Groß, größer, Square Kilometer Array

Ein internationales Team von Wissenschaftlern, darunter Hans-Rainer Klöckner vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn und Dominik Schwarz von der Universität Bielefeld, hat sich zusammengetan, um die Grundsteine zu Experimenten astronomischen Ausmaßes zu legen. Dabei wollen sie die größte Kartierung des Universums erstellen. Dieser Himmelsatlas, generiert durch die Kombination der Radiosignale von Hunderten von Radioteleskopen, wird einen Großteil des Universums abdecken und somit eine Vielzahl von neuartigen Experimenten ermöglichen.

Die internationale Arbeitsgruppe des Square Kilometre Array (SKA) für Kosmologie hat erstmals Konzepte entwickelt, wie das größte Teleskop der Welt Schlüsselfragen der Kosmologie beantworten kann. „Das Team hat eine beachtliche Leistung vollbracht und eine Vielzahl von Ideen und Experimenten entwickelt, die die Kosmologie in Zukunft beeinflussen werden“, sagt der Vorsitzende der Arbeitsgruppe, Roy Maartens, von der Universität Western Cape, Südafrika.

Das SKA wird in zwei Bauabschnitten (Phase 1 und Phase 2) durch unterschiedliche Antennenfelder realisiert. In der ersten Phase wird das SKA aus einer locker besetzten Anordnung von Parabolspiegeln in Südafrika und einfachen Antennen in Australien bestehen. In Phase 2 wird eine deutlich höhere Anzahl dieser Einzelteleskope und Antennenelemente und eine dritte Komponente von Empfängerelementen installiert und somit die Empfindlichkeit des SKA erheblich erhöht.

Nach Abschluss der ersten Bauphase im Jahr 2023 wird das SKA eine Sammelfläche von 15 Fußballfeldern besitzen und an einem Betriebstag ein Datenvolumen verarbeitet können, das den heutigen Datenverkehr des globalen Internets um ein Vielfaches überschreitet. Die zweite Bauphase des SKA wird voraussichtlich Ende der 2020er Jahre abgeschlossen sein. Ein wichtiger Schlüssel zum Kosmos ist die Vermessung des Radiosignals des neutralen Wasserstoffs (HI).

„Neutraler Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element im Universum und wir können es zu jedem Zeitpunkt in der Entwicklungsgeschichte des Universums messen“, sagt Phil Bull von der Universität Oslo in Norwegen. „Es ist ein idealer Indikator, der uns erlaubt, die Materieverteilung auf großen Skalen zu verfolgen.“ Zusätzlich kann der Effekt der Dunklen Materie auf HI- Galaxien gemessen werden, der ansonsten durch kein Teleskop beobachtbar ist.

Die dreidimensionale Kartierung von Galaxien ist im Allgemeinen sehr aufwändig und man benötigt lange Beobachtungszeiten, um die individuellen Eigenschaften messen und den neutralen Wasserstoff zur kosmischen Entfernungsbestimmung nutzen zu können. Diese Methode ist die bisher genauste und man erwartet, bis Ende der 2020er Jahre mit einer Milliarde HI-Galaxien eine detaillierte dreidimensionale Karte der Masseverteilung des Universum darstellen zu können. Im Vergleich zu heutigen Galaxienkatalogen, die rund eine Millionen Galaxien beinhalten, ist das eine Verbesserung um drei Größenordnungen.

Eine vielversprechende Alternative ist ein von SKA-Wissenschaftlern entwickelter Beobachtungstrick, um die Masseverteilung im Universum zu messen. Hierbei beobachtet man nicht individuelle Galaxien, sondern scannt mit dem Teleskop ganze Himmelsbereiche ab. Diese Methode reduziert die Winkelauflösung stark, aber es lassen sich dadurch größere Bereiche in kürzester Zeit beobachten.

„Diese Beobachtungsmethode liefert uns nur Bilder mit geringer Winkelauflösung“, sagt Mario Santos von der Universität Western Cape in Südafrika, „aber die Beobachtungen ermöglichen es uns, Rückschlüsse zur Geometrie des Universum und zur Natur der Gravitation zu ziehen.“ Erste Ergebnisse eines solchen Experiments lassen sich bereits für 2022 erwarten.

Eines der größten Geheimnisse der Kosmologie ist die Natur der Dunklen Energie. Diese Form der Energie erlaubt es, die beschleunigte Ausdehnung des Universum zu erklären. „Mit dem SKA wird man Präzisionskosmologie machen können und der Natur des Dunklen Energie auf den Zahn fühlen“, sagt Alvise Raccanelli von der Johns-Hopkins-Universität in Baltimore, USA. „Wir sind ferner in der Lage, durch die dreidimensionale Vermessung der Galaxien Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie zu überprüfen.“ Hierbei erlauben die charakteristischen Muster der Galaxienverteilung eine Präzisionsmessung der Ausdehnung und Entwicklung des Universums über Milliarden von Jahren.

Die Beobachtung von weit entfernten Galaxien erlaubt detaillierte Einblicke in die Entwicklungsgeschichte des Universums, aber es ist nicht nur der Blick in die Vergangenheit, der hilft, das Universum zu verstehen. „Wir können die Ausdehnung des Universums in Echtzeit messen. Dazu beobachten wir das HI-Signal von Milliarden von Galaxien über eine Zeitspanne von zehn Jahren.“, sagt Hans-Rainer Klöckner vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn. „Die kosmologische Ausdehnung ist relativ gering im Vergleich mit unserer Lebenszeit und es ist ein technischer Meilenstein, aber eine direkte Messung ist möglich. Sie erlaubt es, kosmologische Modelle zu prüfen und eine Charakterisierung der Dunklen Energie zu erstellen“, sagt Klöckner.

„Die Allgemeine Relativitätstheorie Einsteins zu prüfen, ist ein erklärtes Ziel der Kosmologen. Die Ergebnisse werden uns zeigen, ob es eine fünfte fundamentale Wechselwirkung gibt“, sagt Gongbo Zhao vom National Astronomical Observatory aus China. „Eine Entdeckung, dass die Theorie auf kosmologischen Skalen versagt, würde unsere Vorstellung von Raum und Zeit auf den Kopf stellen.“

Diese gigantische Himmelsdurchmusterung der sichtbaren Materie wird eine Tür zu einem neuen Arbeitsgebiet aufschließen, nämlich die Erforschung der ersten Momente nach den Urknall. „Erkenntnisse auf ultragroßen Skalen erlauben uns Rückschlüsse auf das neugeborene Universum nur Sekunden nach dem Big Bang“, sagt Stefano Camera vom Jodrell Bank Centre for Astrophysics in Manchester, England. Diese Messungen werden die Inflationstheorie testen und zu einem besseren Verständnis der Bildung von Galaxien und Super-Clustern in der Entstehungsgeschichte des Universum führen.

Das SKA wird nicht nur aus der dreidimensionalen Verteilung von Wasserstoffgalaxien bahnbrechende Erkenntnisse liefern, es werden auch neue Entdeckungen aus der zweidimensionalen Verteilung aller radioemittierenden Galaxien erwartet. „Diese Kataloge werden Hunderte von Millionen von Galaxien in Phase 1 und sogar mehrere Milliarden von Galaxien in Phase 2 des SKA beinhalten und somit erlauben, die Geometrie des Universums zu testen“, sagt Matt Jarvis von der Oxford-Universität in England.

Die Experimente, die auf der Basis solcher Kataloge durchgeführt werden, ermöglichen die Überprüfung von fundamentalen physikalischen Prinzipien, die letztendlich bis zu Copernicus im 16. Jahrhundert zurückgehen. Sie besagen, dass die Materieverteilung im Kosmos im gleichförmig sein sollte, unabhängig von der Blickrichtung des Teleskops („statistische Isotropie“). Aber das muss ja nicht für immer gelten. „Wenn die Messungen da etwas anderes ergeben, hätte das sehr ernste Auswirkungen auf unser gesamtes Verständnis des Universums“, schließt Dominik Schwarz von der Universität Bielefeld.

MPIfR / DE

 

Weitere Infos

• Sammlung von Studien zu Experimenten mit dem Square Kilometer Array (SKA) auf arXiv.org
• Fundamental Physics in Radio Astronomy, Max-Planck-Institut für Radioastronomie
• Astroparticles and Cosmology, Universität Bielefeld