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SKAO
Möglicher Blick auf das Ende der kosmischen Mittagszeit
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Astronomie
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26. Juli 2022

Das Square Kilometer Array Observatory wird in der Lage sein, Radioemissionen von normalen Spiralgalaxien im frühen Universum zu erkennen. Das hat nun eine neue Studie von Forschenden ergeben, die sich mit dem Ende der als "kosmische Mittagszeit" bekannten Epoche der Entwicklung des Universums befassen. Sie führten dazu umfangreiche Simulationen durch.

SKAO

Ein zusammengesetztes Bild des zukünftigen SKA-Mid-Teleskops, das die bereits vor Ort befindlichen Antennen des Vorläuferteleskops MeerKAT mit einer künstlerischen Darstellung der zukünftigen SKA-Mid-Teleskope verbindet.
Bild: SKAO  [Großansicht]

Im Laufe der kosmischen Entwicklung erlebten die Galaxien nach einer aktiveren Periode vor etwa zehn Milliarden Jahren, dem sogenannten "Kosmischen Mittag", einen Rückgang der Sternentstehungsaktivität. Der Übergang von einer goldenen Epoche der Sternentstehung zu einer geringeren Sternentstehungsrate ist noch immer nicht vollständig verstanden. Ein Rückgang der Menge an kühlem Gas in den Galaxien, das als Brennstoff für die Sternentstehung dient, wird oft als Hauptgrund angesehen. Beobachtungen zeigen jedoch, dass viele Galaxien noch über ausreichend große Gasreserven verfügten, um die Sternentstehung zu ermöglichen.

"Eine andere Möglichkeit ist, dass der Druck von Magnetfeldern, hochenergetische Teilchen und Turbulenzen das kühle Gas in Galaxien zunehmend stabilisierten", sagt Fatemeh Tabatabaei. Sie ist eine ehemalige Forscherin des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA) in Heidelberg und aktuell Fakultätsmitglied am Institute for Research in Fundamental Sciences (IPM) in Teheran. "Um die Bedeutung dieser Faktoren zu verstehen, sind Studien zur Energiebilanz in Abhängigkeit von der Rotverschiebung erforderlich."

Als Rotverschiebung bezeichnet man das Phänomen, dass die Spektren, die z. B. von Galaxien ausgesendet werden, mit der Zeit aufgrund der Expansion des Universums zu längeren Wellenlängen verschoben werden. Die Rotverschiebung kann direkt in eine Entfernung oder das Alter seit dem Urknall umgerechnet werden. Um zu beurteilen, ob das künftige Square Kilometer Array Observatory (SKAO) zur Lösung dieses Rätsels beitragen kann, haben die Astronominnen und Astronomen die physikalischen Prozesse im interstellaren Medium (ISM) von Galaxien bei unterschiedlichen Rotverschiebungen simuliert. Das ISM besteht hauptsächlich aus Gas und mikroskopisch kleinen Teilchen, die die Astronomie als Staub bezeichnet, mit unterschiedlichen Temperaturen, die den Raum zwischen den Sternen durchdringen.

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Die Beobachtung der Radioemission ist ein wirksames Mittel, um energetische Prozesse in Galaxien zu verfolgen. Diese Emission entsteht hauptsächlich durch die Wechselwirkung von hochenergetischen Teilchen mit Magnetfeldern, einer energetischen Komponente des ISM. Tiefe und räumlich aufgelöste Beobachtungen bei verschiedenen Radiofrequenzen mit SKAO ermöglichen es, diese Prozesse in nahen und fernen Galaxien zu kartieren. "Solche Beobachtungen sind der entscheidende Schritt zum Verständnis der Energiebilanz und der Strukturbildung in Galaxien im Laufe der kosmischen Zeit und geben Aufschluss über die Prozesse, die die Galaxienentwicklung und den Rückgang der Sternentstehungsaktivität bestimmen", erklärt Eva Schinnerer, Wissenschaftlerin am MPIA.

"Die Auswahl der Galaxientypen und kosmischen Entfernungen, die für die Untersuchung dieser Prozesse erforderlich sind, ist ein wesentlicher Teil der Vorbereitung auf die eigentlichen SKAO-Daten", erklärt Mark Sargent vom International Space Science Institute in Bern, Mitautor der Studie und ehemals Wissenschaftler am MPIA. "In einem ersten Schritt wollten wir die Radio-Kontinuum-Emission aus dem ISM typischer hochrotverschobenen Galaxien simulieren, wobei wir normale, heutige Spiralgalaxien wie M 51, NGC 6946 und M 33 als Vorlagen verwendeten. Unsere Simulation berücksichtigt zwei verschiedene Strahlungsmechanismen, die thermische Bremsstrahlung und die nicht-thermische Synchrotronstrahlung", beschreibt Masoumeh Ghasemi-Nodehi, Postdoc am IPM. "Wir haben gezeigt, dass die SKAO-Phase 1 MID-Radiodurchmusterung (SKA1-MID) die Synchrotronstrahlung in M-51-ähnlichen Galaxien bis zu einer Rotverschiebung von 3 kartieren kann, als das Universum nur 1/7 seines heutigen Alters hatte", fährt sie fort. Solche Beobachtungen werden also damit bereits in der ersten Ausbaustufe des SKAO durchgeführt werden können.

"Wir erwarten, dass sowohl die relativistischen Teilchen als auch die Magnetfelder aufgrund der höheren Sternentstehungsaktivität in diesen frühen Galaxien zu früheren Zeiten einen höheren Druck im interstellaren Medium erzeugten. Diese Annahme, die sich aus unseren Studien ergibt, muss durch die SKAO-Beobachtungen weiter bestätigt werden", so Tabatabaei.

Dank der Empfindlichkeit und Durchmusterungsgeschwindigkeit des SKAO wird dieses Observatorium Beiträge zu zahlreichen wichtigen Themen der Astronomie und Astrophysik liefern können. Zu seinen Zielen gehört es, die Entstehung von Strukturen im frühen Universum, die Bildung der ersten Sterne und Galaxien sowie die Entwicklung von Galaxien zu untersuchen. In den meisten Fällen werden diese Phänomene mithilfe von Durchmusterungen mit mehreren Wellenlängen untersucht, die verschiedene Himmelsbereiche in unterschiedlichen Entwicklungsstadien abdecken.

Das Square Kilometer Array Observatory ist ein internationales Projekt zum Bau des weltgrößten Radioteleskops. Es handelt sich um einen Verbund aus zahlreichen Radioschüsseln, die in Afrika, in Australien und in Neuseeland installiert werden. Über ihre Studie berichtet das Team in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht wurde.

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Links im WWW
Ghasemi-Nodehi, M. et al. (2022): Evolution of thermal and non-thermal radio continuum emission on kpc scales – predictions for SKA, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 515, 1158 (arXiv.org-Preprint)
Max-Planck-Institut für Astronomie
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