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Radioastronomie: Square Kilometre Array: Die Kosmologie-Maschine

Ein internationales Team von Wissenschaftlern 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.
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Die internationale Arbeitsgruppe des Square Kilometre Array (SKA) für Kosmologie hat erstmals Konzepte dafür 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 University of Western Cape, Südafrika.

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Das Square Kilometre Array (SKA) bei Nacht, künstlerische Darstellung | Ein kleiner Ausschnitt der Antennenanlagen des geplanten Square Kilometre Array. Die an Gewächse erinnernden Gebilde rechts im Vordergrund vor den Parabolantennen sind Dipol-Antennen.

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 sowie eine dritte Komponente von Empfängerelementen installiert, wodurch sich die Empfindlichkeit des SKA erheblich erhöht.

Nach Abschluss der ersten Bauphase im Jahr 2023 wird das SKA eine Sammelfläche in der Größe von 15 Fußballfeldern besitzen und an einem einzigen Betriebstag ein Datenvolumen verarbeiten 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 lässt sich zu jedem Zeitpunkt in der Entwicklungsgeschichte des Universums messen. Es ist somit ein idealer Indikator, der es erlaubt, die Materieverteilung auf großen Skalen zu verfolgen. Zusätzlich kann der Effekt der Dunklen Materie auf HI-Galaxien gemessen werden, der sonst durch kein Teleskop beobachtbar ist.

Welche Faktoren beeinflussen die Kartierung des Kosmos: Genauigkeit oder Beobachtungsgeschwindigkeit?

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

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

Diese Beobachtungsmethode liefert also nur Bilder mit geringer Winkelauflösung, doch die Beobachtungen lassen Rückschlüsse auf die Geometrie des Universums und auf die Natur der Gravitation zu. Erste Ergebnisse eines solchen Experiments werden bereits für 2022 erwartet.

Ein neues Fenster zu kosmischen Mysterien

Eines der größten Geheimnisse der Kosmologie ist die Natur der Dunklen Energie. Diese hypothetisch eingeführte Form der Energie erlaubt es, die beschleunigte Ausdehnung des Universums zu erklären. Mit dem SKA lässt sich Präzisionskosmologie betreiben und so der Natur der Dunklen Energie auf den Zahn fühlen. Ferner ist es möglich, durch die dreidimensionale Vermessung der Galaxien Einsteins allgemeine Relativitätstheorie zu überprüfen. Hierbei ermöglichen 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", erläutert Klöckner.

Diese gigantische Himmelsdurchmusterung der sichtbaren Materie wird eine Tür zu einem neuen Arbeitsgebiet aufschließen, nämlich die Erforschung der ersten Momente nach dem Urknall. Erkenntnisse auf ultragroßen Skalen lassen Rückschlüsse auf das neugeborene Universum nur Sekunden nach dem Big Bang zu. Diese Messungen werden die Inflationstheorie testen und zu einem besseren Verständnis der Bildung von Galaxien und Super-Clustern in der Entstehungsgeschichte des Universum führen.

Die Geometrie des Universums

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.

Die Experimente, die auf der Basis solcher Kataloge durchgeführt werden, ermöglichen die Überprüfung von fundamentalen physikalischen Prinzipien, die letztlich bis zu Kopernikus im 16. Jahrhundert zurückgehen. Sie besagen, dass die Materieverteilung im Kosmos gleichförmig sein sollte, unabhängig von der Blickrichtung des Teleskops ("statistische Isotropie"). Aber das muss ja nicht für immer gelten. Sollten die Messungen etwas anderes ergeben, so hätte das sehr ernste Auswirkungen auf unser gesamtes Verständnis des Universums.

MPIfR / Red.

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