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  Aktuelle Forschung :: Dezember 2006 Zur Übersicht

Hochauflösende Bilder der kosmischen Materieverteilung

Das Gas und die Sterne, welche wir in Galaxien sehen, machen nur einen kleinen Teil der schweren Masse im Universum aus, während sich der große Rest bisher hartnäckig jeder direkten Beobachtung entzog. Man nimmt heute an, dass dieser unsichtbare Teil aus einer fremdartigen auf der Erde bisher unbekannten Materieform besteht. Nun haben Forscher am Max-Planck-Institut für Astrophysik herausgefunden, dass ein ausreichend großes Radioteleskop ein Bild von der kosmischen Massenverteilung erstellen könnte, welches sich nicht hinter den mit optischen Teleskopen aufgenommenen Bilder von der kosmischen Lichverteilung zu verstecken bräuchte.

Abb. 1: Mit einem Radioteleskop sollte es möglich sein, Bilder von Wasserstoffgaswolken einige 100 Millionen Jahre nach dem Urknall zu machen. Mit Optischen Teleskopen kann man hingegen Bilder von den Galaxien aufnehmen, die sich einige Milliarden Jahre später aus den Gaswolken gebildet haben. In dem man die Verzerrungen in den Bildern misst, welche durch die Schwerkraft der Materie zwischen uns und den Lichtquellen hervorgerufen wird, kann man die gesamte Vordergrundmasse kartografieren.



Abb. 2: Massenverteilung in einem Himmelsgebiet mit einer Fläche von etwa einem Viertel der Fläche des Vollmonds. Diese Bilder wurden von Stefan Hilbert, Doktorand am MPI für Astrophysik, mit Hilfe der Millennium Simulation erstellt, der größten jemals durchgeführten Computersimulation zur Strukturbildung im Kosmos. Die obere Abbildung zeigt eine Massenkarte, wie sie mit einem 100 km großen Radioteleskop aus den gravitativ verzerrten Bildern prägalaktischer Strukturen angefertigt werden könnte. Die untere Abbildung zeigt, wie der gleiche Himmelsausschnitt auf einer Karte aussähe, für die mit einem optischen Weltraumteleskop die Bildverzerrungen von fernen Galaxien gemessen wurden. (Um die Strukturen besser zu sehen, wurde in der zweiten Abbildung der Kontrast verdreifacht.)

Das Licht von weit entfernten Quellen wird auf dem Weg zu uns durch die Schwerkraft von nahe gelegenen Objekten leicht abgelenkt. Dieser Effekt wurde erstmals 1919 am Licht von Sternen nachgewiesen, welches ganz nah an der Sonne vorbei flog. Dabei zeigte die beobachtete Ablenkung, dass Einsteins Gravitationstheorie eine bessere Beschreibung der Wirklichkeit liefert als Newtons. Die gravitative Lichtablenkung bewirkt eine messbare Verzerrung in den Bildern entfernter Galaxien vergleichbar der Verzerrung einer entfernten Landschaft, die man durch eine schlechte Fensterscheibe oder als Spiegelung auf einer gekräuselten Teichoberfläche sieht. Die Stärke der Verzerrung kann man dazu benutzen, die Stärke der Gravitation und damit die Masse der Objekte im Vordergrund zu messen. Hat man die Bildverzerrungen von ausreichend vielen entfernten Galaxien zur Verfügung, so kann man eine Karte von der Verteilung der Materie im Vordergrund erstellen.

Diese Technik lieferte bereits recht genaue Werte für die typische mit Vordergrundgalaxien assoziierte Masse wie auch für die Massenverteilung einiger großer Galaxienhaufen. Dennoch unterliegt diese Technik einigen grundlegenden Beschränkungen. Selbst mit einem großen Weltraumteleskop kann man nur eine begrenzte Anzahl an Hintergundgalaxien beobachten, etwa bis zu 100 000 in einem Bereich so groß wie der Vollmond. Um das Signal der gravitativen Bildverzerrung zu bestimmen, müssen Messungen von circa 200 Hintergrundgalaxien gemittelt werden. Somit ist die kleinste Fläche, auf der man die Masse ermitteln kann, etwa 0.2 % der Fläche des Vollmonds. Die daraus entstehenden Karten sind allerdings für die meisten Zwecke zu grob und zu verschwommen. So kann man auf ihnen zum Beispiel nur die allergrößten Strukturen - also die größten Galaxienhaufen - mit einiger Sicherheit ausmachen. Ein weiteres Problem ist, dass viele der Materiestrukturen, welche man abbilden möchte, weiter weg sind, als die meisten Galaxien, deren Bildverzerrung man messen kann. Das heißt, dass die Bilder der näheren Galaxien unbeeinflusst von der Gravitation der weiter entfernten Massen bleiben. Um ein scharfes Bild der gesamten Materie in einer bestimmten Richtung zu bekommen, benötigt man also viel mehr und viel weiter entfernte Lichtquellen. Die MPA-Wissenschaftler Ben Metcalf und Simon White haben nachgewiesen, dass Radiowellen aus der Zeit, bevor Galaxien entstanden sind, solche Quellen bieten.

Etwa 400 000 Jahre nach dem Urknall hatte sich das Universum soweit abgekühlt, dass sich praktisch die gesamte gewöhnliche Materie in ein diffuses nahezu homogenes neutrales Gas aus Wasserstoff und Helium verwandelt hatte. Ein paar 100 Millionen Jahre später hatte die Gravitation die anfangs geringen Inhomogenitäten soweit verstärkt, dass sich daraus die ersten Sterne und Galaxien bildeten. Deren UV-Licht erhitzte daraufhin das Wasserstoffgas wieder. Während dieser Zeit war das Gas nicht im thermodynamischen Gleichgewicht mit der vom Urknall zurückgelassenen Hintergrundstrahlung. Also muss das Wasserstoffgas elektromagnetische Strahlung ausgesandt oder absorbiert haben, insbesondere Radiowellen mit einer Wellenlänge von 21 cm. Aufgrund der Ausdehnung des Universums hat diese Strahlung heute Wellenlängen zwischen zwei und zwanzig Metern. Mehrere Niederfrequenz-Radioteleskope befinden sich derzeit im Bau, um diese Strahlung zu suchen. Eines der am weitesten gediehenen Projekte ist das Low Frequency Array (LOFAR) in den Niederlanden, das aus Tausenden kleiner über ein leistungsstarkes Netzwerk verbundener Radioantennen bestehen soll. Das Max-Planck-Institut für Astrophysik plant zusammen mit anderen deutschen Instituten, bei diesem Projekt eine wichtige Rolle zu übernehmen.

Das prägalaktische Wasserstoffgas besitzt Strukturen verschiedenster Größe, aus denen sich später Galaxien bilden. In jeder Blickrichtung findet man bis zu tausend solcher Strukturen in unterschiedlicher Entfernung. Ein Radioteleskop kann die verschiedenen Strukturen entlang einer Blickrichtung auseinander halten, da deren unterschiedliche Entfernungen Signale mit unterschiedlichen beobachteten Wellenlängen hervorrufen. Metcalf und White haben gezeigt, dass die gravitative Bildverzerrung dieser Strukturen dazu benutzt werden kann, Karten der kosmischen Materieverteilung zu erstellen, die eine mehr als zwanzig mal höhere Auflösung besitzen als die besten mit Hilfe von Galaxien erstellten Karten. Ein Objekt der Masse unserer Milchstraße könnte man somit bis zu einer Zeit aufspüren, als das Universum nur ein Zwanzigstel so alt war wie heute. Solche hochauflösenden Bilder erfordern ein sehr großes Radioteleskop: z. B. ein dicht mit Radioantennen bestücktes Gebiet von etwa 100 km Durchmesser. Dies wäre zwar hundert mal so groß wie der geplante Zentralteil von LOFAR, und etwa zwanzig mal so groß wie der Kern des Square Kilometer Array (SKA), der größten derzeit diskutierten Anlage. Solch ein Riesenteleskop könnte jedoch eine Karte von der Verteilung der gesamten schweren Masse im Universum liefern. Diese Karte wäre ein Vergleichsmaßstab für alle mit anderen Teleskopen aufgenommenen Bilder, auf denen nur jener winzige Bruchteil der Materie zu sehen wäre, der für das verwendete Teleskop sichtbare Strahlung aussendet.

Um mit der neuen Technik Spitzenergebnisse zu erzielen, müssen wir allerdings nicht auf solch ein Riesenteleskop warten. Eine der dringendsten Fragen der aktuellen Physik betrifft die mysteriöse Dunkle Energie, welche die gegenwärtige Ausdehnung des Universums beschleunigt. Metcalf und White haben gezeigt, dass man mit einer Massenkarte, die von einem Teleskop wie dem SKA für einen Großteil des Himmels erstellt wurde, die Eigenschaften der Dunklen Energie genauer bestimmen kann, als mit jeder anderen bisher vorgeschlagenen Methode. Die Ergebnisse wären z. B. zehn mal genauer als solche, die man von einer vergleichbar große Karte der mit einem Weltraumteleskop gemessenen gravitativen Verzerrungen optischer Galaxienbilder erwarten würde.


(Simon White, Ben Metcalf)


Publikation

R. Benton Metcalf & S.D.M. White:
"High-resolution imaging of the cosmic mass distribution from gravitational lensing of pregalactic HI", submitted to MNRAS, preprint available at linkPfeilExtern.gifastro-ph/0611862


Kontakt

Prof. Simon White, Max-Planck-Institut für Astrophysik,
Tel. 089/30000 2211, E-mail: swhite mpa-garching.mpg.de

Dr. Ben Metcalf, Max-Planck-Institut für Astrophysik,
Tel. 089/30000 2014, E-mail: bmetcalf mpa-garching.mpg.de


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Letzte Änderung: 11.12.2006