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Die Auflösung des Radiohimmels

Radioastronomen können mit sogenannten Interferometern, bei denen mehrere Radioteleskope zusammen geschaltet werden, Bilder mit zum Teil enorm hoher Auflösung erzielen. Gleichzeitig ist aber die korrekte Datenanalyse eines derartigen Instruments deutlich komplizierter als mit einem einzelnen Teleskop. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Astrophysik haben deshalb den Bildgebungsalgorithmus RESOLVE entwickelt, der gezielt eine Reihe bisheriger Problemen löst.

Abb. 1: Das Very Large Array (VLA) steht auf der Ebene von San Augustin nahe Socorro, New Mexico, und besteht aus 27 Radioteleskopen, bei denen jede Antenne einen Durchmesser von 25 Metern und ein Gewicht von über 200 Tonnen besitzt. Die Daten aller Antennen können elektronisch zusammengeführt werden, so dass die Anlage wie eine einzige riesige Antenne funktioniert.
Image courtesy of NRAO/AUI

Abb. 2: Dieses Falschfarbenbild zeigt die Region um den Supernovaüberrest W28, die mit dem VLA gemessene Radiostrahlung ist in blau dargestellt. Die relativ kompakten Objekt nördlich und südlich von W28 sind Wolken aus ionisiertem Wasserstoff, die nicht direkt mit dem Überrest zusammenhängen. Mit dem neuen Bildgebungsverfahren wird es sehr viel einfacher sein, interferometrische Aufnahmen von derartigen Quellen zu rekonstruieren.
Credit: NRAO/AUI/NSF and Brogan et al.

Abb. 3: Simulierte Beobachtung eines Galaxienhaufens mit dem VLA. Das Bild oben links zeigt das (reale) Eingangsbild, das Bild oben rechts die Rekonstruktion mit RESOLVE. Das Bild unten links zeigt eine Rekonstruktion mit einem Standardalgorithmus (CLEAN), das Bild unten rechts zeigt die relative Unsicherheit der Rekonstruktion, beachten Sie hier die neue Skala.

Mit Hilfe von Radiointerferometern blicken Wissenschaftler heute tief ins Universum und produzieren hoch aufgelöste Bilder von ganz unterschiedlichen Himmelsquellen, von der Sonne, über Pulsare und interstellarem Gas in unserer Milchstraße, bis hin zu weit entfernten Radiogalaxien und Quasaren. Die große Auflösung auf den Radiobildern zeigt bei diesen Quellen oft eine komplexe und ausgedehnte Struktur.

Tatsächlich stammt die Radioemission der Himmelsobjekte meist von weit ausgedehnten kosmischen Plasmawolken, die oft nur schwach glimmen. Damit sind solche ausgedehnten Emissionsregionen schwer zu detektieren, da sie von unerwünschten Störquellen getrennt werden müssen, wie z.B. von elektronischem Rauschen von technischen Geräten auf der Erde oder atmosphärischen Effekten.

Zudem ist die Bildgebung in der Radiointerferometrie grundsätzlich ungleich komplizierter als mit einem herkömmlichen Einzelteleskop. Ein Interferometer misst die Himmelsquelle nämlich nicht direkt, die Signale werden (meist elektronisch) überlagert. Um aus diesen Daten das Himmelssignal zurückzuerhalten, muss eine sogenannte Fouriertransformation angewandt werden, was in komplizierten Berechnungen am Computer passiert. Leider haben die dafür normalerweise verwendeten Methoden den Nachteil, dass sie für schwache und ausgedehnte Emission meist nur unzuverlässige Resultate liefern. Außerdem ist aufgrund der komplizierten interferometrischen Beobachtung meist keine Abschätzung der Messunsicherheit möglich.

Zwei Veröffentlichungen stellen nun den neuen Bildgebungsalgorithmus RESOLVE (Englisch für "Radio Extended Sources Lognormal Deconvolution Estimator") vor, welcher genau diese Probleme herkömmlicher Methoden behebt. RESOLVE nutzt ein statistisches Verfahren bei dem die wahrscheinlichste Bildrekonstruktion ermittelt wird, die mit den aufgenommenen Daten kompatibel ist. Dabei macht sich der Algorithmus das vage Vorwissen des Beobachters über die Art des Himmelsobjekts - in diesem Fall also eine ausgedehnte Quelle - zu Nutze, um zwischen guten und schlechten Rekonstruktionen zu unterscheiden. Konkret nimmt RESOLVE an, dass die Radiohelligkeit sich nicht abrupt von einem Ort zum nächsten ändert, sondern dass sich innerhalb eines Gesichtsfeldes über mehrere Pixel zusammenhängende, statistisch ähnliche Strukturen finden lassen, die aber vor der Messung nicht genau bekannt sein müssen. Dies wird mathematisch durch eine sogenannte räumliche Korrelationsfunktion ausgedrückt, die zu Beginn der Rekonstruktion im Allgemeinen unbekannt ist.

RESOLVE kann nun grob in zwei unterschiedliche Arbeitsabschnitte eingeteilt werden. Im ersten Schritt wird statistisch die wahrscheinlichste Rekonstruktion ermittelt, die mit der Annahme einer ausgedehnten Quelle vereinbar ist. Die räumliche Korrelationsfunktion wird in diesem Schritt von RESOLVE als bekannt vorausgesetzt und bestimmt somit maßgeblich die Bildrekonstruktion. In einem zweiten Schritt wird diese Korrelationsstruktur aus der gerade ermittelten Bildrekonstruktion neu bestimmt. RESOLVE wiederholt nun beide Schritte bis eine statistisch optimale Rekonstruktion erreicht ist. Am Ende wird aus dem Endergebnis noch eine Karte der Messungenauigkeit erstellt.

Das Verfahren kann auch auf Beobachtungen mit verschiedenen Wellenlängen ausgeweitet werden. Dabei wird zusätzlich noch die spektrale Abhängigkeit der Emission in jedem Bildpixel mit einem ganz ähnlichen Verfahren bestimmt.

Simulierte Rekonstruktionen mit RESOLVE zeigen, dass es damit möglich ist aus qualitativ hochwertigen Interferometerdaten die komplexe Messung eines Interferometers statistisch nahezu vollständig zurückzurechnen und damit gleichzeitig die Struktur ausgedehnter Radioquellen in höchster Präzision auszumessen. Das gemessene Signal wird dabei von Messrauschen befreit und auch erstmals eine Abschätzung der Messungenauigkeit angegeben. Mögliche Anwendungsgebiete dieser Methode in der beobachtenden Radioastronomie reichen von einzelnen Objekten der Milchstraße wie den Überresten von explodierten Sternen, über Radiogalaxien bis hin zu Galaxienhaufen. Die neuen Bildrekonstruktionen werden einen schärferen Blick auf den Radiohimmel ermöglichen.


Henrik Junklewitz, Michael Bell und Torsten Enßlin


REFERENCES

Henrik Junklewitz, Michael Bell, Marco Selig and Torsten Enßlin, "RESOLVE: A new algorithm for aperture synthesis imaging in radio astronomy", submitted to A&A
linkPfeilExtern.gifhttp://arxiv.org/abs/1311.5282

Henrik Junklewitz, Michael Bell and Torsten Enßlin, "A new approach to multi-frequency imaging in radio interferometry", submitted to A&A
linkPfeilExtern.gifhttp://arxiv.org/abs/1401.4711



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Letzte Änderung: 5.5.2014