Ein internationales Team von Astronomen hat zum ersten Mal die Leistung von 64 Radioteleskopschüsseln kombiniert, um die schwachen Signaturen von neutralem Wasserstoffgas über kosmologische Skalen hinweg zu erkennen.
Das Kunststück wurde mithilfe des in Südafrika ansässigen MeerKAT-Teleskops erreicht, einem Vorläufer des weltgrößten Radioobservatoriums, des SKA Observatory (SKAO), das das Universum mit beispielloser Detailgenauigkeit untersuchen wird.
Ein Hauptziel des SKAO ist es, die Entwicklung und den Inhalt des Universums sowie die Mechanismen zu verstehen, die seine beschleunigte Expansion vorantreiben. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, die Struktur des Universums in den größten Maßstäben zu beobachten. Auf diesen Skalen können ganze Galaxien als einzelne Punkte betrachtet werden, und die Analyse ihrer Verteilung gibt Hinweise auf die Natur der Schwerkraft und mysteriöse Phänomene wie dunkle Materie und dunkle Energie.
Radioteleskope sind dafür ein fantastisches Instrument, da sie Strahlung mit Wellenlängen von 21 cm nachweisen können, die von neutralem Wasserstoff, dem am häufigsten vorkommenden Element im Universum, erzeugt wird. Durch die Analyse von 3D-Karten von Wasserstoff, die sich über Millionen von Lichtjahren erstrecken, untersuchen wir die Gesamtverteilung der Materie im Universum.
Die SKAO mit Hauptsitz in der Jodrell Bank, Cheshire, befindet sich derzeit im Aufbau. Es gibt jedoch bereits Pathfinder-Teleskope, wie das 64-Schüssel-Array MeerKAT, um sein Design zu leiten. MeerKAT, das in der Karoo-Wüste stationiert ist und vom South African Radio Astronomy Observatory (SARAO) betrieben wird, wird schließlich Teil des gesamten SKAO sein.
MeerKAT und SKAO werden in erster Linie als Interferometer fungieren, bei denen die Anordnung von Schüsseln zu einem riesigen Teleskop kombiniert wird, das entfernte Objekte mit hoher Auflösung abbilden kann. „Allerdings wird das Interferometer nicht empfindlich genug für die größten Skalen sein, die für Kosmologen, die das Universum studieren, von Interesse sind“, erklärte der Co-Hauptautor der neuen Forschungsarbeit, Steven Cunnington. „Deshalb verwenden wir das Array stattdessen als eine Sammlung von 64 einzelnen Teleskopen, die es ihnen ermöglichen, die riesigen Himmelsvolumina zu kartieren, die für die Kosmologie benötigt werden.“
Der Single-Dish-Betriebsmodus wurde von einem Team der University of the Western Cape vorangetrieben, wobei bereits mehrere Beobachtungen mit MeerKAT durchgeführt wurden. An diesem ehrgeizigen Projekt sind viele andere Institutionen auf vier Kontinenten beteiligt. In der neuen Forschungsarbeit, die auf arXiv veröffentlicht und zur Veröffentlichung eingereicht wurde, präsentiert ein Team, dem die in Manchester ansässigen Astronomen Cunnington, Laura Wolz und Keith Grainge angehören, die allererste kosmologische Detektion mit dieser Single-Dish-Technik.
Die neue Entdeckung zeigt ein gemeinsames Clustermuster zwischen MeerKATs Karten und Galaxienpositionen, die vom optischen Anglo-Australian Telescope bestimmt wurden. Da bekannt ist, dass diese Galaxien die gesamte Materie des Universums verfolgen, zeigt die starke statistische Korrelation zwischen den Radiokarten und den Galaxien, dass das MeerKAT-Teleskop großräumige kosmische Strukturen erfasst. Dies ist das erste Mal, dass eine solche Detektion mit einem Multi-Dish-Array durchgeführt wurde, das als einzelne Teleskope fungiert. Das gesamte SKAO wird sich auf diese Technik stützen, und dies markiert daher einen wichtigen Meilenstein in der Roadmap für den Kosmologie-Wissenschaftsfall mit dem SKAO.
„Diese Entdeckung wurde mit nur einer kleinen Menge von Pilotuntersuchungsdaten gemacht“, enthüllte Cunnington. „Es ist ermutigend, sich vorzustellen, was erreicht werden wird, wenn MeerKAT weiterhin immer umfangreichere Beobachtungen macht.“
„Seit vielen Jahren arbeite ich daran, die zukünftige Leistungsfähigkeit des SKAO vorherzusagen. Jetzt ein Stadium zu erreichen, in dem wir die Tools entwickeln, die wir benötigen, und ihren Erfolg mit echten Daten demonstrieren, ist unglaublich aufregend. Dies markiert nur den Anfang dessen, was wir hoffen wird ein kontinuierliches Schaufenster von Ergebnissen sein, das unser Verständnis des Universums vorantreibt.“
Steven Cunnington et al., HI-Intensitätskartierung mit MeerKAT: Leistungsspektrumerkennung in Kreuzkorrelation mit WiggleZ-Galaxien, arXiv:2206.01579 [astro-ph.CO], arxiv.org/abs/2206.01579