Wie präzise ist das Quadratkilometer große Radioteleskop-Array, das ein „riesiges Netz“ webt, um ins Universum zu blicken?

Autor | Zhou Jihao

Wirtschaftsprüfung | Huang Jian

Herausgeber | Zhao Jingyuan

Die Radioastronomie ist eine Disziplin, die astrophysikalische Phänomene durch die Erfassung von Radiostrahlung aus den Tiefen des Universums untersucht. Der Wellenlängenbereich des Radiobandes ist sehr breit. Die vom Boden aus empfangbaren Radiowellenlängen reichen von wenigen Millimetern bis zu mehreren zehn Metern. Sie können interstellare Materie und die Erdatmosphäre durchdringen und eine Fülle astronomischer Informationen transportieren. Herkömmliche Radioteleskope sind jedoch durch die Größe und Empfindlichkeit der Geräte eingeschränkt und haben Schwierigkeiten, schwache kosmische Signale zu erfassen. Das Square Kilometer Array (SKA), das sich derzeit im Bau befindet, ist wie eine Lupe. Es erreicht durch ein großflächiges Radioteleskop-Array und fortschrittliche Synthetic Aperture-Technologie beispiellose Beobachtungsmöglichkeiten.

Die erste Charge von SKA-Low-Antennen wird im März 2024 installiert (Foto mit freundlicher Genehmigung von SKAO)

Der Bau des SKA ist in zwei Phasen unterteilt. Die erste Phase wurde früher oft als SKA1 bezeichnet, heute wird sie allgemein als SKA bezeichnet. Es besteht aus zwei Teilen: dem Niederfrequenz-Apertur-Array (SKA-Low) und dem Mittelfrequenz-Apertur-Array (SKA-Mid). Der Bau dieser Phase begann im Dezember 2022 und soll 2028 abgeschlossen sein. SKA-Low befindet sich in Australien und besteht aus 131.072 kleinen Antenneneinheiten. Jede Antenne ist etwa 2 Meter hoch und hat die Form eines Weihnachtsbaums. Die erste Antennencharge wurde im März 2024 installiert. SKA-Low empfängt hauptsächlich niederfrequente Radiowellen (50 MHz bis 350 MHz) zur Untersuchung der frühen Stadien nach dem Urknall, insbesondere der Zeit der kosmischen Reionisierung. SKA-Mid wird in Südafrika gebaut und aus 197 Parabolantennen mit einem Durchmesser von etwa 15 Metern bestehen. Es wird für den Empfang von Radiowellen mittlerer Frequenz (350 MHz bis 15,4 GHz) und die Bereitstellung hochauflösender Bilder zur Untersuchung von Himmelskörpern wie Galaxien, Pulsaren und Schwarzen Löchern zuständig sein. Die Ausbauphase des SKA war bisher als SKA2 bekannt. Diese Phase ist eine Vision für den weiteren Bau in der Zukunft. Obwohl der genaue Bauinhalt und der Zeitplan noch diskutiert werden, wird erwartet, dass weltweit weitere Antennenfelder hinzugefügt werden, um die Empfindlichkeit und Auflösung des Teleskops weiter zu verbessern.

Künstlerische Konzeption von SKA-Mid (Bild von SKAO)

Nach seiner Fertigstellung wird sich das SKA zahlreichen wissenschaftlichen Forschungsaufgaben widmen, darunter hochaktuellen Themen wie Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, Galaxienentwicklung und großräumige Strukturen sowie schnelle Radioblitze.

Die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB) ist das Nachglühen, das übrig blieb, als das Universum etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall von einem heißen Plasma auf eine Temperatur abkühlte, bei der sich neutraler Wasserstoff bilden konnte. Allerdings werden Beobachtungen der CMB häufig durch Radioquellen im Vordergrund gestört, etwa durch Radioemissionen von Himmelskörpern wie Galaxien und Quasaren. Die hohe Empfindlichkeit und die breite Frequenzabdeckung des SKA können dazu beitragen, diese Vordergrundsignale, insbesondere die Synchrotronstrahlung der Milchstraße und die Radiostrahlung von Quasaren, genau zu messen. Dadurch können Wissenschaftler Vordergrundstörungen in CMB-Daten wirksamer entfernen, wodurch die Genauigkeit der CMB-Beobachtungen verbessert und der physikalische Zustand und der Evolutionsprozess des frühen Universums weiter entschlüsselt werden. Gleichzeitig werden die Beobachtungsmöglichkeiten des SKA es ihm ermöglichen, Galaxien mit hoher Rotverschiebung zu erkennen, die während der Epoche der kosmischen Reionisierung die Hauptquelle der Photonen gewesen sein könnten. Durch das Verständnis der Eigenschaften und der Entwicklung dieser Galaxien können Wissenschaftler die Prozesse während der Epoche der Reionisierung besser verstehen und Modelle der CMB verbessern.

Bild der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (Bild von der ESA)

Durch präzise Messungen von Galaxien und Galaxienhaufen wird das SKA in der Lage sein, ein detailliertes Bild der großräumigen Struktur des Universums zu liefern. Diese Beobachtungen können mit CMB-Daten kombiniert werden, um grundlegende Parameter des Universums, wie etwa die Hubble-Konstante, Materiedichteparameter und Dunkle-Energie-Parameter, genau zu bestimmen. Darüber hinaus kann das System dazu beitragen, die Verteilung der dunklen Materie im Universum zu messen, indem es den Gravitationslinseneffekt beobachtet und seine Daten mit den Linseneffektbeobachtungen der CMB kombiniert, um ein umfassenderes Bild der Verteilung der kosmischen Materie zu erhalten.

Künstlerische Darstellung eines schnellen Radioblitzes, der die Erde erreicht (Foto mit freundlicher Genehmigung des Beijing Planetariums, gezeichnet von Yu Jingchuan)

SKA kann auch zeitnahe Beobachtungen einiger Notfälle liefern. Fast Radio Bursts (FRBs) sind kurze, aber extrem intensive Ausbrüche von Radioenergie, die nur wenige Millisekunden andauern. Gerade wegen ihres plötzlichen und kurzen Auftretens sind die Beobachtung und Untersuchung von FRBs eine Herausforderung. Die hohe Empfindlichkeit und schnelle Reaktion des SKA machen es zu einem idealen Werkzeug für die Untersuchung von FRBs. Durch die Echtzeitüberwachung eines großen Himmelsbereichs wird SKA voraussichtlich mehr FRB-Ereignisse erfassen und präzise Positionsinformationen liefern, wodurch die Quellen der FRBs weiter aufgedeckt werden. Dies wird es den Astronomen ermöglichen, die physikalischen Mechanismen dieser Ereignisse, wie etwa die Verschmelzung von Neutronensternen, die Akkretion Schwarzer Löcher oder heftige Aktivitäten im Zentrum von Galaxien, eingehend zu erforschen.

Stand Juli 2023: Verteilung der am Bau des SKA beteiligten Länder (Bild von SKAO)

Um den Bau und den Betrieb zu koordinieren, gründeten die sieben Gründungsmitglieder (Australien, China, Italien, die Niederlande, Portugal, Südafrika und das Vereinigte Königreich) im März 2019 das Square Kilometer Array Observatory (SKAO) in Rom, Italien, mit Hauptsitz im Jodrell Bank Observatory im Vereinigten Königreich. Derzeit ist die Zahl der SKAO-Mitgliedsstaaten und Beobachterstaaten auf 16 gestiegen, außerdem haben sich acht afrikanische Länder an der Koordinierung beteiligt und in Zukunft werden noch mehr Länder teilnehmen.

Als weltweit größtes Radioteleskop-Array scheint SKA ein riesiges Netz auf der Erde gesponnen zu haben, um die Geheimnisse des Universums einzufangen. Mit dem schrittweisen Aufbau und der Inbetriebnahme des SKA wird die Menschheit in vielen Bereichen bahnbrechende Fortschritte erzielen. Gleichzeitig wird es die Entwicklung der Astronomie erheblich vorantreiben und der Menschheit helfen, die Geheimnisse des Universums weiter zu entschlüsseln.

Verweise

[1] Wu Manqing, Cao Rui, Tao Xiaohui et al. Forschung am Niederfrequenz-Digital-Array-System des weltgrößten Synthetic Aperture Telescope SKA[J]. Scientia Sinica: Informationswissenschaften, 2015, 45 (12): 1600-1614.

[2] Chen Xuelei, Shi Huli. Tianlai-Projekt: Funkdetektion dunkler Energie und das Square Kilometre Array (SKA) [J]. Physik, 2013, 42 (01): 2-11.

[3] Zhang Weicheng. Warum brauchen wir SKA? [J]. Enzyklopädie Wissen, 2012, (13): 4-8.

[4] Wei Xing. Quadratkilometer-Array (SKA)[J]. Chinesische Wissenschafts- und Technologieterminologie, 2018, 20(3):79-79.

[5] Yan Guofeng, Li Changhui, Chen Liang, Zhang Runtao, Liu Lijia. Quadratkilometer-Array (SKA)[J]. Journal of Sichuan Ordnance, 2010, 31(10):124-127.

[6] Porter. Bau eines „Riesenauges“, um ins Universum zu blicken: Eine Einführung in das Square Kilometer Array-Radioteleskop[J]. Weltraumerkundung, 2012(7):46-47.

[7] Er Dong. Experten interpretieren das weltweit größte Radioteleskop-Array[J]. Weltraumerkundung, 2012(2):50-51.

[8] Das Square Kilometre Array, Australia Telescope National Facility, https://www.atnf.csiro.au/projects/SKA/index.html

[9] Die SKA-Teleskope, SKAO, https://www.skao.int/en/explore/telescopes

[10] SKA-Observatorium feiert Beginn des Teleskopbaus in Australien und Südafrika, SKAO, https://www.skao.int/en/news/441/ska-observatory-celebrates-start-telescope-construction-australia-and-south-africa

[11] Jonathan Amos, SKA: Baubeginn für das größte Teleskop der Welt, BBC, https://www.bbc.com/news/science-environment-63836496

[12] SKA-Teleskopspezifikationen, SKAO, https://www.skao.int/en/science-users/118/ska-telescope-pecifications

Wenn Sie weitere Fragen zum Square Kilometer Array haben, hinterlassen Sie bitte eine Nachricht im Kommentarbereich und Xiaoxing wird sie Ihnen nacheinander beantworten~

Folgen Sie dem Toutiao-Konto/Science Popularization China/öffentlichen WeChat-Konto/Sina Weibo „Xingming Observatory“ und spazieren Sie mit Xiaoxing durch die Sterne, um Romantik zu ernten~