HETDEX-Projekt auf bestem Weg zur Erforschung der dunklen Energie

1. Dezember 2020

Drei Jahre nach Beginn seiner Erforschung der dunklen Energie ist das HETDEX-Experiment auf dem besten Weg, die größte Karte des Kosmos aller Zeiten zu erstellen. Die dreidimensionale Karte von 2,5 Millionen Galaxien wird den Astronomen helfen zu verstehen, wie und warum die Expansion des Universums mit der Zeit immer schneller voranschreitet. Wissenschaftler in München und Garching haben die Strategie, Planung und Durchführung der Durchmusterung mit konzipiert und wichtige Software- und Datenmanagement-Tools für die kosmologische Datenanalyse entwickelt.

Das Hobby-Eberly Telescope in der Dämmerung. Die Fahnen der vier Partnerländer sind mit der US-Fahne neben der offenen Kuppel zu sehen.

„In HETDEX kommen viele Astronomen und Institutionen zusammen, um gemeinsam die erste große Studie darüber durchzuführen, wie sich die dunkle Energie im Laufe der Zeit verändert", sagte Taft Armandroff, Direktor der University of Texas am McDonald Observatory in Austin. Die Studie begann im Januar 2017 mit dem 10-Meter-Hobby-Eberly-Teleskop (HET) am McDonald Observatory. Heute ist die Umfrage zu 38% abgeschlossen. Die Datenreduzierung und -analyse läuft weiter.

Die Durchmusterung konzentriert sich auf zwei Regionen des Himmels in der Nähe der Sternbilder Großer Wagen und Orion. Bei jeder Einzelbeobachtung zeichnet das Teleskop etwa 32.000 Spektren auf und erfasst damit das Licht von jedem Objekt im Sichtfeld des Teleskops. Die Spektren erlauben die Bestimmung der Rotverschiebung der Objekte und damit deren Entfernung. Diese Spektren werden über 32.000 optische Fasern aufgenommen und in mehr als 100 Instrumente eingespeist, die als ein großes Instrument zusammenarbeiten: VIRUS für „Visible Integral-field Replicable Unit Spectrograph“.

„Mit VIRUS nutzen wir einen ganz neuen Ansatz im astronomischen Instrumentenbau“, betont Ulrich Hopp von der Universitätssternwarte München. „Statt eines komplexen Instruments mit vielen Aufgaben und Fähigkeiten haben wir ein im Wesentlichen einfaches, aber leistungsfähiges Gerät stark modular gebaut; 78 Kopien zusammen bilden das Instrument VIRUS. Damit das auch funktionierte, mussten wir neue Strategien in Bezug auf Produktion und Qualitätskontrolle entwickeln. Dies macht VIRUS zu einem der fortschrittlichsten astronomischen Instrumente der Welt.“

Die zwei scharzen Blöcke rechts und links des Hauptspiegels des Hobby-Eberly Telescope haben den Spitznamen "die Satteltaschen" bekommen. Es handelt sich hierbei um das VIRUS-Instrument, das mit Dutzenden Spektrographen das HETDEX-Experiment durchführt.

HETDEX ist eine sogenannte „Blindstudie“, die nicht auf bestimmte Ziele ausgerichtet ist, sondern alles in einem bestimmten Bereich des Himmels aufzeichnet. Anschließend sichten die Wissenschaftler dann die Daten, um diejenigen Objekte zu identifizieren, die für die weitere Studie geeignet sind. Um die für das Dunkle-Energie-Projekt benötigte Karte zu erstellen, durchkämmen sie eine Milliarde Spektren auf der Suche nach einem bestimmten Galaxientyp. Das Licht dieser Galaxien war 10 Milliarden bis 11,7 Milliarden Jahre zu uns unterwegs. Sie repräsentieren also eine Epoche, in der das Universum nur wenige Milliarden Jahre alt war.

„VIRUS hat sich als äußerst leistungsfähiges Instrument zur Suche nach Galaxien mit hoher Rotverschiebung im Universum erwiesen“, sagt Maximilian Fabricius, der die Entwicklung der Software am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik geleitet hat. „Aufgrund des großen Sichtfeldes können wir nun große Mengen dieser so-genannten Lyman Alpha Emitter entdecken, und so einen Katalog erstellen, der in seiner Größe alles bisher Mögliche um Größenordnungen übersteigt. Gleichzeitig können wir mit den empfindlichen Instrumenten Strukturen mit geringer Oberflächenhelligkeit untersuchen, die vorher für andere optische Instrumente unzugänglich waren.“

In Zukunft wird ein Algorithmus, der auf künstlicher Intelligenz beruht, die automatische Klassifizierung der Quellen durchführen. Aber schon die erste manuelle Inspektion von mehreren tausend Quellen lieferte einige interessante Ergebnisse. „Wir haben Spektren gemessen von Quasaren, lokalen Galaxien, Sternen, Regionen mit ausgedehnter Lyman-alpha-Emission und sogar Meteore“, präzisiert Daniel Farrow vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, der an der kosmologischen Analyse beteiligt ist. „Unser Hauptaugenmerk bei der Durchmusterung der Dunklen Energie liegt aber auf den Galaxien mit hoher Rotverschiebung, weil sie uns sagen, wie schnell das junge Universum sich ausdehnte.“

Dieses Falschfarbenbild der Feuerrad-Galaxie (Messier 101) zeigt wie leistungsstark das VIRUS-Instrument ist, das speziell für die HETDEX-Studie gebaut wurde. Das Bild ist ein Mosaik, das aus 21 einzelnen Aufnahmen besteht, und erstreckt sich über eine Himmelsregion, die etwa halb so groß ist wie der Vollmond, mit einigen kleinen Lücken in der Abdeckung. Die Farben zeigen den Kontrast zwischen jungen Sternen (blau/weiß) und älteren Sternen (rot/orange).

Im Gegensatz zu einem normalen astronomischen Bild erhalten die Astronomen hier mehr als 1 Million Spektren. Das heißt, für jeden Punkt auf diesem Bild hat VIRUS mit seinen 32.000 optischen Fasern den "kosmischen Fingerabdruck" des Lichts aufgenommen.

Die Spektren zeigen nur vier Beispiele für den "kosmischen Fingerabdruck" von Objekten in dieser Ansicht. Im Uhrzeigersinn von oben links: ein Weißer Zwerg in unserer Galaxie, eine aktive Galaxie in 11 Milliarden Lichtjahren Entfernung, eine Sternentstehungsregion in der Feuerrad-Galaxie in 20 Millionen Lichtjahren Entfernung und eine Galaxie mit hoher Aktivität an Sternentstehung in 3 Milliarden Lichtjahren Entfernung.

Die Spektren dieser weit entfernten Galaxien enthalten Informationen darüber, wie schnell sie sich durch die Ausdehnung des Universums von uns wegbewegen. Auf diese Weise können die Astronomen feststellen, wie sich die Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnt, auf kosmischen Zeitskalen veränderte - was den Schlüssel zur Bestimmung der Natur der dunklen Energie liefert.

„Die HETDEX-Daten sind wahnsinnig aufregend“, führt Eiichiro Komatsu vom Max-Planck-Institut für Astrophysik aus, der an dem Projekt seit dem Start im Jahr 2003 maßgeblich beteiligt ist. „So einen Datensatz haben wir noch nie zuvor gesehen; eine wirklich blinde Studie der Emissionslinien. Aufgrund seiner Neuartigkeit mussten wir uns zahlreichen Herausforderungen stellen, angefangen beim Bau des Instruments, über die Konzeption der Umfrage, bis jetzt dem Sammeln und Kalibrieren der Daten sammelten und ihrer Analyse, um daraus Wissenschaft zu extrahieren. Es war eine aufregende Reise in den letzten 17 Jahren, und wir sind jetzt endlich in der Phase der Entdeckung angekommen, um das Geheimnis der dunklen Energie zu lüften.“

Das HETDEX-Team plant, seine Beobachtungen bis Dezember 2023 abzuschließen. Insgesamt wird die Studie dann eine Milliarde Spektren umfassen.

Mehr Informationen:

HETDEX ist eine große internationale Kollaboration. Das Projekt wird geleitet von der University of Texas at Austin McDonald Observatory and Department of Astronomy unter unterstützt von der Penn State University, der Ludwig-Maximilians-Universität München, des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik, des Instituts für Astrophysik, Göttingen, des Leibniz-Instituts für Astrophysik, Potsdam, der Texas A&M University, der University of Oxford, des Max-Planck-Instituts für Astrophysik, der University of Tokyo und der Missouri University of Science and Technology.

 

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