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Wasserstoff offenbart die großräumige Struktur des Universums
Das schwache Radiosignal von neutralem Wasserstoff könnte helfen, die Verteilung von Materie im Universum über riesige Entfernungen nachzuzeichnen. Nun ist es gelungen, die räumliche Häufung dieses Gases auf großen kosmologischen Skalen allein aus Radiodaten zu messen. Damit ist eine wichtige Voraussetzung für künftig umfassendere dreidimensionale Karten des Kosmos unmittelbar überprüft.
Kapstadt (Südafrika). Galaxien verteilen sich im All nicht gleichmäßig, sondern bilden ein aus Filamenten und großen Leerräumen bestehendes kosmisches Netz. Auch neutraler Wasserstoff sammelt sich entlang dieser Strukturen und sendet eine schwache Radiostrahlung mit einer ursprünglichen Wellenlänge von 21 Zentimetern aus.
Einzelne Wasserstoffwolken in weit entfernten Galaxien sind über weite Himmelsflächen oft zu lichtschwach, um sie getrennt zu erfassen. Bei der sogenannten Intensitätskartierung wird deshalb die gesamte Radiostrahlung eines Himmelsbereichs vermessen, sodass sich statistische Muster erkennen lassen, ohne jede Galaxie einzeln aufzulösen. Allerdings überlagern deutlich hellere Störsignale die gesuchte Strahlung.
Forscher der Università degli Studi di Milano um Matilde Barberi-Squarotti haben dafür gemeinsam mit der MeerKLASS-Kollaboration Aufnahmen des südafrikanischen Radioteleskops MeerKAT ausgewertet. Die Daten stammen aus dem Jahr 2021 und decken etwa 236 Quadratgrad ab, eine Himmelsfläche, die sich über mehr als tausend Vollmondscheiben erstreckt.
Statt die 64 Antennen zu einem einzigen hochauflösenden Verbund zusammenzuschalten, nutzte das Team sie als getrennte Empfangsschüsseln. Dieser Beobachtungsmodus ermöglicht es, große Himmelsflächen vergleichsweise schnell abzutasten, auch wenn einzelne Galaxien dabei nicht im Detail dargestellt werden.
Die Messungen erfassen Radiostrahlung aus einer Zeit vor rund 4,5 Milliarden Jahren, entsprechend einer Rotverschiebung von etwa 0,42. Ermittelt wurde kein Bild einzelner Wasserstoffwolken, sondern ein Leistungsspektrum, das ihre gemeinsame räumliche Häufung auf verschiedenen großen Skalen beschreibt.
Die große Schwierigkeit lag nicht in der Empfindlichkeit allein, sondern in der Trennung des kosmischen Signals von viel helleren Vordergrundquellen. Deren Radiostrahlung war etwa 10.000-mal stärker als das gesuchte Wasserstoffsignal. Das Team zerlegte die Beobachtungen deshalb in vier weitgehend unabhängige Datensätze und entfernte die dominierenden Störanteile aus jedem getrennt.
Anschließend verglichen die Wissenschaftler nur die Muster, die in unterschiedlichen Datensätzen gemeinsam auftraten. Solche internen Kreuzvergleiche unterdrücken instrumentelles Rauschen und erlaubten einen Nachweis mit einem Signal-Rausch-Verhältnis von 6,2. Anders als bei früheren Messungen auf vergleichbaren Skalen war dafür kein externer Galaxienkatalog erforderlich.
„Dies ist ein Meilenstein, um die 21-Zentimeter-Intensitätskartierung als neues Werkzeug für die Kosmologie zu etablieren“, erklärt Prof. Mário Santos von der University of the Western Cape (UWC).
Die Auswertung zeigt zugleich, warum der Datensatz sorgfältig behandelt werden muss. In den Spektren einzelner Teilkarten bleiben Überschüsse zurück, die auf noch nicht vollständig verstandene systematische Einflüsse hindeuten. Die kombinierte Messung bestand zwar die beschriebenen Kontrollen, doch diese Reststörungen lassen sich nicht einfach für verschwunden erklären.