Wasserstoffverteilung genauer gemessen

Das bislang schärfste Bild der Milchstraße

Wissenschaftler der Universität Bonn und des Max-Planck-Instituts für Radiostronomie (MPIfR) haben mit bislang unerreichter Genauigkeit den Nordhimmel durchmustert. Mit dem Radioteleskop Effelsberg in der Eifel zeichneten sie die Spektrallinie des atomaren Wasserstoffs auf, der die räumliche Verteilung der Materie in der Milchstraße widerspiegelt.

Der Nordhimmel im Licht des atomaren Wasserstoffs: Das Bild zeigt unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße. Es wurde im Rahmen des „Effelsberg-Bonn HI Surveys“ (EBHIS) aufgenommen. (© Bild: EBHIS-Projekt: Jürgen Kerp (AIfA) und Benjamin Winkel (MPIfR) )

Der „Effelsberg-Bonn HI Survey“ (EBHIS) bildet die Grundlage für zahlreiche Folgeprojekte, bei denen es zum Beispiel um die Geburt von Sternen geht. Die Ergebnisse des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanzierten Projektes sind nun in der Januar-Ausgabe des Fachjournals „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Direkt nach dem Urknall bestand das Weltall nahezu ausschließlich aus Wasserstoff und etwas Helium. Erst als sich die ersten Sterne entwickelten, bildeten sich in ihrem Inneren die weiteren chemischen Elemente. „Auch heute noch macht elementarer Wasserstoff den ganz überwiegenden Teil der Materie im Universum aus, da er die Grundsubstanz aller Sterne ist“, berichtet Privatdozent Dr. Jürgen Kerp vom Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn. Wer die räumliche Verteilung des atomaren Wasserstoffs im Weltraum kennt, erfährt zum Beispiel auch viel über die Entstehung der Sterne, die Dynamik von Galaxien, das Wirken von Schwarzen Löchern sowie über die vergangene und zukünftige Entwicklung unserer Milchstraße.

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30-fach genauer als die Vorgänger-Kartierung
Einen einzigartigen Einblick in diese verborgene Welt bietet nun die komplette Kartierung des Nordhimmels durch EBHIS. Zusammen mit seinem Kollegen Dr. Benjamin Winkel vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn leitet Dr. Kerp von der Universität Bonn das Projekt, das in bisher unerreichter Schärfe die Wasserstoffverteilung zeigt. Die Messungen der 21-cm-Spektrallinie wurden mit dem 100-m-Radioteleskop in Effelsberg in der Eifel durchgeführt. „Vor mehr als 20 Jahren wurde die erste Durchmusterung des Nordhimmels im Licht des atomaren Wasserstoff mit einem 25-m-Teleskop erstellt“, berichtet Dr. Winkel. Der „Effelsberg-Bonn HI Survey“ (EBHIS) stellt jedoch die durch den Wasserstoff nachgezeichnete Verteilung der Materie der Milchstraße rund 30-fach genauer nach. Damals konnte der Himmel nur grob gerastert aufgenommen werden, während EBHIS alle Himmelspositionen in gleicher hoher Qualität abgetastet hat.

Die Forscher können daher nun noch wesentlich kleinere Strukturen im großen Detail studieren, deren Existenz sie vorher nur erahnen konnten. „Zum Vergleich: Wenn man zuvor von einem Heißluftballon auf ein Fußballstadion herunterblickte, konnte man anhand der verschiedenen Farben die Fanblöcke erkennen. Jetzt sehen wir die einzelnen Menschen“, erklärt Dr. Kerp. So lässt sich zum Beispiel nun genau beobachten, wie sich auch heute noch aus dem Wasserstoffgas einzelne Sternentstehungsregionen herausbilden. Die Gaswolken verdichten sich durch ihre eigene Schwerkraft und kollabieren schließlich zu den leuchtenden Himmelskörpern, sobald eine kritische Masse erreicht ist.

Aber nicht nur die Bonner Wissenschaftler und Studierende profitieren von den EBHIS-Daten, da diese nun frei für alle Interessierten via Internet verfügbar sind. Die Genauigkeit von Entfernungsmessungen in der Milchstraße hängt davon ab, wie exakt die Dichte der interstellaren Materie bestimmt ist. Wie Nebel schwächt die interstellare Materie das Licht der Sterne. „Wer die räumliche Verteilung des Wasserstoffs kennt, kann auch viel genauer auf die tatsächliche Leuchtkraft eines Sterns schließen“, nennt Dr. Kerp ein Beispiel.

Das Forscherteam der Universität Bonn und des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie erwartet, dass in den nächsten Jahren und Jahrzehnten viele Wissenschaftler EBHIS als Grundlage für Untersuchungen nehmen und eine Vielzahl von Publikation auf Basis der Wasserstoff-Durchmusterung des Nordhimmels erscheinen.

Forscher entwickelten ihr eigenes Spektrometer aus Mobilfunk-Chips
Bereits im Jahr 2008 startete das Forschungsprojekt. Hierfür wurde in das Radioteleskop in Effelsberg ein spezieller Empfänger eingebaut, der aus sieben Elementen besteht. Die Forscher der Universität Bonn und des MPIfR haben die Spektrometer eigens für diesen Zweck aus Hochgeschwindigkeits-Chips entwickelt, die eigentlich für den Mobilfunkbereich massenweise produziert werden. Vorteil: Sie sind schnell und günstig. Die Forscher programmierten die Chips, damit sie die Radiosignale in Spektren zerlegen. „Mit dem Empfänger können wir zeitgleich eine Fläche von der Größe des Vollmonds am Himmel erfassen“, berichtet der Astronom der Universität Bonn. Schritt für Schritt wurde auf diese Weise in den vergangenen fünf Jahren der Nordhimmel auf die 21-cm-Wasserstofflinie hin gescannt.

Pro Sekunde entstehen durch die Aufzeichnung der Spektren mehrere Megabyte an Daten. Das Forscherteam hat sich in den vergangenen Jahren deshalb zu Meistern in der Verarbeitung großer Datensätze entwickelt. Die Kunst ist es, in dem Datenwust interessante Strukturen zu erkennen. Die Astronomen der Bonner Institute stellen die Himmelsdurchmusterung in entsprechenden Karten dar. „Es handelt sich dabei um das bislang schärfste Bild unserer Milchstraße“, sagt Dr. Kerp. „Wir stehen erst am Beginn von neuen Erkenntnissen über die Entwicklung unserer Milchstraße.“

Publikation:
B. Winkel, J. Kerp, L. Flöer, P. M. W. Kalberla, N. Ben Bekhti, R. Keller, and D. Lenz: The Effelsberg-Bonn HI Survey: Milky Way gas. First data release, Astronomy & Astrophysics, DOI: 10.1051/0004-6361/201527007.

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