22. juli 2019

Det bliver snart muligt at undersøge begyndelsen af Universet mere nøjagtigt

Måling af kosmisk baggrundsståling:

I Karoo ørkenen i Sydafrika arbejdes der i øjeblikket på at bygge et enormt felt af teleskoper – The Square Kilometer Array (SKA). Ikke mindre end 200 teleskoper stilles op, for at opnå den højest mulige præcision i målingerne af stråling fra Universet.

SKA-MPG teleskopet undersøgelsen blev udført med: Den primære skål har en diameter på 15 meter og kan modtage signaler mellem 1,7 og 3,5 Gigahertz. Den er i øjeblikket installeret i den sydafrikanske Karoo ørken. © South African Radio Astronomy Observatory (SARAO)

Nogle af de mange videnskabelige mål SKA skal opfylde, er test af Einsteins relativitetsteori, undersøgelser af mørk energi og studiet af vor galakses egenskaber, for bare at nævne nogle stykker. Et hold af forskere, heriblandt Sebastian von Hausegger, som netop har færdiggjort sin Ph.d. i teoretisk partikelfysik og kosmologi-gruppen ved Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet,  har de udviklet en plan for at benytte den allerførste prototype, SKA-MPG teleskopet, i Karooen på flere forskellige måder i nær fremtid: Den viden, de nye teleskoper kan skaffe os om vores egen galakse, kan også bruges til studier af den kosmiske baggrundsståling (CMB) – det tidligste billede af universet, vi har. I et detaljeret studie har de undersøgt SKA-MPG teleskopet – en prototype til de teleskoper, der ender med at stå i ørkenen er bygget af det tyske Max Planck, og har allerede nu demonstreret de store fordele selv et enkelt teleskop af denne type vil have for kosmologien. Den tidlige undersøgelse (forecast) blev anført af Aritra Basu fra Bielefeld University og er nu publiceret i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Adskillelsen af forgrund fra baggrund

Den kosmiske mikrobølge baggrundsstråling (CMB) er en rest af dannelsen af vort univers. Dermed bærer den fingeraftrykket af hvordan alt vi er og kender til dannedes. Analyseres den korrekt, kan den fortælle os om det tidlige univers, måske inklusive tyngdebølger, dannet gennem en proces kaldet inflation, som er den førende teori om universets begyndelse – så vi vil naturligvis gerne være i stand til, at studere den så nærgående og præcist som muligt. Imidlertid er alle målinger vi har af CMB forstyrret af strålingen fra vores egen galakse. Denne stråling kaldes forgrundsstrålingen blandt CMB forskerne, for at skelne den fra den ønskede baggrundsstråling. Skal man fjerne denne ”støj” på en videnskabeligt holdbar måde, må man forstå præcist hvad den består af, og hvad der forårsager den. Her kommer de teleskoper, som illustrationen viser, til sin ret.

Sebastian von Hauseggers arbejde som Ph.d. studerende handlede netop om problemet med forgrundsstrålingen. ”Man tager i al sin enkelthed et billede af himlen ved forskellige frekvenser, og ved at spore forskellene i billederne, forstår man bedre hvilken forgrundsstråling de indeholder. Når det er gjort rigtigt, kan det egentlige arbejde med at tolke baggrunden begynde”, forklarer Sebastian. ”Jo flere frekvenser man tager billeder i – jo mere forbedres ens forståelse af de fysiske processer, strukturer og sammensætninger Mælkevejen består af!” SKA-MPG teleskopet er i stand til at måle ved 2048 forskellige frekvenser mellem 1,7 og 3,5 GHz – langt mere, end hvad der tidligere har været muligt.

Forskningsmiljøerne i radio astronomi og CMB astronomi bringes tættere sammen

Sebastian fortsætter: ”Radiostrålingen fra vores egen galakse består mest af elektroner, som farer rundt i den tallerkenformede galakse, og de kan gøre skøre ting. Som en del af min Ph.d. besøgte jeg Astroparticle Physics and Cosmology group ved Bielefeld University I Tyskland. Gruppen har eksperter i galaktisk radiostråling – forgrundsstrålingen. Jeg besøgte dem som en repræsentant fra CMB forskermiljøet, så at sige. Vores egen galakse er ikke videre interessant, når vi ser på den helt store skala, men den indsigt vi kan få fra målinger af dens stråling, kan helt sikkert hjælpe os med at lære mere om dette på den store skala. I dette samarbejde prøvede vi at bringe de to forskningsmiljøer tættere sammen”.

Motiveret af det nye teleskops egenskaber, har forfatterne til denne artikel kunnet lave en langt mere ambitiøs model for de radiostrålings- eller forgrundsstrålingsmålinger end dem, man tidligere har haft. Selv prototypen til SKA-MPG teleskopet har leveret et detaljeringsniveau, som er meget højere end nuværende data, og udsigterne til nye CMB analyser er yderst lovende.



Målet er 200 teleskoper

Målet for ”The Square Kilometer Array”, SKA, er at placere op til 200 teleskoper i den sydafrikanske ørken. I kombination med tusinder af radioantenner vil de faktisk omdanne hele området til et enormt teleskop. Årsagen til at vælge et afsondret område som en ørken er den tørre luft (vanddamp i luften vil forstyrre signalerne) og samtidig er der strenge restriktioner på radiostråling i området (Karoo ørkenen er en såkaldt radio-tavs zone). Det store antal teleskoper vil give SKA en aldrig tidligere opnået præcision. ”I dette øjeblik bygges prototypen på teleskopet, og det forventes at være færdigt i efteråret. Det bliver meget spændende at se, hvilke data det kommer til at give os, når det står der – og endnu mere spændende at se de data, hele feltet af de mange teleskoper leverer”, siger Sebastian.

Videnskabelig publication: Aritra Basu, Dominik J. Schwarz, Hans-Rainer Klöckner, Sebastian von Hausegger, Michael Kramer, Gundolf Wieching, Blakesley Burkhart: CMB Foreground Measurements through Broad-Band Radio Spectro-Polarimetry: Prospects of the SKA-MPG Telescope.  MNRAS, https://doi.org/10.1093/mnras/stz1637, published on July 24, 2019. Reprint in arXiv: https://arxiv.org/abs/1906.04788.