Utilising the new generation of radio telescopes for gravitational lens research

• Antragsteller: Dr. Olaf Wucknitz
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 33237274

• Erstellungsjahr: 2013

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Radioastronomie erlebt zur Zeit eine technologische Revolution. Neue Teleskope öffnen Fenster zu unerforschten Frequenzen mit unerreichter Auflösung und Empfindlichkeit. Des weiteren werden bestehende Einrichtungen mit neuen Empfängersystemen ausgestattet, die Empfindlichkeiten und Bildfelder dramatisch verbessern. Unser Ziel ist, diese neuen Möglichkeiten für die Erforschung von Gravitationslinsen (große Massenansammlungen, deren Gravitation das Licht ablenkt und dadurch verzerrte, verstärkte Mehrfachbilder erzeugt) zu nutzen. Eines der Teilprojekte besteht darin, die Nutzung des neuen Internationalen LOFAR Teleskops für die Suche nach im Radiobereich beobachtbaren Gravitationslinsen vorzubereiten. Dieses Teleskop besteht aus vielen über Europa verteilten Stationen. Da der niederländische Teil des Teleskopverbunds zwischenzeitlich deutlich reduziert wurde, und die Entwicklungen der Verfahren zur Auswertung der hochauflösenden Beobachtungen hinterherhinken, haben wir den Fokus unseres Projektes entsprechend angepasst und zulasten der Gravitationslinsen mehr Gewicht auf die Entwicklung für LOFAR gelegt. Diese eigenen Entwicklungen erwiesen sich als extrem wertvoll und sichern uns gegenwärtig eine führende Position im Bereich hochauflösender Beobachtungen mit LOFAR, welche auf die internationalen Stationen und die langen Basislinien angewiesen sind. Es ist uns gelungen, nicht nur die ersten Interferenzsignale (‘fringes’) auf internationalen Basislinien nachzuweisen, sondern auch die ersten hochaufgelösten Bilder mit LOFAR zu erzeugen. Dadurch wurde die jemals im niedrigen Frequenzbereich erzielte Auflösung schlagartig um mehr als eine Größenordnung verbessert. Später haben wir neue Analysemethoden für derartige Daten entwickelt, die inzwischen den Stand der Technik definieren. Die Anwendung ähnlicher Methoden erlaubte uns ferner, die ersten aufgelösten LOFAR-Bilder der Sonne zu erzeugen, was eindrucksvoll den Wert dieser Entwicklungen auch für ganz andere Bereiche beweist. Im Gegensatz zu den von uns untersuchten extragalaktischen Objekten ist die Sonne extrem dynamisch. Zur ihrer Abbildung, aber auch zur Nutzung der Variabilität ausgedehnter Objekte zur Identifikation des Linseneffekts haben wir Abbildungsmethoden für veränderliche Quellen entwickelt. Verwandte Methoden wurden auch zur Nutzung der großen Bandbreiten moderner Radioteleskope entwickelt. Diese fortschrittlichen Abbildungsmethoden verdeutlichen die Mangel der Standardverfahren. Tests verbesserter Methoden an simulierten und beobachteten Daten sind sehr vielversprechend. Ferner wurden Jupiter mit seinen starken niederfrequenten Strahlungsausbrüchen und der Krebsnebel und -pulsar sowie andere Pulsare mit LOFAR beobachtet. Ein neuer Ansatz der Beobachtung des interstellaren ‘scattering’ von Pulsaren wurde mit globalen Beobachtungen mittels ‘Very Long Baseline Interferometry’ (VLBI) entwickelt und durchgeführt. Die höchsten Auflösungen in der Astronomie werden durch VLBI erzielt. Diese Auflösung führt i.allg. zu sehr kleinen nutzbaren Bildfeldern. Im Rahmen unseres Projektes wurde ein extrem effizienter neuer Algorithmus entwickelt, mit dem sich große Bildfelder auch bei den höchsten Auflösungen abbilden lassen. Die benötigte Rechenleistung kann so um mehrere Größenordnungen reduziert werden, was viele der für das ‘Square Kilometre Array’ (SKA) geplanten Beobachtungen erst möglich machen wird. Eines unserer faszinierendsten Beobachtungsprojekte besteht in der Untersuchung einer gelinsten, extrem weit entfernten Galaxie in der ein internationales Team unter unserer Beteiligung zum ersten Mal Wasser im frühen Universum entdeckt hat. Diese Beobachtungen lieferten ein verbessertes Massenmodell der Linse, welches zur Interpretation des gelinsten Signals des Wasser-Masers unverzichtbar ist. Die Analyse bestehender optischer Beobachtungen der Gravitationslinse B0218+357 wurde entscheidend verbessert durch die Entwicklung einer verbesserten Methode zur Kombination vieler HST Aufnahmen, die für die Linsenmodellierung optimiert ist. Die Ergebnisse haben bereits den Wert der hieraus bestimmten Hubble-Konstanten verbessert. Zur Ergänzung dieser beobachtenden Projekte wurden auch theoretische Aspekte des Linseneffekts untersucht. Es ist uns gelungen, ein altes Paradoxon der Gravitationslinsentheorie zu lösen, wonach der Linseneffekt den beobachtbaren Fluss aller gelinsten Objekte verstärken sollte, was mit der Erhaltung des Gesamtflusses nicht vereinbar ware. Die neue Analyse führte u.a. zu einer Modifikation der fundamentalen Poisson-Gleichung der Linsentheorie.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A Deep, High-Resolution Survey of the Low-Frequency Radio Sky. ApJ 673 (2008), 78
  E. Lenc, M. A. Garrett, O. Wucknitz, J. M. Anderson, S. J. Tingay
  
• A gravitationally lensed water maser in the early Universe. Nature 456 (2008), 456
  C. M. V. Impellizzeri, J. P. McKean, P. Castangia, A. L. Roy, C. Henkel, A. Brunthaler, O. Wucknitz
  
• From planes to spheres: about gravitational lens magnifications. MNRAS 386 (2008), 230
  O. Wucknitz
  
• 2010. Efficient wide-field VLBI imaging VLBI and the new generation of radio arrays, 10th EVN symposium, (10th EVN Symposium)100
  O. Wucknitz
  
• Long baseline experiments with LOFAR A New Golden Age for Radio Astronomy, International SKA Forum 2010, (ISKAF2010)058
  O. Wucknitz
  
• Very Large Array observations of the 8 o’clock arc lens system: radio emission and a limit on the star-formation rate. A&A 524 (2010), A79
  F. Volino, O. Wucknitz, J. P. McKean, M. A. Garrett
  
• 2013. Pulsar scattering in space and time 11th EVN symposium, (11th EVN Symposium)049
  O. Wucknitz
  
• Direct model fitting to combine dithered ACS images. A&A 556 (2013), A128
  H. Mahmoudian, O. Wucknitz