Panorama

Auf dem Weg zum weltgrößten Radioteleskop

03.08.2022 - Bau des Square Kilometer Array Observatory hat begonnen.

Ein inter­nationales Forscherteam hat nachgewiesen, dass das Square Kilometer Array Observatory (SKAO) in der Lage ist, Radio­emissionen von normalen Spiral­galaxien im frühen Universum zu erkennen. Das SKAO, dessen Bau dieses Jahr begonnen hat, wird bald das größte Radioteleskop der Welt sein. Die Astronomen, die der SKAO-Arbeitsgruppe „Extra­galaktisches Kontinuum“ angehören, suchen nach einer Möglichkeit, eine kosmische Ära zu erforschen, in der die Sternentstehungsaktivität nach einer als „Kosmischer Mittag (Cosmic Noon)“ bekannten Epoche plötzlich abnahm. Zu diesem Zweck simulierten sie die physi­kalischen Eigenschaften des inter­stellaren Mediums von Galaxien, die der Dreiecksgalaxie M 33 und der Whirlpool-Galaxie M 51 ähneln, in einem frühen Zeitalter des Universums. Die Ergebnisse zeigen, dass potenzielle Durch­musterungen empfindlich genug sein sollten, um Galaxien bereits in der ersten Aufbauphase von SKAO zu entdecken.

Im Laufe der kosmischen Entwicklung erlebten die Galaxien nach einer aktiveren Periode vor etwa zehn Milliarden Jahren, dem „Kosmischen Mittag“, einen Rückgang der Sternentstehungs­aktivität. Der Übergang von einer goldenen Epoche der Stern­entstehung zu einer geringeren Stern­entstehungsrate ist noch immer nicht vollständig verstanden. Ein Rückgang der Menge an kühlem Gas in den Galaxien, das als Brennstoff für die Stern­entstehung dient, wird oft als Hauptgrund angesehen. Beobachtungen zeigen jedoch, dass viele Galaxien noch über ausreichend große Gasreserven verfügten, um die Stern­entstehung zu ermöglichen. „Eine andere Möglichkeit ist, dass der Druck von Magnetfeldern, hochenerge­tische Teilchen und Turbulenzen das kühle Gas in Galaxien zunehmend stabi­lisierten“, sagt Fatemeh Tabatabaei, vormals vom Max-Planck-Instituts für Astronomie in Heidelberg.„Um die Bedeutung dieser Faktoren zu verstehen, sind Studien zur Energie­bilanz in Abhängigkeit von der Rot­verschiebung erforderlich.“

Um zu beurteilen, ob das künftige Square Kilometer Array Observatory (SKAO) zur Lösung dieses Rätsels beitragen kann, haben die Astronomen die physika­lischen Prozesse im inter­stellaren Medium (ISM) von Galaxien bei unterschiedlichen Rotver­schiebungen simuliert. Das ISM besteht hauptsächlich aus Gas und mikroskopisch kleinen Teilchen, die Astronomen als Staub bezeichnen, mit unterschiedlichen Temperaturen, die den Raum zwischen den Sternen durchdringen. Die Beobachtung der Radio­emission ist ein wirksames Mittel, um energetische Prozesse in Galaxien zu verfolgen. Diese Emission entsteht hauptsächlich durch die Wechselwirkung von hochenerge­tischen Teilchen mit Magnetfeldern, einer energetischen Komponente des ISM.

Tiefe und räumlich aufgelöste Beobachtungen bei verschiedenen Radio­frequenzen mit SKAO ermöglichen es den Astronomen, diese Prozesse in nahen und fernen Galaxien zu kartieren. „Solche Beobach­tungen sind der entscheidende Schritt zum Verständnis der Energiebilanz und der Strukturbildung in Galaxien im Laufe der kosmischen Zeit und geben Aufschluss über die Prozesse, die die Galaxien­entwicklung und den Rückgang der Sternentstehungs­aktivität bestimmen“, sagt Eva Schinnere. „Die Auswahl der Galaxien­typen und kosmischen Entfernungen, die für die Untersuchung dieser Prozesse erforderlich sind, ist ein wesentlicher Teil der Vorbereitung auf die eigent­lichen SKAO-Daten“, sagt Mark Sargent vom International Space Science Institute in Bern, Schweiz.

„In einem ersten Schritt wollten wir die Radio-Kontinuum-Emission aus dem ISM typischer hochrot­verschobenen Galaxien simulieren, wobei wir normale, heutige Spiral­galaxien wie M 51, NGC 6946 und M 33 als Vorlagen verwendeten. Unsere Simulation berücksichtigt zwei verschiedene Strahlungs­mechanismen, die thermische Bremsstrahlung und die nicht-thermische Synchrotron­strahlung“, beschreibt Masoumeh Ghasemi-Nodehi, Postdoc am IPM. „Wir haben gezeigt, dass die SKAO-Phase 1 MID-Radiodurch­musterung (SKA1-MID) die Synchrotron­strahlung in M 51-ähnlichen Galaxien bis zu einer Rotverschiebung von 3 kartieren kann, als das Universum nur 1/7 seines heutigen Alters hatte“, fährt sie fort.

„Wir erwarten, dass sowohl die rela­tivistischen Teilchen als auch die Magnetfelder aufgrund der höheren Sternentstehungs­aktivität in diesen frühen Galaxien zu früheren Zeiten einen höheren Druck im inter­stellaren Medium erzeugten. Diese Annahme, die sich aus unseren Studien ergibt, muss durch die SKAO-Beobach­tungen weiter bestätigt werden“, sagt Fatemeh Tabatabaei. Dank der Empfindlichkeit und Durchmusterungs­geschwindigkeit des SKAO wird dieses Obser­vatorium wichtige Themen der Astronomie und Astrophysik erhellen. Zu seinen Zielen gehört es, die Entstehung von Strukturen im frühen Universum, die Bildung der ersten Sterne und Galaxien sowie die Entwicklung von Galaxien zu untersuchen. In den meisten Fällen werden diese Phänomene mit Hilfe von Durch­musterungen mit mehreren Wellenlängen untersucht, die verschiedene Himmelsbereiche in unter­schiedlichen Entwicklungs­stadien abdecken.

MPIA / JOL

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