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  Aktuelle Forschung :: Dezember 2004 Zur Übersicht

Beobachtungen der Epoche der Reionisation mit einem Radioteleskop

Forscher des Max-Planck-Institutes für Astrophysik machen Vorhersagen für Beobachtungen der kosmischen Reionisation mit der neuesten Generation von Radioteleskopen.

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.

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.

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. linkPfeilExtern.gifLOFAR, linkPfeilExtern.gifPAST, linkPfeilExtern.gifSKA) 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 linkPfeil.gif 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:

linkPfeilExtern.gif Ciardi, Ferrara & White 2003

linkPfeilExtern.gif Ciardi & Madau 2003

linkPfeilExtern.gif Ciardi, Stoehr & White 2003

linkPfeilExtern.gif Di Matteo, Ciardi & Miniati 2004

linkPfeilExtern.gif Di Matteo et al. 2002

linkPfeilExtern.gif Fan et al. 2004

linkPfeilExtern.gif Kogut et al. 2003

linkPfeilExtern.gif Shaver et al. 1999

linkPfeilExtern.gif Spergel et al. 2003


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Letzte Änderung: 1.12.2004