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Kartierung des frühen Universums in 3 Dimensionen

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Die Erfindung der Computertomografie (CT) führte zu einer Revolutionierung der medizinischen Diagnostik. Wo Röntgenstrahlen nur ein 2 dimensionales Bild des menschlichen Körpers liefern können, erlauben CT Scans einen, viel mehr Details zeigenden, 3 dimensionalen Anblick. Um dies zu erreichen, nehmen CT Scans viele, virtuelle "Scheiben" elektronisch auf, und setzen sie zu einem 3D Bild zusammen.

Eine Technik, die der CT sehr ähnlich ist (Tomografie) ist nun bereit, die Untersuchungen des frühen Universums und dem Ende des kosmischen "Mittelalters" zu revolutionieren. Die Astrophysiker J. Stuart B. Wyithe (University of Melbourne) und Abraham Loeb (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) haben die Größe von kosmischen Strukturen berechnet, die gemessen werden, wenn Astronomen quasi CT scanartige Bilder des frühen Universums aufzeichnen. Diese Bilder werden zeigen, wie sich das Universum in den ersten paar Milliarden Jahren entwickelt hat.

"Bis jetzt waren wir immer beschränkt auf einen einzigen Schnappschuss aus der Kindheit des Universums - den kosmischen Mikrowellenhintergrund" sagt Loeb. "Diese neue Technik lässt uns ein ganzes Album von Babyfotos des Universums sehen. Wir können sehen, wie das Universum wächst und erwachsen wird."

Aufschneiden des Weltraums

Das Kernstück der Tomografie-Technik, beschrieben von Wyithe und Loeb ist die Untersuchung von Strahlung des neutralen Wasserstoffatoms, bei einer Wellenlänge von 21 Zentimetern. In unserer eigenen Galaxie hat diese Strahlung den Astronomen dabei geholfen, den kugelförmigen Halo der Milchstraße zu kartografieren. Um das entfernte, junge Universum zu kartografieren, müssen Astronomen 21 cm Strahlung empfangen, die eine Rotverschiebung aufweist: durch die Expansion des Raumes zu längeren Wellenlängen hin verschoben (und damit niedrigeren Frequenzen).

Die Rotverschiebung hängt direkt mit der Entfernung zusammen. Je weiter eine Wolke aus Wasserstoff von der Erde entfernt ist, desto größer ist die Rotverschiebung ihrer Strahlung. Wenn Astronomen nun nach bestimmten Frequenzen Ausschau halten, können sie dadurch eine "Scheibe" des Universums in einer bestimmten Entfernung aufzeichnen. Mehrere Bilder bei verschiedenen Frequenzen führen dann dazu, dass ein 3 dimensionales Bild des Universums zusammengesetzt werden kann.

"Tomografie ist ein komplizierter Prozess, was der Grund dafür ist, warum er bisher nicht bei hohen Rotverschiebungen benutzt wurde" sagt Wyithe. "Aber er ist auch sehr viel versprechend, weil er es uns erlaubt die ersten paar Milliarden Jahre, in der Geschichte des Universums zu untersuchen."

Ein Seifenblasen Universum

Die ersten Milliarden Jahre sind wichtig, weil zu dieser Zeit die ersten Sterne zu leuchten begannen und sich die ersten Galaxiencluster bildeten. Diese Sterne brannten sehr heiß und emittierten riesige Mengen ultravioletten Lichts, dass die nahen Wasserstoffatome ionisierte, die Elektronen von den Protonen trennte und damit den Nebel aus neutralem Gas wegfegte, dass das frühe Universum füllte.

Junge Galaxiencluster waren bald umrundet von Blasen aus ionisiertem Gas, fast wie Seifenblasen, die in einer Badewanne schwimmen. Als noch mehr ultraviolettes Licht den Raum flutete, wuchsen die Blasen und schlossen sich teilweise zusammen. Etwa eine Milliarde nach dem Urknall, war das gesamte sichtbare Universum ionisiert.

Um das junge Universum zu untersuchen, zu einer Zeit, als die Blasen noch klein waren, müssen Astronomen Scheiben des Weltraums aufnehmen, so als ob sie durch ein Stück Käse schneiden. Loeb sagt, dass es genau wie im Fall des Käses, "wenn die Scheiben des Universums zu dünn sind, treffen wir erneut auf die gleichen Blasen. Der Anblick wird sich nicht verändern."

Um wirklich brauchbare Messungen zu erhalten, müssen Astronomen größere Scheiben aufnehmen, die verschiedene Blasen treffen. Jede Scheibe muss dabei breiter sein, als die Breite einer typischen Blase. Wyithe und Loeb berechnen, dass die größte, einzelne Blase im frühen Universum, etwa eine 30 Millionen Lichtjahre im Durchmesser erreicht haben wird (äquivalent zu mehr als 200 Millionen Lichtjahren Durchmesser im heutigen, expandierten Universum). Diese ausschlaggebenden Vorhersagen geben das Design der Radioinstrumente vor, mit denen die tomografischen Untersuchungen durchgeführt werden können.

Astronomen werden schon bald die Vorhersagen von Wyithe und Loeb's testen, indem sie ein Array von Antennen benutzen, die dafür optimiert sind bei 100-200 MHz Frequenzen des rot verschobenen 21 cm Wasserstoffes zu arbeiten. Kartierung des Himmels bei diesen Frequenzen ist extrem schwierig wegen Interferenzen (Fernsehen und FM Radio), und den Effekten der Ionosphäre der Erde auf niedrig- Frequente Radiowellen. Neue und günstige Technologien werden eine ausgedehnte Kartierung jedoch noch vor dem Jahr 2010 ermöglichen.

"Stuart und Avi's Berechnungen sind wundervoll weil wir, sobald wir unsere Arrays gebaut haben, sie testen können, während wir unsere ersten Blicke in das frühe Universum werfen," sagt Lincoln Greenhill (CfA).

Greenhill arbeitet daran, diese ersten Ausblicke zu ermöglichen. "Mit ein wenig Glück werden wir die ersten Bilder von Hüllen aus heißem Material, um einige der jüngsten Quasare im Universum, anfertigen," sagt Greenhill.

Quelle: Harvard CfA News Release

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