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HI4PI: Radiokarte des gesamten Himmels im Licht der Wasserstofflinie HI

Hochaufgelöste Himmelskarte aus der Kombination von Messungen mit dem Effelsberg- und dem Parkes-Radioteleskop bei 21-cm Wellenlänge

20. Oktober 2016

Zwei der weltweit größten voll beweglichen Radioteleskope, das 100-m-Teleskop des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie bei Effelsberg, 40 km südwestlich von Bonn, sowie das 64-m-Teleskop bei Parkes, ca. 400 km westlich von Sydney/Australien, wurden dazu eingesetzt, die detaillierte Verteilung des neutralen Wasserstoffs, des häufigsten Elements im Universum, am Nord- und Südhimmel zu vermessen. Heute werden die Daten der kompletten Himmelskartierung im Lichte der Wasserstofflinie unter der Bezeichnung HI4PI den Wissenschaftlern zur Verfügung gestellt. Sie zeigen eine Vielzahl von Details in der großskaligen Struktur des Gases in unserer Milchstraße und benachbarter Galaxien. HI4PI ist das Ergebnis der gemeinsamen Anstrengung von Wissenschaftlern in vielen Ländern und stellt einen Meilenstein auch für die Zukunft dar.

Die Ergebnisse werden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift “Astronomy & Astrophysics” veröffentlicht.
<p><em>Der gesamte Himmel im Licht des neutralen Wasserstoffs (HI), aufgenommen mit den Parkes- und Effelsberg-Radioteleskopen. Unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße, erscheint hier als hell leuchtendes Band entlang des Himmels mit dem Galaktischen Zentrum in der Bildmitte. Zwei benachbarte Zwerggalaxien (die Große und die Kleine Magellanische Wolke) sind auffällig sichtbar in Orange unterhalb der Milchstraßenebene. Sie sind umgeben von einer großen Menge von Gas, das durch gravitative Wechselwirkung aus beiden Galaxien herausgerissen wurde. Die HI-Strahlung der Andromedagalaxie (M31) und der benachbarten Dreiecksgalaxie (M33)wird in Form von hellen purpurfarbenen Ellipsen im linken unteren Bereich der Karte sichtbar. Die relative Geschwindigkeit des Gases erscheint kodiert mit unterschiedlichen Farbwerten, während die Intensität der Strahlung durch die Helligkeit der Farben wiedergegeben wird.  </em></p> Bild vergrößern

Der gesamte Himmel im Licht des neutralen Wasserstoffs (HI), aufgenommen mit den Parkes- und Effelsberg-Radioteleskopen. Unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße, erscheint hier als hell leuchtendes Band entlang des Himmels mit dem Galaktischen Zentrum in der Bildmitte. Zwei benachbarte Zwerggalaxien (die Große und die Kleine Magellanische Wolke) sind auffällig sichtbar in Orange unterhalb der Milchstraßenebene. Sie sind umgeben von einer großen Menge von Gas, das durch gravitative Wechselwirkung aus beiden Galaxien herausgerissen wurde. Die HI-Strahlung der Andromedagalaxie (M31) und der benachbarten Dreiecksgalaxie (M33)wird in Form von hellen purpurfarbenen Ellipsen im linken unteren Bereich der Karte sichtbar. Die relative Geschwindigkeit des Gases erscheint kodiert mit unterschiedlichen Farbwerten, während die Intensität der Strahlung durch die Helligkeit der Farben wiedergegeben wird. 

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Atomarer Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum. Er ist überwiegender Bestandteil von so gut wie allen Himmelsobjekten wie z.B. Sterne, Galaxien und sogar Galaxienhaufen. Wasserstoff besteht aus nur einem Proton im Kern und ist damit auch das einfachste Element, das sich bereits in der ursprünglichen Elemententstehung im Urknall gebildet hat. Wenn das Proton mit einem Elektron kombiniert wird, liegt neutraler Wasserstoff vor, der auch als HI bezeichnet wird. Zusätzlich zu den bekannten Spektrallinien des Wasserstoffs in optischen Wellenlängen wird extrem schwache Linienstrahlung des Wasserstoffs auch im Radiobereich beobachtet; die sogenannte 21cm-Linie. Die so abgestrahlte Energie ist extrem gering, aber durch die riesige Menge von Wasserstoff im Universum kann die 21cm-Linie in fast allen kosmischen Bereichen nachgewiesen werden, sogar weit außerhalb von Galaxien.

Im Jahr 1951 ist es drei Forschergruppen unabhängig voneinander zum ersten Mal gelungen, 21cm-Linienstrahlung von HI nachzuweisen. Heute, 65 Jahre später, veröffentlicht eine internationale Kollaboration von Wissenschaftlern aus aller Welt, unter der Bezeichnung HI4PI einen Spektralatlas des gesamten Himmels im Lichte der 21cm-Linie des neutralen Wasserstoffs. HI4PI steht als Akronym für HI über den ganzen Himmel (wobei die Oberfläche einer kompletten Kugel einen Flächeninhalt von 4 PI Steradian aufweist). Die HI4PI-Kollaboration, geleitet von einem deutschen Team von der Universität Bonn und dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), präsentiert ihre Resultate in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Astronomy and Astrophysics".

Mit modernen Radioteleskopen ist es recht einfach, HI in so gut wie jeder Richtung am Himmel nachzuweisen. Eine Kartierung des gesamten Himmels ist aber nach wie vor extrem zeitintensiv und aufwändig in Bezug auf die geleistete Arbeit. Die komplette Kartierung erforderte mehr als eine Million individueller Beobachtungen mit zwei der größten Radioteleskope der Erde, dem Effelsberg-100m-Radioteleskop bei Bonn und dem Parkes-64m-Radioteleskop in Australien. Insgesamt wurden einige Dutzend Terabyte an Daten aufgenommen. Die Rohdaten wurden von den Astronomen in Bonn zur nun fertigen Himmelskarte verarbeitet. „Neben einer sorgfältigen Kalibration der Daten mussten wir eine Reihe von Störsignalen entfernen. Im Fachjargon nennt der Astronom dies Radiointerferenzen (Radio Frequency Interference), die unter anderem von Telekommunikations- und Fernsehstationen oder auch RADAR-System hervorgerufen werden. Sie können die schwachen Radiosignale kosmischen Ursprungs komplett überlagern“, erklärt Benjamin Winkel vom MPIfR, der im Rahmen der HI4PI-Kollaboration für Datenaufnahme und Datenverarbeitung verantwortlich ist. „Der Rechenaufwand für die Verarbeitung war gewaltig, zu Tausenden von Stunden Beobachtungszeit sind noch einige Tausend Stunden für die Datenanalyse am Rechner hinzugekommen.“ 

Die neuen Beobachtungen wurden nur dadurch möglich, dass die technische Ausstattung der Radioteleskope im Lauf des letzten Jahrzehnts enorm verbessert wurde. Zum einen haben neue Multipixel-Empfangssysteme die Messgeschwindigkeit um nahezu eine Größenordnung erhöht, zum anderen stehen inzwischen sehr leistungsfähige Spektrometer auf der Basis von neuartigen Digitalprozessoren für eine hohe Bandbreite zur Verfügung. Der bisherige Standard von Himmelskartierungen in der HI-Linie wurde durch die Leiden-Argentinien-Bonn-Kartierung (LAB) gesetzt, die auf Messungen mit Radioteleskopen der 30m-Klasse basiert. HI4PI hat eine zweimal höhere Empfindlichkeit und viermal bessere Winkelauflösung im Vergleich zu LAB.

Da der neutrale Wasserstoff überall im Universum vorkommt, wird HI4PI eine wichtige Referenzquelle für Forscher in vielen Bereichen der Astronomie darstellen, um sie mit Beobachtungsdaten in allen möglichen Wellenlängen zu vergleichen. Beispielsweise werden Röntgen- und Gammaphotonen zum Teil absorbiert, gestreut oder in andere Wellenlängen re-emittiert, wenn sie während ihrer kosmischen Reise das Wasserstoffgas in unserer Milchstraße durchdringen. Die Verteilung von HI in der Milchstraße hat also maßgeblichen Einfluss auf die Analyse von Beobachtungen im Hochenergiebereich von Röntgen- und Gammastrahlen. Mit den HI4PI-Daten wird es möglich, diese störenden Effekte für kosmische Signale aus großen Entfernungen zu korrigieren und damit quasi das Fenster ins ferne Universum zu reinigen.    

Auch für Forscher, die die Verteilung des Gases in der Milchstraße selbst untersuchen, stellt HI4PI ein wertvolles Hilfsmittel dar. Mit der verbesserten Empfindlichkeit und Winkelauflösung der neuen Daten können nun wesentlich detailliertere Strukturen im interstellaren Medium dargestellt werden. „Viele Untersuchungen, die unter Verwendung von vorab zugänglich gemachten Daten von HI4PI bereits in den vergangenen Jahren veröffentlicht wurden, haben schon neue Erkenntnisse und erstaunliche wissenschaftliche Ergebnisse erbracht“, sagt Peter Kalberla von der Universität Bonn, der leitende Senior-Wissenschaftler im Projekt.  

„HI4PI setzt Maßstäbe für die kommenden Dekaden“, schließt Jürgen Kerp von der Universität Bonn, Projektkoordinator und leitender Wissenschaftler von HI4PI. „Auch wenn zukünftige Teleskope wie das „Square Kilometre Array“ (SKA) sowohl die Empfindlichkeit als auch die Winkelauflösung von Radiobeobachtungen in ganz neue Bereiche bringen werden, so sind solche Interferometer bauartbedingt leider unempfindlich für die ausgedehnte diffuse Komponente des Wasserstoffgases. HI4PI wird auch hier eine erstklassige Quelle darstellen, um die SKA-Daten mit den fehlenden Informationen zu vervollständigen.“

Die HI4PI-Daten sind für alle Interessierten auf Anfrage vom CDS-Datenzentrum in Straßburg zugänglich.

<p><em>Zwei der größten Radioteleskope der Erde wurden für die Vermessung des gesamten Himmels im Rahmen des HI4PI-Projekts eingesetzt: das Effelsberg-100m-Radioteleskop bei Bonn (links) und das Parkes-64m-Radioteleskop 400 km westlich von Sydney/Australien (rechts).   </em></p> Bild vergrößern

Zwei der größten Radioteleskope der Erde wurden für die Vermessung des gesamten Himmels im Rahmen des HI4PI-Projekts eingesetzt: das Effelsberg-100m-Radioteleskop bei Bonn (links) und das Parkes-64m-Radioteleskop 400 km westlich von Sydney/Australien (rechts).  

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Das Autorenteam umfasst die HI4PI-Kollaboration: N. Ben Bekhti, L. Flöer, R. Keller, J. Kerp, D. Lenz, und B. Winkel, sowie J. Bailin, M. R. Calabretta, L. Dedes, H. A. Ford, B. K. Gibson, U. Haud, S. Janowiecki, P. M.W. Kalberla, F. J. Lockman, N. M. McClure-Griffiths, T. Murphy, H. Nakanishi, D. J. Pisano, und L. Staveley-Smith.

 
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