Ein Signal aus der Tiefe des Universums und eine Spur zur Dunklen Energie

Ein kanadisches Radioteleskop hat ein extrem schwaches Signal von Wasserstoff aus dem fernen Universum nachgewiesen – und zwar erstmals nur mit seinen eigenen Messdaten. Das ist wichtig, weil Forschende mit genau dieser Methode künftig untersuchen wollen, wie sich das Universum im Lauf seiner Geschichte ausgedehnt hat.

Langfristig könnte das helfen, eine der großen offenen Fragen der Physik besser einzugrenzen: Was steckt hinter der Dunklen Energie?

Das Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment, kurz CHIME, wurde für solche Messungen gebaut. Bisher musste das Forschungsteam seine Daten allerdings mit Galaxienkarten anderer Teleskope abgleichen. Erst dieser Vergleich machte das schwache Wasserstoffsignal sichtbar. Jetzt gelang der Nachweis erstmals direkt in den CHIME-Daten selbst.

Wasserstoff sendet eine verräterische Radiowelle aus

Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum. Neutraler Wasserstoff besitzt eine besondere Eigenschaft: Er sendet Radiostrahlung mit einer Wellenlänge von rund 21 cm aus.

Diese Strahlung entsteht durch einen winzigen quantenmechanischen Übergang im Wasserstoffatom. Für Astronominnen und Astronomen ist sie besonders wertvoll, weil sie sich über Milliarden Jahre durch das All verfolgen lässt.

Während sich das Universum ausdehnt, wird die Radiowelle gestreckt. Ihre ursprüngliche Frequenz von rund 1420 MHz verschiebt sich dabei immer weiter nach unten. Je stärker diese Verschiebung ausfällt, desto länger war das Signal unterwegs.

So können Forschende nicht nur erkennen, wo sich Wasserstoff befindet, sondern auch, aus welcher Epoche des Universums die Strahlung stammt. Wie wichtig die 21-cm-Linie für die Erforschung des frühen Universums ist, haben wir bereits im Beitrag „Das Rauschen der Ursuppe – und was es über die Sterne verrät“ beschrieben.

CHIME sucht nicht nach einzelnen Galaxien

Viele Teleskope versuchen, möglichst viele einzelne Galaxien aufzunehmen und zu vermessen. CHIME geht einen anderen Weg. Das Radioteleskop betrachtet größere Bereiche des Himmels und misst dort die gesamte Radiostrahlung des neutralen Wasserstoffs. Einzelne Galaxien müssen dabei gar nicht sichtbar sein.

Entscheidend ist vielmehr, dass manche Regionen etwas mehr und andere etwas weniger Wasserstoff enthalten. Aus diesen Schwankungen lässt sich rekonstruieren, wie Materie im Universum verteilt ist.

Das Verfahren heißt Hydrogen Intensity Mapping. Vereinfacht gesagt entsteht keine klassische Himmelskarte mit einzelnen Galaxien. Stattdessen erhalten die Forschenden eine Art statistische Landkarte der Wasserstoffverteilung.

Das eigentliche Signal ist extrem schwach

Hier beginnt das technische Problem. Das gesuchte Signal aus dem fernen Universum ist sehr viel schwächer als andere Radioquellen. Radiostrahlung aus unserer Milchstraße überlagert es ebenso wie andere Objekte im All. Hinzu kommen Funkquellen auf der Erde und Störungen, die vom Messsystem selbst verursacht werden.

Das Wasserstoffsignal steckt also in einem großen Berg aus Störsignalen. Die eigentliche Leistung besteht deshalb nicht darin, Radiowellen überhaupt zu empfangen. Die Forschenden müssen aus riesigen Datenmengen genau den winzigen Anteil herausfiltern, der aus dem fernen Universum stammt.

Dafür entwickelte das CHIME-Team seine Datenverarbeitung weiter. Neue Algorithmen erkennen Störsignale besser, korrigieren Fehler des Instruments und trennen Vordergrundstrahlung vom gesuchten kosmischen Signal.

Nachweis mit 12,5 Sigma

Für die aktuelle Untersuchung werteten die Forschenden 94 Beobachtungsnächte aus dem Jahr 2019 aus. Das Ergebnis erreichte eine statistische Signifikanz von 12,5 Sigma.

Zum Vergleich: In der Physik gilt ein Ergebnis ab fünf Sigma normalerweise als ausgesprochen belastbar. Das Team prüfte das Resultat zusätzlich, indem es den untersuchten Frequenzbereich in zwei Teile aufspaltete. Auch dort erschien das Signal erneut.

Das spricht dafür, dass die Forschenden tatsächlich kosmischen Wasserstoff gemessen haben und nicht nur einen bislang unbekannten Fehler in ihren Daten.

Bisher brauchte CHIME Hilfe von anderen Teleskopen

CHIME hatte bereits früher Hinweise auf das 21-cm-Signal gefunden. Damals war dafür jedoch ein Umweg nötig. Die Forschenden verglichen die Radiodaten mit bekannten Positionen von Galaxien und Quasaren. Wenn an denselben Stellen auffällige Radiosignale auftauchten, ließ sich daraus auf neutralen Wasserstoff schließen.

Die neue Messung funktioniert anders. CHIME erkennt die typischen Schwankungen nun direkt in den eigenen Daten. Vereinfacht gesagt suchen die Forschenden nicht mehr danach, ob das Radiosignal zu einer bekannten Galaxie passt. Sie untersuchen stattdessen, ob die Verteilung des Signals selbst das Muster zeigt, das von kosmischem Wasserstoff zu erwarten ist.

Das Signal ist rund acht Milliarden Jahre unterwegs

Die gemessene Radiostrahlung stammt aus einer Epoche, die weit in der Vergangenheit liegt. CHIME erfasste Frequenzen zwischen rund 608 MHz und 708 MHz. Daraus ergibt sich eine sogenannte Rotverschiebung von ungefähr z = 1 bis z = 1,34. Anschaulicher gesagt: Die Forschenden blicken damit etwa 8 Mrd. bis 9 Mrd. Jahre zurück.

Das Licht beziehungsweise die Radiostrahlung, die heute bei CHIME ankommt, begann ihre Reise also zu einer Zeit, als das Universum deutlich jünger war als heute.

Gerade solche weit zurückliegenden Epochen sind für die Kosmologie interessant. Denn nur wenn Forschende verschiedene Zeiten miteinander vergleichen, können sie nachvollziehen, wie sich die Expansion des Universums verändert hat.

Was hat das mit Dunkler Energie zu tun?

Seit Ende der 1990er-Jahre deuten verschiedene Beobachtungen darauf hin, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt. Warum das geschieht, ist bis heute ungeklärt.

Im Standardmodell der Kosmologie wird dafür eine unbekannte Komponente verantwortlich gemacht, die als Dunkle Energie bezeichnet wird. Aktuelle Messungen zeigen allerdings, dass das Bild möglicherweise komplizierter ist. Über die laufende Debatte haben wir im Beitrag „Kosmologie-Streit eskaliert: Beschleunigt sich das Universum überhaupt noch?“ berichtet.

Um mehr über die Dunkle Energie herauszufinden, müssen Forschende möglichst genau messen, wie schnell sich das Universum zu verschiedenen Zeiten ausgedehnt hat.

Dabei helfen charakteristische Muster in der Verteilung der Materie. Solche Muster entstanden bereits im jungen Universum. Sie sind heute noch als bevorzugte Abstände zwischen großen Materiestrukturen messbar. Kosmologen nennen sie baryonische akustische Oszillationen, kurz BAO.

Man kann sie sich vereinfacht als kosmischen Maßstab vorstellen. CHIME soll künftig untersuchen, wie groß dieser Maßstab in verschiedenen Epochen erscheint. Daraus lässt sich ableiten, wie schnell sich das Universum damals ausgedehnt hat.

Noch misst CHIME die Dunkle Energie nicht

Der aktuelle Erfolg ist allerdings nur ein Zwischenschritt. Die Forschenden haben jetzt gezeigt, dass CHIME das schwache Wasserstoffsignal ohne fremde Galaxienkarten erkennen kann. Eine direkte Messung der Dunklen Energie ist das noch nicht.

Dafür müsste das Teleskop deutlich größere Strukturen im Universum vermessen und wesentlich mehr Daten auswerten. Schon 2025 haben wir im Beitrag „Wie ein Ingenieur aus West Virginia das Universum neu vermisst“ beschrieben, wie CHIME und seine Datenverarbeitung für genau diese Aufgabe entwickelt wurden. Der neue Nachweis zeigt nun: Ein wichtiger Teil dieser Methode funktioniert.

Quellen

• The Astrophysical Journal: Detection of the Cosmological 21 cm Signal in Auto-correlation at z ~ 1 with CHIME
• CHIME Collaboration: Detection of the Cosmological 21 cm Signal in Auto-correlation at z ~ 1
• The Astrophysical Journal: Interpretation of 21 cm Auto Power Spectrum Measurement at z ~ 1 by CHIME
• CHIME Collaboration: Interpretation of 21 cm Auto Power Spectrum Measurement at z ~ 1