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MeerKAT weist erstmals Wasserstoffsignal ohne optische Galaxiedaten nach
Ein extrem schwaches Radiosignal von neutralem Wasserstoff lässt sich über Milliarden Lichtjahre hinweg direkt in MeerKAT-Daten nachweisen. Astronomen haben dafür die gemeinsame 21-Zentimeter-Strahlung vieler unaufgelöster Galaxien vermessen, ohne die Radiodaten mit einer optischen Galaxienkartierung zu kombinieren. Der Erfolg stärkt eine Methode, die künftig große Teile der kosmischen Materieverteilung effizient erfassen könnte.
Cape Town (Südafrika). Neutraler Wasserstoff sendet eine charakteristische Radiostrahlung mit einer ursprünglichen Wellenlänge von rund 21 Zentimetern aus. Weil die Expansion des Universums diese Strahlung zu längeren Wellenlängen verschiebt, können Radioastronomen damit Wasserstoff aus unterschiedlichen kosmischen Epochen aufspüren. Einzelne ferne Galaxien sind in dieser Linie allerdings nur schwer zu erfassen, weil das Signal mit wachsender Entfernung rasch zu schwach wird.
Eine Alternative ist die Wasserstoff-Intensitätskartierung. Dabei werden nicht einzelne Galaxien identifiziert, sondern die gemeinsame Radioemission des neutralen Wasserstoffs in vielen unaufgelösten Galaxien statistisch vermessen. Bisher gelangen belastbare Nachweise in solchen Entfernungen vor allem durch den Vergleich der Radiokarten mit optischen Galaxienverteilungen. Forscher um Dr. Sourabh Paul von The University of Manchester haben das Wasserstoffsignal nun allein aus interferometrischen MeerKAT-Beobachtungen herausgelöst.
Das Team hat rund 96 Stunden Beobachtungsdaten des südafrikanischen MeerKAT-Radioteleskops aus dem Jahr 2018 ausgewertet. Die Messungen decken zwei Frequenzbereiche ab, die Rotverschiebungen von etwa 0,32 und 0,44 entsprechen. Das registrierte Licht war damit ungefähr vier bis fünf Milliarden Jahre unterwegs, bevor es die Erde erreichte. Die Analyse erfasst Strukturen auf Skalen von wenigen Megaparsec, also mehreren Millionen Lichtjahren.
„Das ist ein sehr spannender Meilenstein. Die Wasserstoff-Intensitätskartierung gilt seit Langem als vielversprechende Methode, um das Universum effizient zu kartieren, doch das Signal ist extrem schwach und lässt sich nur schwer von Vordergrundstrahlung, menschengemachten Radiofrequenzstörungen und instrumentellen Effekten trennen. Der direkte Nachweis mit MeerKAT zeigt, dass diese Technik zu einem praktischen Werkzeug der Kosmologie wird“, erklärt Dr. Sourabh Paul.
Die zentrale Schwierigkeit liegt darin, dass viel stärkere Vordergrundquellen und schwache breitbandige Radiofrequenzstörungen das gesuchte Signal überlagern. Die Forscher teilten die Daten unter anderem in zeitlich getrennte Teilmengen und bestimmten daraus Leistungsspektren, sodass zeitabhängige Störungen und ein Rauschbias reduziert werden. Zusätzlich verwendeten sie zwei verschiedene Verfahren, um verdächtige Messdaten zu erkennen und auszuschließen.
Mit der konservativen Baseline-Flagging-Methode erreichte der Nachweis bei den beiden Rotverschiebungen statistische Signifikanzen von 3,2 Sigma und 3,5 Sigma. Ein zweites Verfahren, das auffällige Daten im Leistungs- und Verzögerungsraum aussortiert, kam nach dem Ausschluss der zwei systematisch anfälligsten Skalenbereiche auf 5,9 Sigma und 9,18 Sigma. Die höheren Werte bedeuten dabei nicht, dass ein anderes kosmisches Signal gemessen wurde. Das konservative Verfahren verwirft besonders viele empfindliche kurze Basislinien und erhöht dadurch das thermische Rauschen.
„Dies war ein anspruchsvoller Prozess der Datenanalyse, der ein detailliertes Verständnis der vielen Kontaminationsquellen erforderte, die eine derart schwache Messung beeinflussen können. Besonders bemerkenswert ist, dass die in dieser Studie verwendeten Daten 2018 aufgenommen wurden, als MeerKAT gerade erst den wissenschaftlichen Betrieb aufnahm. Inzwischen wartet ein großer Schatz an MeerKAT-Daten darauf, mit dieser Methode untersucht zu werden“, erklärt Prof. Mario Santos von der University of the Western Cape (UWC).
Mehrere Nulltests und Simulationen sprechen dafür, dass die verble