Ein Blick auf die Entstehung des Universums

24.07.2019

Das „Square Kilometre Array“ (SKA) soll das größte Radioteleskop auf der Erde werden. Forschende der Universität Bielefeld haben nun zusammen mit dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie sowie internationalen Partnern das SKA-MPG Teleskop untersucht – einen Prototyp für den Teil des SKA, der Signale im mittleren Frequenzbereich empfängt. Die Studie, die heute (24. Juli) in der Fachzeitschrift „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ erscheint, zeigt: Das Teleskop ist nicht nur ein Prototyp, um das Design für das SKA zu testen, sondern kann auch bereits alleine Erkenntnisse über die Entstehung des Universums liefern. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert die Arbeiten zum SKA-MPG über ein Verbundforschungsprojekt, das von der Universität Bielefeld koordiniert wird.

„Das SKA-MPG Teleskop in Südafrika wird uns dabei helfen, die kosmische Hintergrundstrahlung zu verstehen“, sagt Dr. Aritra Basu, Erstautor der Studie und Physiker in der Arbeitsgruppe Astroteil­chenphysi­k und Kosmologie der Universität Bielefeld. Die kosmische Hintergrundstrahlung ist Licht im Mikrowellenbereich, das kurz nach dem Urknall entstanden ist. Ihre Erforschung gibt Aufschluss über die Entstehung des Universums. „Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung werden jedoch von anderen Effekten im Vordergrund verzerrt – zum Beispiel durch ultraschnelle Elektronen im magnetischen Feld der Milchstraße. Um die kosmische Hintergrundstrahlung messen zu können, müssen wir daher die Details dieser Effekte kennen. In unserer Studie haben wir gezeigt, dass das neue Teleskop geeignet ist, die Vordergrundstrahlung zu untersuchen“, so Basu.

Das SKA-MPG Teleskop wurde gemeinsam vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn und der Firma MT-Mechatronics GmbH entwickelt. Das Kürzel „MPG“ steht für die Max-Planck-Gesellschaft, die das Teleskop finanziert. Das Radioteleskop hat einen Durchmesser von 15 Metern und kann Signale zwischen 1,7 und 3,5 Gigaherz empfangen. Momentan wird es in der südafrikanischen Karoo-Wüste aufgebaut. Einen ersten regulären Einsatz erwartet der Projektleiter für das Teleskop, Dr. Gundolf Wieching vom MPIfR, für Herbst 2019.

Prototyp für einen Teil des SKAs

Das Radioteleskop ist in erster Linie als Prototyp für einen Teil des SKAs geplant, der Signale aus einem mittleren Radiofrequenzbereich empfängt. Bewährt sich der Prototyp in einer Reihe von Tests, werden etwa 200 solcher Teleskope für das SKA in Südafrika gebaut. Das SKA wird neben mittleren auch niedrige Radiofrequenzen beobachten. Dieses zweite Instrument soll aus tausenden kleinen Radioantennen bestehen, die miteinander kombiniert werden können und ein riesiges Radioteleskop simulieren. Die beiden Teile des SKA erstrecken sich dann über einen Quadratkilometer in Australien und Südafrika – daher der Name „Square Kilometre Array“. „Schon mit unserem Prototyp sind wir durch ein cleveres Design für das Teleskop und neue Entwicklungen in Empfänger- und Backendtechnologie in der Lage, tief in das Universum zu blicken.“, sagt Dr. Hans-Rainer Klöckner, Astrophysiker am MPIfR. „Ich bin gespannt, was wir erst entdecken werden, wenn 200 von diesen Teleskopen für das SKA synchronisiert werden.“ Mit dem SKA sollen zum Beispiel Gravitationswellen und Dunkle Energie erforscht oder Einsteins Relativitätstheorie unter extremen Bedingungen getestet werden.

Umgang mit riesigem Datenvolumen

Das SKA wird die erste globale Wissenschaftsorganisation mit Standorten auf drei Kontinenten sein: Australien, Afrika und Europa. Hinzu kommen über die ganze Erde verteilte Datenzentren. Eine besondere Herausforderung liegt im Umgang mit dem riesigen Datenvolumen: Das SKA wird pro Jahr über 600 Petabyte Beobachtungsdaten sammeln, das entspricht der Speicherkapazität von mehr als einer halben Million Laptops.

Die deutschen Forschungseinrichtungen, die an den Vorarbeiten zum SKA beteiligt sind, haben sich im „German Long Wavelength Consortium“ zusammengeschlossen, darunter die Universität Bielefeld. Zu den Projekten des Konsortiums zählt auch D-MeerKAT, in dem der Prototyp SKA-MPG Teleskop evaluiert wird – zum Beispiel durch die nun veröffentlichte Studie. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert D-MeerKAT als Verbundforschungsprojekt. Professor Dr. Dominik Schwarz, Leiter der Bielefelder Arbeitsgruppe Astroteilchenphysik und Kosmologie, koordiniert D-MeerKAT. „Unsere Untersuchungen mit dem SKA-MPG Teleskop bilden einen eigenständigen wichtigen Beitrag zur modernen Kosmologie – mit viel Arbeit und ein bisschen Glück können wir ein neues Fenster zum Verständnis des Urknalls aufstoßen“, sagt Schwarz.

Weitere Informationen gibt es auf den Webseiten des D-MeerKAT-Projekts und des SKA-Projekts.

Originalveröffentlichung:
Aritra Basu, Dominik J. Schwarz, Hans-Rainer Klöckner, Sebastian von Hausegger, Michael Kramer, Gundolf Wieching, Blakesley Burkhart: CMB Foreground Measurements through Broad-Band Radio Spectro-Polarimetry: Prospects of the SKA-MPG Telescope. MNRAS, https://doi.org/10.1093/mnras/stz1637, erschienen am 24. Juli 2019. Reprint in arXiv: https://arxiv.org/pdf/1906.04788.pdf.