchen, die dies nicht tun. Aber von den ca. 1000 FRBs sollen nur ca. erkannt worden sein Bei 3 % wurde gezeigt, dass sie sich wiederholen.

Da sie so kurz andauern, ist es unmöglich, Folgebeobachtungen zu planen, was es schwierig macht, herauszufinden, woher FRBs kommen. Alle Instrumente müssen bereitstehen, um den Standort eines FRB zu erfassen, wann immer er eintrifft. Tatsächlich hatten Astronomen bis vor kurzem kaum lokalisiert zwei Dutzend FRBs.

Während die meisten FRBs extragalaktischen Ursprungs sind, wurde kürzlich ein galaktischer FRB in der entdeckt Milchstraße im Jahr 2020 von einem Magnetar – einem Neutronenstern mit einem großen Magnetfeld. FRBs erweisen sich jedoch dank eines Faktors, der als „Dispersionsmaß“ (DM) bezeichnet wird, als nützlich für die Kosmologie. Durch die Messung des DM können Astronomen die Anzahl der freien Elektronen entlang der Sichtlinie des FRB berechnen und so direkt die Elektronendichte im Universum bestimmen.

„Diese Elektronen können schwer zu beobachten sein, da sich die meisten von ihnen in sehr diffusem Gas befinden“, sagt Steffen Hagstotz, Kosmologe an der Ludwig-Maximilians-Universität München. „In diesem Sinne sind FRBs wirklich komplementär zu anderen Sonden wie dem schwachen Linseneffekt, der uns hauptsächlich etwas über die Verteilung der Dunklen Materie sagt. Indem wir beide untersuchen, können wir mehr darüber erfahren, wie gewöhnliche Materie dunkle Materie auf kosmologischen Skalen verfolgt.“

Es gibt auch verschiedene widersprüchliche Messungen der heutigen Expansionsrate des Universums, die als Hubble-Konstante bezeichnet wird. Die Versöhnung dieser „Hubble-Spannung“ gilt als eine davon die drängendsten Fragen der modernen Kosmologie. FRBs bieten einen alternativen Weg zur Bestimmung der Hubble-Konstante, indem sie die Beziehung zwischen Rotverschiebung und Dispersionsmaß untersuchen. Hagstotz neulich eine Studie mitverfasst festgestellt, dass eine Stichprobe von nur etwa 500 lokalisierten FRBs ausreichen würde, um die Hubble-Konstante kompetitiv zu messen.

Eine krachende Idee

Der derzeitige Mangel an lokalisierten FRBs hat Teams von Radioastronomen weltweit dazu veranlasst, die Leistung ihrer Einrichtungen zu drosseln. Vikram Ravi vom California Institute of Technology startete das FRB-Rennen im Amerikanische Astronomische Gesellschaft Treffen im Januar, als er die Lokalisierung von 30 neuen FRBs mit dem brandneuen ankündigte Tiefes synoptisches Array (DSA) in Kalifornien. Während seiner Inbetriebnahme im Jahr 2022 entdeckte DSA mehr als einen Burst pro Woche mit nur 63 der 110 Antennen, die das DSA schließlich haben wird.

Wenn das DSA das neue Kind unter den Radioteleskopen ist, dann das Quadratkilometer-Array Pathfinder (ASKAP) in Westaustralien ist bereits ein bekanntes Gesicht. Das Commensal Real-Time ASKAP Fast Transients Survey (CRAFT)-Programm begann 2017 erstmals mit der Lokalisierung von FRBs mit einer Genauigkeit von weniger als einer Bogensekunde, was dies möglich machte um FRB-Wirtsgalaxien zu untersuchen. CRAFT huckepack auf ASKAP, indem es einen FRB-suchenden Rechencluster verwendet, der gleichzeitig sein 30-Quadratgrad-Sichtfeld parallel zu anderen Beobachtungen auf Funktransienten abtastet.

CRAFT hat bisher mit der zusammenhangslosen Summierung der Signale seiner 36 Parabolspiegel gearbeitet, aber dies soll sich mit einem Upgrade namens CRACO ändern. Die inkohärente Summierung verbessert die Empfindlichkeit um die Quadratwurzel der Anzahl der Gerichte, während die Empfindlichkeit der kohärenten Summierung die Empfindlichkeit linear mit der Anzahl der Gerichte verbessert.

Die kohärente Suche erfordert jedoch 65,000-mal mehr Datenverarbeitungsleistung, eine Leistung, die durch ein 1 Mio. AUD teures Upgrade des Computerclusters des Instruments ermöglicht wird. „CRACO wird bei gleichem Sichtfeld fünfmal empfindlicher sein als das aktuelle FRB-Erkennungssystem, das wir bei ASKAP verwenden“, sagt Keith Bannister, leitender Forschungsingenieur bei der australischen Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation, die ASKAP betreibt.

Baufreigabe für 2 Mrd. Euro Quadratkilometer großes Array

CRACO arbeitet, indem es einen Film des Himmels macht und in diesem Film nach einem FRB sucht. „Die Bildgröße beträgt 2.5 Millionen Pixel – ähnlich wie bei Full-HD-Videos“, fügt Bannister hinzu. „1000 Mal pro Sekunde probieren wir 1000 verschiedene DM-Versuche aus, insgesamt 1 Million Bilder pro Sekunde – etwa 25 Billionen Pixel pro Sekunde.“

CRACO durchläuft derzeit eine dreimonatige Inbetriebnahmephase, mit der Erwartung, dass nach der Installation des vollständigen Clusters bis Ende des Jahres die Erkennungsrate von ASKAP um das 10- bis 20-fache steigen wird, wobei mehrere FRBs pro Woche gefunden werden.

Während ASKAP die Empfindlichkeitsgrenze verschiebt, um mehr FRBs zu erkennen, ist die Kanadisches Experiment zur Kartierung der Wasserstoffintensität (CHIME) in British Columbia hat dank seines atemberaubenden Sichtfelds von 200 Quadratgrad bereits den Luxus, mehrere FRBs pro Tag zu entdecken. Die geringe Auflösung von CHIME bedeutet jedoch, dass es FRBs nur von nahen Galaxien zuverlässig lokalisieren kann. Die Ingenieure von CHIME haben sich entschieden, die Leistung an der Auflösungsgrenze zu verbessern, indem sie sogenannte „Outrigger“ konstruieren – identische, aber verkleinerte Versionen des CHIME-Teleskops.

„Das Outrigger-Upgrade des CHIME/FRB-Projekts besteht aus drei Mini-CHIMEs“, sagt er Ziggy Pleunis von der Universität Toronto. Diese in British Columbia, West Virginia und Kalifornien stationierten Ausleger sind 100–3300 km von CHIME entfernt und bieten CHIME eine Auflösung von etwa 50 Millibogensekunden, wodurch es FRBs innerhalb ihrer Wirtsgalaxien lokalisieren kann.

Die Arbeiten an den Auslegern gehen laut Pleunis zügig voran: „Zwei sind bereits aufgebaut und instrumentiert, für den dritten wird gerade der Boden eingeebnet.“ Der Ausleger in British Columbia wird bereits in Betrieb genommen und sammelt sogar Daten, und Pleunis fügt hinzu, dass das Ziel darin besteht, alle drei Teleskope in diesem Jahr in Betrieb zu nehmen, wonach die CHIME/FRB-Kollaboration ihre Instrumente optimieren wird, indem sie an bekannten sich wiederholenden Quellen übt, bevor sie fortfährt neue erkennen. „Dann können wir hoffentlich schnell mit der Lokalisierung von FRBs beginnen“, fügt er hinzu.

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