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Abb. 1:
Links oben: Geplante mehrarmige Spiralkonfiguration für den Aufbau
der Radiostationen. Rechts oben: Die Vergrößerung eines Teils der zentralen
Spiralkonfiguration zeigt einen möglichen fraktalen Stationsaufbau. Unten:
Die Vergrößerung eines "Plusses" des fraktalen Aufbaus zeigt den Antennenaufbau.
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Abb. 2:
Die Tafeln zeigen Karten der 21cm Linienemission (angegeben in der
sogannten differentiellen Antennentemperatur und in Einheiten von log Kelvin)
bei Beobachtungsfrequenzen von (von oben nach unten und von links nach rechts)
98, 103, 110, 116, 123, 131, 139, 147 and 157 MHz.
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Dem gegenwärtigen Standardszenario der Kosmologie zufolge nehmen Forscher an,
daß das diffuse Gas (engl.: intergalactic medium, IGM), welches anfangs in
einem Zustand hoher Ionisation war, ungefähr 450 Tausend Jahre nach dem Urknall
rekombiniert, es bilden sich also neutrale Atome (das geschätzte
Alter des Universums ist 13 Milliarden Jahre). Danach blieb das Gas neutral bis
die ersten Quellen ionisierender Strahlung sich bildeten, um das sie umgebende
Gas wieder zu ionisieren. Beobachtungen von entfernten Quasaren (beispielsweise
Fan u.a. 2004) liefern Informationen über den Endzustand des
Reionisationsprozesses, während Experimente, welche die kosmische
Mikrowellenhintergrund-Strahlung vermessen (beispielsweise Kogut u.a. 2003;
Spergel u.a. 2003), eine Abschätzung der Elektronenmenge geben, die bei dem
Ionisationsprozeß freigesetzt wurde. Beobachtungen, welche die zeitliche
Entwicklung der Reionisation abbilden, gibt es jedoch bis zum heutigen
Zeitpunkt noch nicht.
Schon sehr lange ist bekannt (z.B. Field 1959) daß der neutraler Wasserstoff
des IGMs bei Frequenzen im Radio-Band direkt beobachtbar sein könnte (im
Bereich 70-170 MHz). Messungen bei verschiedenen Frequenzen sollten es uns
ermöglichen, die exakte Struktur und die Entwicklung des reionisierenden Gases
zu erforschen. Diese Beobachtungstechnik ist besonders attraktiv, da nun eine neue
Generation von Radioteleskopen (z.B.  LOFAR,
PAST,
SKA) gebaut wird. LOFAR,
welches in den Niederlanden errichtet wird, besteht aus fast 40000 Antennen, die
in ungefähr 100 "Stationen" gruppiert werden und sich auf einer Fläche von 400
Kilometer verteilen. Der geplante Entwurf für den Aufbau der Stationen ist in
Abb. 1 gezeigt.
Forscher des Max-Planck-Institutes für Astrophysik haben Simulationen des
Reionisationsprozesses benutzt, welche entwickelt wurden, um die erwartete 21cm
Linienemission des neutralen IGMs bei Radiofrequenzen zu erforschen (siehe
Beitrag für die "Aktuelle Forschung", Mai 2003; Ciardi, Stoehr & White 2003;
Ciardi, Ferrara & White 2003). In Abb. 2 werden Karten der
Emission bei verschiedenen Beobachtungsfrequenzen gezeigt. Wie erwartet, sieht
man eine schwächere Emission bei längeren Frequenzen, welche späteren
Zeitpunkten entsprechen zu denen das IGM schon stärker ionisiert
ist. Inhomogenitäten in der Gasdichte und im Ionisationszustand induzieren
Fluktuationen in der 21cm-Emission mit einem erwarteten Maximalwert von
der Größenornung 10 mK. Die neueste Generation von
Niederfrequenz-Radioteleskopen sollte sensitiv genug sein, um solche
Fluktuationen zu messen und die Struktur des Reionisationsprozesses direkt zu
erforschen.
Nichtsdestotrotz bleiben Beobachtungen der 21cm-Emission von neutralem
Gas ein sehr anspruchsvolles Projekt aufgrund der Kontamination von
Quellen, welche auch Radiofrequenzen emittieren, wie beispielsweise unserer
Galaxie (z.B. Shaver u.a. 1999), Radiogalaxien (z.B. Di Matteo u.a. 2002) oder
Galaxienhaufen. Wissenschaftler des Max-Planck-Institutes für Astrophysik haben
nun den Beitrag solcher Kontaminationen von allen denkbaren Quellen
extragalaktischen Ursprungs abgeschätzt (Di Matteo, Ciardi & Miniati 2004).
Sie stellen fest, daß die Emission der extragalaktischen Quellen stärker ist
als die ursprüngliche 21cm Linienemission, sofern die hellen Quellen von der
Karte nicht entfernt wurden. In diesem Fall wird das ursprüngliche Signal auf
Winkelskalen größer als 1 Bogenminute beobachtbar und frei von Kontamination
sein.
Zusammenfassend gesagt, wird die neueste Generation von
Niederfrequenz-Radioteleskopen das erste Mal dazu in der Lage sein, die
zeitliche Entwicklung des Reionisationsprozesses abzubilden und damit die Natur der
Quellen zu ergründen, die für die Ionisierung verantwortlich sind.
Benedetta Ciardi
Literatur:
Ciardi, Ferrara & White 2003
Ciardi & Madau 2003
Ciardi, Stoehr & White 2003
Di Matteo, Ciardi & Miniati 2004
Di Matteo et al. 2002
Fan et al. 2004
Kogut et al. 2003
Shaver et al. 1999
Spergel et al. 2003
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