Mit LOFAR hin zur Epoche der Reionisierung

1. Juli 2020

Kürzlich veröffentlichte eine Forschergruppe, darunter Wissenschaftler des MPA, die strengsten Obergrenzen für das Reionisierungssignal aus dem frühen Universum. Diese Messung ist Teil einer Reihe von Forschungsergebnissen, die zum 10-jährigen Jubiläum des LOFAR-Teleskops veröffentlicht werden. Mit diesen Beobachtungen sind die Wissenschaftler in der Lage, einige extreme Reionisierungsmodelle auszuschließen und den thermischen sowie den Ionisierungszustand des intergalaktischen Mediums zur Zeit als das Universum noch in den Kinderschuhen steckte näher zu bestimmen.

Luftaufnahme der MPA LOFAR-Station.

Nach unserem aktuellen kosmologischen Verständnis war das diffuse Gas (IGM) im Universum anfangs sehr heiß und in einem hoch ionisierten Zustand. Etwa 450 000 Jahre nach dem Urknall kühlte es ab, begann zu rekombinieren und neutrale Atome zu bilden. Es blieb neutral, bis sich die ersten Quellen ionisierender Strahlung, Sterne oder Schwarze Löcher mit Akkretionsscheiben, bildeten und damit begannen, das Gas etwa 500 Millionen Jahre nach der Rekombination erneut zu ionisieren. Dies markiert einen wichtigen Phasenübergang in unserem Universum, der Reionisierung genannt wird.

Eine Fülle von Beobachtungen entfernter Galaxien, Quasare und Gammastrahlenausbrüche liefert Abschätzungen über die Menge an neutralem Wasserstoff gegen Ende der Reionisierung, während Experimente zur kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung ein Maß für die Fülle der durch den Prozess erzeugten Elektronen liefern. Beobachtungen, die die zeitliche und räumliche Entwicklung der Reionisierung abbilden, sind jedoch noch nicht verfügbar.

Es ist seit langem bekannt, dass neutraler Wasserstoff im IGM bei Frequenzen im Radiobereich (~50-200 MHz), direkt nachweisbar sein kann. Messungen bei verschiedenen Frequenzen sollten es uns erlauben, die Struktur und die Entwicklung des reionisierenden Gases genau zu untersuchen. Dieses Experiment ist gerade jetzt besonders attraktiv, da eine neue Generation von Radioteleskopen in Betrieb (z.B. LOFAR, MWA, HERA) oder im Bau (z.B. SKA) ist. Der Hauptteil von LOFAR befindet sich in den Niederlanden, weitere europäische Länder betreiben weiter entfernte Antennenfelder. Deutschland, vertreten durch das GLOW-Konsortium, verfügt über sechs LOFAR-Stationen. Eine davon (siehe Abb. 1) wurde vom MPA gebaut und betrieben. 

Neben dem Betrieb der LOFAR-Station ist das MPA auch stark in die wissenschaftliche Nutzung der LOFAR-Daten involviert, da MPA-Forscher wichtige Mitglieder des wissenschaftlichen Schlüsselprojekts von LOFAR „Epoch of Reionization (EoR)“ sind. Kürzlich berichtete dieses Team über eine verbesserte Obergrenze für das 21cm-Signal aus dem Uruniversum - das charakteristische Radiosignal von neutralem Wasserstoff - sowie über dessen theoretische Interpretation.

Links: Karte des 21cm-Signals bei z=9.1 für eines der in Ghara et al. untersuchten Modelle (2020).

Rechts: Die Kurven zeigen die Leistungsspektren des 21cm-Signals bei verschiedenen Längenskalen für die 1495 in Ghara et al. (2020) untersuchten Modelle. Die roten Punkte mit Fehlerbalken zeigen die Obergrenzen aus den LOFAR-Beobachtungen von Mertens et al. (2020), während die blau gestrichelte Kurve das Modell darstellt, das der links gezeigten Karte entspricht. Alle Modelle oberhalb der Beobachtungspunkte sind von den LOFAR-Beobachtungen ausgeschlossen.

Die Analyse basiert auf 141 Stunden an Datenaufnahmen, die mit LOFAR im Frequenzbereich 134-146 MHz gesammelt wurden, und gibt die besten Obergrenzen für das 21-cm-Signalleistungsspektrum des neutralen Wasserstoffs bei z=9,1 an, oder als das Universum etwa 500 Millionen Jahre alt war. Die im Vergleich zur vorherigen Obergrenze größere Anzahl an Beobachtungsstunden zusammen mit der aktualisierten Kalibrierpipeline zeigen eine Verringerung des Wertes der Obergrenze um einen Faktor von etwa 8. Dies wird sich mit dem nächsten Meilenstein, der weitere Verfeinerungen der Signalverarbeitungskette und etwa 1000 Stunden an Datenaufnahmen umfasst, noch weiter verbessern.

Unter Verwendung einer Kombination aus hochmodernen N-Körper-Simulationen, 1D-Strahlungstransportberechnungen und eines Bayes'schen Inferenzrahmens zur Beschränkung der Parameter, die den physikalischen Zustand des intergalaktischen Mediums beschreiben, fand das LOFAR EoR-Team heraus, dass die neuen Obergrenzen bereits jetzt einige Reionisierungssmodelle ausschließen können (siehe Abb. 2). Dieses aufregende Ergebnis zeigt, dass wir in naher Zukunft mit neuen Daten von LOFAR-Beobachtungen der 21cm-Linie von neutralem Wasserstoff (auch bei verschiedenen Rotverschiebungen), in der Lage sein werden, die physikalischen Eigenschaften des IGM bei hoher Rotverschiebung und die Geschichte der Reionisierung einzuschränken.

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