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Astronominnen und Astronomen haben das bislang empfindlichste, großflächigste Radiomosaik der Milchstraße bei Niederfrequenzen zusammengesetzt und zeigen damit die Ebene unserer Galaxie in bislang ungewohnter "radiofarbiger" Darstellung. Die Karte vereint Jahre von Beobachtungen und macht sichtbar, wo Magnetfelder, heißes Gas und die Überreste vergangener Sternexplosionen über den Himmel leuchten. Das Ergebnis eröffnet neue Wege, die Entstehung, Entwicklung und Dynamik unserer Galaxie detaillierter zu untersuchen.
How a giant radio mosaic was built
Für ein einheitliches und kohärentes Porträt der Milchstraße bei niedrigen Radiowellenlängen waren zwei sich ergänzende Vermessungen erforderlich, die mit dem Murchison Widefield Array (MWA) in Westaustralien durchgeführt wurden. Zwischen 2013 und 2015 durchmaß die ursprüngliche GLEAM-Umfrage (GaLactic and Extragalactic All-sky MWA) den südlichen Himmel über ein breites Spektrum niederer Frequenzen und lieferte die erste großflächige "Radiofarbe" des Himmels. Nach einem Upgrade im Jahr 2018 lieferte das erweiterte Programm GLEAM-X deutlich höhere Auflösung und Empfindlichkeit und zeichnete feine Strukturen nach, die in der ersten Version verborgen geblieben waren.
Die galaktische Ebene der Milchstraße in Radiolicht
Um die Stärken beider Projekte zu vereinen — die große Abdeckung von GLEAM und die feine Detailauflösung von GLEAM-X — setzten die Forschenden eine neue Verarbeitungsmethode ein, die als image domain gridding bezeichnet wird. Dieses Verfahren richtet Tausende einzelner Aufnahmefelder präzise aus und fügt sie zu einem einzigen, riesigen Mosaik zusammen. Da das Array zu unterschiedlichen Zeiten beobachtete, waren ionosphärische Verzerrungen zu korrigieren: kleine Verschiebungen der Signalpfade, die durch die Dynamik der Erdatmosphäre verursacht werden und andernfalls zu Positionsfehlern zwischen Nächten führen würden. Solche Korrekturen sind entscheidend, um Quellen konsistent zu positionieren und Kantenartefakte im Mosaik zu vermeiden.
Die Anforderungen an Rechenleistung und Datentransfer waren enorm. Die Forschungsgruppe liefere mehr als eine Million Prozessstunden auf den Systemen des Pawsey Supercomputing Centre, um ein durchgehendes Bild zu erzeugen, das etwa 95 % der Milchstraße abdeckt, wie sie vom südlichen Himmel sichtbar ist, und das Frequenzspektrum von 72 bis 231 MHz umfasst. Neben der reinen Rechenzeit erforderte die Produktion auch umfangreiche Kalibrierungs-, Rauschunterdrückungs- und Qualitätssicherungs-Schritte, darunter die Modellierung von Antennenantworten, die Korrektur für Variation in Empfindlichkeit über das Feld und das Entfernen terrestrischer Störquellen (RFI, Radio Frequency Interference).
What the colours mean — reading the galaxy in radio light
Auf der Karte werden Frequenzen als Farben kodiert: die niedrigsten Frequenzbänder erscheinen orange, mittlere Bänder grün und die höchsten Low-Frequency-Bänder blau. Diese "Radiofarbe" erlaubt es, physikalisch verschiedene Prozesse auf einen Blick zu unterscheiden. Breite, orange leuchtende Strukturen zeichnen typischerweise Synchrotron-Emission nach — das heißt, geladene Teilchen, die in Magnetfeldern spiralförmig beschleunigt werden — und sind oft Kennzeichen alter, ausklingender Supernovaüberreste. Blaue Bereiche heben höherfrequente Emissionen aus heißem, ionisiertem Gas hervor und markieren aktive Sternentstehungsgebiete sowie junge Sternhaufen.
Da das Mosaik ein breites Frequenzband abdeckt, können Astronominnen und Astronomen thermische Emission (die von heißem, ionisiertem Gas stammt) und nicht-thermische Emission (verursacht durch kosmische Strahlen und Magnetfelder) zuverlässiger trennen als mit Karten bei nur einer Frequenz. Diese Trennung ist zentral für die physikalische Modellierung des interstellaren Mediums (ISM): sie erlaubt Rückschlüsse auf die Elektronentemperatur, Dichteverteilungen, Energieverteilungen kosmischer Strahlen und die räumliche Struktur des Magnetfeldes. Besonders wichtig ist diese Unterscheidung, wenn es darum geht, schwache und alte Supernovaüberreste aufzuspüren, die in eintönigen Frequenzkarten leicht übersehen werden.
Die spektrale Information hilft auch, Alterungsprozesse von Partikelpopulationen zu messen: synchrone Spektren mit steiler werdendem Sinken bei höheren Frequenzen deuten auf gealterte Elektronenpopulationen hin, während flachere Spektren aktive Beschleuniger wie Pulsar-Wind-Nebel oder junge Supernovae signalisieren können. Darüber hinaus ermöglicht die Farbkodierung eine schnelle visuelle Zuordnung physikalischer Phänomene, was die Priorisierung von Folgebeobachtungen erleichtert.
Science unlocked by the new map
Das Mosaik ist bereits eine Fundgrube für galaktische Forschung. Mit diesen Daten können Forschende jetzt unter anderem:
- Schwache und sehr alte Supernovaüberreste identifizieren, die Hinweise auf die Sterberaten und -typen von Sternen in der Milchstraße liefern sowie die zeitliche Entwicklung von Schockwellen nachvollziehen.
- Die Verteilung und die Energiebilanz kosmischer Strahlen verfolgen, während sie sich durch die galaktische Scheibe bewegen, und so Modelle der Partikeltransportprozesse (Diffusion, Konvektion) testen.
- Magnetfeldmuster über große Bereiche der galaktischen Ebene kartieren, was unser Verständnis von magnetisiertem Turbulenzverhalten, Feldumkehrungen und großräumigen Feldstrukturen verbessert.
- Die Wechselwirkung zwischen Staub, Gas und energetischen Teilchen in Sternentstehungsgebieten untersuchen, um Prozesse wie Sternentstehung, Feedback und Ionisation nachzuzeichnen.
Kurz gesagt liefert das Radiomosaik eine Beobachtungsgrundlage für zahlreiche Folgeuntersuchungen — von gezielten Tiefenbeobachtungen ungewöhnlicher Strukturen bis hin zu statistischen Populationsstudien über die gesamte Ebene. Die multi-frequente, großflächige Abdeckung erlaubt es, systematische Suchläufe nach seltenen Objekten durchzuführen und gleichzeitig die physikalischen Parameterpopulationen in der Milchstraße zu quantifizieren.
Zusätzlich eröffnet das Dataset Synergien mit anderen Wellenlängen: Vergleiche mit Infrarot-, optischen und Röntgensurveys helfen, Sternentstehungsraten, Staub- und Gasverteilung sowie Energetik von Schockphänomenen über ein breites Spektrum an physikalischen Skalen hinweg zu verbinden.
From MWA to SKA-Low: what comes next
Obwohl das neue GLEAM+GLEAM-X-Mosaik die derzeit empfindlichste Karte in diesem Niederfrequenzbereich ist, steht ein noch viel größerer Sprung bevor. Der niederfrequente Teil des Square Kilometre Array, SKA-Low, wird, sobald er voll einsatzfähig ist, um mehrere Größenordnungen empfindlicher sein und eine deutlich höhere Auflösung liefern als das MWA. SKA-Low wird die Untersuchung von noch diffuseren und feinstrukturierten Phänomenen ermöglichen, die mit den aktuellen Instrumenten knapp unterhalb der Nachweisgrenze liegen.
Bis SKA-Low in Betrieb geht, dient dieses Mosaik als Vorschau auf die schwachen, ausgedehnten und komplexen Strukturen, die nächste Generationen von Radioteleskopen detaillierter untersuchen werden. Außerdem liefert das GLEAM/GLEAM-X-Projekt wichtige methodische Grundlagen: die Optimierung von Kalibrierungsstrategien, ionosphärischen Korrekturen und skalierbarer Bild-Kombination sind zentrale Bestandteile für die Verarbeitung großer SKA-Datensätze.
Die Erfahrungen aus dem GLEAM+GLEAM-X-Workflow — insbesondere in Bezug auf Datenmanagement, verteilte Verarbeitung und Qualitätskontrolle — sind bereits jetzt für SKA-Planungen und -Simulationsarbeiten von praktischem Wert. Zudem werden vergleichende Studien zwischen MWA- und späteren SKA-Messungen helfen, systematische Effekte zu identifizieren und langfristige Veränderungen im radiativen Erscheinungsbild der Milchstraße zu überwachen.
Expert Insight
„Diese Karte ist ein Meilenstein“, sagt Dr. Elena Torres, eine Radioastronomin, die nicht zum ursprünglichen Team gehörte. „Die Kombination aus großflächiger Abdeckung und mehrfrequenter Farbinformation verändert, wie wir Folgeuntersuchungen priorisieren. Mit diesem Datensatz können wir subtile Strukturen herausfiltern — die letzten Glutnester alter Supernovae oder unerwartete filamentäre Magnetfeldstrukturen — und neue Fragen zum Lebenszyklus der Milchstraße stellen.“
Über die reine Entdeckung hinaus verfeinert das Mosaik auch Techniken zur Handhabung ionosphärischer Effekte, Kalibrierung und massiver Bildkombination — Methoden, die für die SKA-Ära unverzichtbar sein werden. Mit anderen Worten: Die Forscherinnen und Forscher haben nicht nur eine Karte gewonnen, sondern auch die Werkzeuge geschärft, die für die nächste Generation der Radioastronomie nötig sind.
Technical context and public access
Das Mosaik deckt den Frequenzbereich von 72 bis 231 MHz ab und integriert Daten von 4.096 MWA-Antennen, die über mehrere Quadratkilometer verteilt sind. Die image domain gridding-Technik und die sorgfältige ionosphärische Ausrichtung machten eine nahtlose Addition von Beobachtungen über mehrere Jahre hinweg möglich. Neben den Hauptbildern wurden auch spektrale Karten, Rauschmodelle und Kalibrierungsprodukte erzeugt, die es ermöglichen, wissenschaftliche Fragestellungen auf unterschiedlichen Ebenen anzugehen.
Die Endprodukte werden der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verfügung gestellt, sodass Astronominnen und Astronomen weltweit die Daten für gezielte Objektsuchen, Populationsanalysen und Cross-Matching mit anderen Wellenlängen nutzen können. Öffentliche und kollaborative Zugänge zu großen Datensätzen wie diesem fördern zudem die Entwicklung neuer Analysewerkzeuge, Machine-Learning-gestützter Klassifikatoren und interdisziplinärer Forschungsprojekte.
Für den Moment bietet dieses Radiomosaik eine kraftvolle neue Möglichkeit, unsere Galaxie zu „sehen“ — nicht im sichtbaren Sternenlicht, sondern im Leuchten von Elektronen, Magnetfeldern und den Überresten stellarer Explosionen. Es ist eine Einladung, vertraute Sternbilder in einem völlig anderen Licht zu erkunden und gleichzeitig die methodischen Grundlagen für künftige, noch tiefere Studien zu legen.
Quelle: sciencealert
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