Radiokarte des Unsichtbaren

von KAI DÜRFELD

Bevor das Licht der ersten Sterne die dunkle Ära enden ließ und sich Galaxien formten, war das Universum angefüllt mit neutralem Wasserstoff. Dieses Gas sendet eine ganz bestimmte Radiostrahlung aus: die 21-Zentimeter-Linie. Solange das All noch dunkel war, durchzog das Signal den Weltraum nahezu überall.

Dies änderte sich mit dem Entstehen der ersten Lichtquellen. Ihre Strahlung riss Elektronen aus den Atomen und ionisierte das Gas. Wo das geschah, verschwand die 21-Zentimeter-Signatur. Für Kosmologen ist die Linie ein Marker für den Zustand des Universums und ein Zeitstempel im expandierenden All. Denn während sich der Raum ausdehnt, streckt er auch die Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung, die in ihm unterwegs ist. Wir messen sie als rotverschoben. Je stärker diese Dehnung des Spektrums ist, umso weiter blicken wir in die Vergangenheit.

Um diese schwachen Signale systematisch zu erfassen, braucht es eine neue Dimension der Radioastronomie. Genau dafür wird das Square Kilometre Array (SKA) gebaut: millionenfach empfindlicher als heutige Anlagen, verteilt über Kontinente, synchronisiert im Nanosekundenbereich.

Das Ende der Dunkelheit

„Wir haben bislang nur indirekte Hinweise darauf, wie und wann das Universum reionisiert wurde“, sagt Michael Kramer, Professor für Astrophysik und Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn. „Mit der 21-Zentimeter-Linie werden wir diese Epoche erstmals dreidimensional kartieren: nicht nur punktuell, sondern flächendeckend in Raum und Zeit.“

Bisher liefern Messungen vor allem globale Mittelwerte. Sie zeigen, dass sich das junge Universum gewandelt hat. Doch sie zeigen nicht, wie sich dieser Wandel im Detail vollzog. Die 21-Zentimeter-Strahlung vermittelt dagegen Informationen über Dichte, Temperatur und Ionisationsgrad eines jeden Ortes im jungen Universum. Aus ihrer Frequenzverschiebung lässt sich rekonstruieren, wann und wo das neutrale Gas verschwand.

„Die Modelle zur Reionisation unterscheiden sich deutlich“, sagt der Radioastronom. „Wir wissen noch nicht, wie homogen dieser Prozess verlief, oder welche Quellen dominant waren. Deshalb sind genaue Beobachtungen so wichtig.“ Denn mit ausreichender Empfindlichkeit lässt sich daraus eine dreidimensionale Karte rekonstruieren. Regionen höherer Dichte erscheinen darin früher ionisiert, andere bleiben länger neutral. So entsteht eine zeitlich gestaffelte Vermessung der kosmischen Entwicklung – von den ersten Lichtquellen bis zu den großräumigen Strukturen, die das heutige Universum prägen.

Ob dieser Übergang rasch und großflächig verlief oder sich in einem Geflecht aus ionisierten Blasen vollzog, ist bislang ungeklärt. Manche Modelle zeichnen ein relativ gleichmäßiges Fortschreiten der Reionisation, andere beschreiben ein „patchworkartiges“ Universum, in dem sich um frühe Galaxien herum wachsende Zonen ionisierten Gases ausbreiteten und schließlich miteinander verschmolzen. Auch welche Quellen dominierten, ob viele kleine Galaxien oder wenige besonders leuchtkräftige, ist nicht entschieden.

Genau hier liegt die Stärke einer dreidimensionalen 21-Zentimeter-Kartierung. Sie macht nicht nur sichtbar, dass sich das junge Universum veränderte, sondern wie sich dieser Wandel räumlich organisierte. Größe, Verteilung und Wachstum ionisierter Regionen werden so zu messbaren Größen. Aus ihnen lässt sich rekonstruieren, wie schnell sich die ersten Strahlungsquellen durchgesetzt haben und wie eng Reionisation und Strukturbildung miteinander verflochten waren.

Doch zwischen Theorie und Karte liegt ein enormes Messproblem. Das 21-Zentimeter-Signal aus der Epoche der Reionisation ist millionenfach schwächer als die Vordergrundstrahlung unserer eigenen Galaxie. Synchrotronemission, punktförmige Radioquellen und instrumentelles Rauschen überlagern das kosmische Flüstern.

„Das Entscheidende ist nicht nur die Empfindlichkeit, sondern auch die Kombination aus großer Sammelfläche, breiter Frequenzabdeckung und langfristiger Stabilität“, sagt Michael Kramer. „Nur so lassen sich die extrem schwachen Signale zuverlässig von der Vordergrundstrahlung unterscheiden.“

Bisherige Radioteleskope stießen hier an ihre Grenzen. Das Square Kilometre Array soll sie überwinden. Es ist darauf ausgelegt, über Jahre hinweg stabile, vergleichbare Datensätze zu liefern und selbst feinste Unterschiede im Frequenzraum sichtbar zu machen. Erst unter diesen Bedingungen lässt sich das frühe Universum nicht nur modellieren, sondern auch vermessen.

Die unsichtbare Ordnung des Kosmos

Die Kartierung der Reionisation ist nur eines der wissenschaftlichen Ziele des SKA. Mit seiner Empfindlichkeit und Winkelauflösung eröffnet das Observatorium auch neue Möglichkeiten, andere unsichtbare Strukturen im Kosmos systematisch zu vermessen.

Ein wichtiges Beispiel sind Magnetfelder: Sie sind im Universum allgegenwärtig, durchziehen Galaxien, strukturieren Gaswolken und beeinflussen die Entstehung von Sternen. Selbst im intergalaktischen Raum finden sich Hinweise auf schwache, großräumige Felder. „Wir wissen, dass Galaxien heute Mikrogauß-starke Magnetfelder besitzen“, sagt Kramer. Diese magnetische Flussdichte liegt in der Größenordnung von 0,1 bis 10 Nanotesla. „Aber wie aus winzigen Anfangsfeldern solche großräumigen Strukturen wurden, verstehen wir noch nicht.“

Das liegt vor allem daran, dass sich Magnetfelder der direkten Beobachtung entziehen. Sie senden kein eigenes Licht aus. Sie verraten sich nur indirekt weil sie die Polarisation der Strahlung, die sie durchquert, beeinflussen. Trifft Radiostrahlung entfernter Quasare oder Galaxien auf ein magnetisiertes Plasma, dreht sich ihre Schwingungsebene. Dieser Effekt hängt von der Frequenz ab. Misst man diese Drehung über viele Frequenzen hinweg, lässt sich die Stärke und Richtung des Magnetfelds entlang der Sichtlinie rekonstruieren.

„Kosmische Magnetfelder sind allgegenwärtig, aber bislang nur schwer systematisch zu erfassen“, bedauert Kramer. Messpunkte sind dünn gesät. Das aktuelle Bild gleicht eher einer Skizze als einer genauen Karte. Hier setzt das SKA an. „Mit der großen Zahl an Hintergrundquellen, die wir damit beobachten, können wir die Struktur der Magnetfelder erstmals statistisch vermessen.“

Mit seiner enormen Empfindlichkeit wird das SKA Millionen zusätzlicher Hintergrundquellen erfassen und ihre Polarisation ermitteln. Aus einem lockeren Netz einzelner Messungen entsteht so ein dichtes „Faraday-Grid“ über den Himmel – und damit eine Systematik der Magnetfeldstrukturen. Und dies nicht nur in der Milchstraße, sondern auch in anderen Galaxien und möglicherweise sogar im intergalaktischen Medium.

Das Ziel geht über eine Momentaufnahme hinaus. Es soll auch rekonstruiert werden, wie Magnetfelder mit der großräumigen Struktur des Kosmos zusammenhängen: ob sie sich parallel zu Filamenten ausbilden, in welcher Verbindung sie zur Galaxienentwicklung stehen und ob ihre Ursprünge bis in die Frühzeit des Universums zurückreichen.

Präzision durch Pulsare

Auch schafft das SKA neue Möglichkeiten auf einer ganz anderen Ebene: bei kosmischen Präzisionsuhren, den Pulsaren. Diese rotierenden Neutronensterne gehören zu den verlässlichsten natürlichen Taktgebern im All, weil ihre Rotationsperioden extrem stabil sind. „Mit einer großen Zahl präzise vermessener Pulsare lassen sich winzige Abweichungen erfassen, die Rückschlüsse auf fundamentale physikalische Prozesse erlauben“, sagt Michael Kramer. Für ihn sind Pulsare eben mehr als exotische Sternenreste. Zugleich helfen sie dabei, die Allgemeine Relativitätstheorie und alternative Theorien der Gravitation mit beachtlicher Genauigkeit zu überprüfen. Ein Pulsar in enger Umlaufbahn um das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße würde sogar Tests in einer bislang unerreichten Präzision erlauben. Ob ein dafür geeigneter Neutronenstern existiert, ist aber noch unklar.

Mit dem SKA wird sich die Zahl der bekannten Pulsare (momentan über 5.000) jedenfalls deutlich erhöhen. Theoretisch könnten nahezu alle in unsere Richtung strahlenden Exemplare der Milchstraße erfasst werden. Doch eine größere Anzahl wäre nur der erste Schritt. „Die Genauigkeit der Ankunftszeitmessungen skaliert direkt mit der Empfindlichkeit des Teleskops“, sagt Kramer. Je empfindlicher das Instrument, desto exakter lässt sich bestimmen, wann ein Puls die Erde erreicht.

Wird nicht nur ein einzelner Pulsar beobachtet, sondern ein ganzes Ensemble über Jahre hinweg überwacht, entsteht ein kosmisches Detektornetz. Verformt eine Gravitationswelle die Raumzeit zwischen Pulsaren und der Erde, verschieben sich die Ankunftszeiten minimal – synchron über große Bereiche des Himmels verteilt. Aus diesen korrelierten Schwankungen lässt sich bereits auf einen Gravitationswellen-Hintergrund schließen. Wahrscheinlich stammt er von Paaren supermassereicher Schwarzer Löcher.

Bei der Empfindlichkeit der bestehenden Pulsar Timing Arrays deutet sich ein solches Signal inzwischen an. Mit dem SKA wird die Messgenauigkeit allerdings beträchtlich steigen – ebenso die Zahl der einbezogenen Pulsare. Der Schritt vom statistischen Hintergrund zur Identifikation einzelner Quellen rückt in greifbare Nähe.

Das Square Kilometre Array wird mehr als nur ein weiteres Radioteleskop sein: Es erweitert das Inventar des Himmels und verwandelt bekannte Objekte in Präzisionswerkzeuge. Mit seiner enormen Sammelfläche, seiner Interferometrie und einer Datenverarbeitung im Maßstab moderner Hochleistungsrechner verwandelt es schwache Radiosignale in ein neues Instrument für die Kosmologie. Ob bei der Kartierung der Reionisation, der Vermessung kosmischer Magnetfelder oder beim präzisen Timing von Pulsaren – das SKA soll Strukturen sichtbar machen, die bisher im Radiolärm verborgen blieben. Erst mit dieser Kombination aus Empfindlichkeit, Stabilität und statistischer Reichweite lässt sich der Kosmos in einer Tiefe vermessen, die bislang nur theoretischen Modellen vorbehalten waren. ■