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Radioastronomie : Der Quasar im virtuellen Himmel

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Die Lofar-Station von Tautenburg vor der Kuppel des 2-Meter-Teleskops der Thüringer Landessternwarte Bild: TLS Tautenburg/Michael Pluto

Ein Teleskop muss durchaus nicht wie ein Teleskop aussehen: Am kommenden Samstag wird Lofar („Low Frequency Arrays“), ein quer über den Kontinent reichendes „Radioteleskop der anderen Art“, in Betrieb gehen.

          Die Radioastronomie hat in den vergangenen Jahrzehnten wesentlich zum Verständnis des Universums beigetragen. Zum Beispiel erschloss sich den Wissenschaftlern mit der Entdeckung des ersten Pulsars – eines pulsierenden Neutronensterns, der bei der Explosion eines massereichen Sterns entstanden war – im Jahr 1967 ein ganz neuer Forschungsbereich. Von wenigen Ausnahmen abgesehen ist dabei allerdings der langwellige, niederfrequente Radiobereich ausgeklammert worden, der besonders große Teleskope erfordert hätte, wollte man ebenso effektiv arbeiten wie in andern Spektralbereichen.

          Für Bilder mit hoher Auflösung von kosmischen Objekten bei langer Wellenlänge benötigte man Radioteleskope mit Hunderten oder Tausenden von Kilometern Durchmesser. Dank einer Initiative des Niederländischen Instituts für Radioastronomie („Astron“) und der frühen Beteiligung einiger deutscher Astronomen ist die Lücke in jüngerer Zeit weitgehend geschlossen worden. Am kommenden Samstag wird den Astronomen bei Exloo in den Niederlanden ein europäisches, quer über den Kontinent reichendes „Radioteleskop der anderen Art“ – Lofar („Low Frequency Arrays“) – formal zur Nutzung übergeben. Zwar hat es seine endgültige Ausdehnung noch nicht erreicht, seine Bewährung aber schon bestanden. Es hat gerade das erste hochaufgelöste Bild eines mehrere Milliarden Lichtjahre von uns entfernten Quasars (3C 196) bei Radiowellen im Meterbereich geliefert.

          Blick zurück

          Mit Lofar wollen die Astronomen unter anderem erforschen, wann und wie schnell die ersten Sterne und Galaxien im Kosmos entstanden sind. Damals ionisierten diese Objekte den vorher neutralen Wasserstoff und schufen dabei charakteristische Muster. Der Wasserstoff, der aus der Urzeit des Universums stammt, ist das häufigste chemische Element im Weltall und im gesamten Kosmos verteilt.

          Neutraler Wasserstoff sendet bei einer Frequenz von 1420 Megahertz entsprechend einer Wellenlänge von 21 Zentimetern Strahlung aus, die große Staubwolken praktisch ohne Absorption durchdringt. Mit der 21-Zentimeter-Astronomie konnte deshalb der Aufbau unserer Milchstraße samt der Lage ihrer Spiralarme genau erkundet werden. Bei Galaxien aus der Frühzeit des Kosmos, die Milliarden von Lichtjahren von der Erde entfernt sind, ist die Wellenlänge der Strahlung wegen der sogenannten Galaxienflucht in den niederfrequenten Meter-Bereich verschoben, der jetzt erschlossen werden soll.

          Lofar ist als ein Radiointerferometer konzipiert worden, also als eine Anlage, die aus mehreren verhältnismäßig kleinen, über Hunderte von Kilometern verteilten Teleskopen zusammengeschaltet ist. Die Astronomen haben dabei eine überraschende und nebenbei preiswerte Variante verwirklicht, bei der die herkömmlichen Radioteleskope mit Parabolschalen durch einfache, primitiv erscheinende Antennenfelder ersetzt worden sind. An jedem Standort befindet sich je ein Feld aus 96 einfachen, von Rundfunkgeräten bekannten Dipolantennen für den Empfang von Strahlung zwischen 30 und 3,8 Meter Wellenlänge (10 bis 80 Megahertz Frequenz) und ein Feld aus 96 Zellen mit je vier mal vier Dipolen für 2,7 bis 1,2 Meter Wellenlänge (110 bis 240 Megahertz Frequenz). Der UKW-Bereich dazwischen ist ausgespart, weil die astronomischen Messungen dort zu stark gestört wären.

          Alle Blickrichtungen möglich

          Die Antennen eines jeden Feldes stehen auf ebener Erde. Ihr astronomisches Arbeitsprinzip kann man sich anhand von zwei Dipolantennen klarmachen. Strahlung, die senkrecht von oben kommt, erreicht beide zur selben Zeit – die Grundlage für die Erzeugung eines Bildes von dem gerade beobachteten Objekt. Fällt die Strahlung dagegen schräg ein, erreicht die Wellenfront erst die eine und einen winzigen Moment später die zweite Antenne, wodurch die Phasen der Wellen ein wenig gegeneinander verschoben sind. Das Verfahren, das darauf beruht, wird militärisch seit langem genutzt. Beim „Phased Array“ werden alle Messdaten gespeichert. Im Computer kann man die Signale der ersten Antenne künstlich verzögern und damit den Phasenunterschied beseitigen, als habe es diesen gar nicht gegeben. Damit sind rechnerisch die Voraussetzungen geschaffen, wie sie beim senkrechten Strahlungseinfall herrschen und für die Erzeugung eines astronomischen Bildes notwendig sind.

          Das „Phased Array“ hat unter anderem den Vorteil, dass man mit jedem Antennenfeld zu ein und derselben Zeit Strahlung vom gesamten Himmel erfasst. Auf diese Weise ist innerhalb weniger Minuten eine vollständige Kartierung möglich, die normalerweise Jahre erforderte. Mit dem Computer kann man aber auch durch die Wahl des Phasenunterschiedes jede beliebige Blickrichtung festlegen und aus den gespeicherten Daten ein Bild des entsprechenden Himmelsabschnitts generieren – es ist, als schaute das Teleskop überall gleichzeitig hin. Deshalb wird Lofar auch als virtuelles Teleskop bezeichnet, als digitales Teleskop oder als Softwareteleskop. Der aufwendige Aufbau eines herkömmlichen Teleskops ist durch ein komplexes Rechenprogramm ersetzt.

          Viel Speicher muss sein

          Die Signale der einzelnen Antennenfelder werden im Rechenzentrum der Universität Groningen in einem Großrechner des Typs Blue Gene/P von IBM zusammengeführt, der eine Leistung von 37 Teraflops hat. Die Daten werden von den astronomischen Messstationen mit Raten um drei Gigabit pro Sekunde über eigens gelegte oder speziell reservierte Glasfaserkabel weitergeleitet, zum Beispiel von Effelsberg zum Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn. Von dort geht es über das Deutsche Forschungsnetz (DFN) zum Forschungszentrum Jülich und dann über das niederländische „Surfnet“ nach Groningen. Die aus den Daten berechneten Bilder und Himmelskarten sowie die Zwischenprodukte werden in ein spezielles Datenarchiv geleitet, zu dem das Forschungszentrum Jülich eine Speicherkapazität von tausend Terabyte beisteuert.

          Die erste Station von Lofar ist 2006 bei Exloo in Betrieb gegangen, der in den Niederlanden weitere folgten. In Deutschland arbeitet die erste Station seit November 2007 in Effelsberg in der Eifel. Mittlerweile fertig sind auch die Stationen von Tautenburg bei Jena und Unterweilenbach bei München, eine weitere (Bornim bei Potsdam) steht kurz vor der Vollendung. Eine fünfte deutsche Station ist für Jülich vorgesehen. Insgesamt stehen in Europa derzeit 22 von mindestens 36 geplanten Einzelstationen bereit mit Antennenfeldern in Großbritannien, Schweden, Frankreich, Polen, der Ukraine und Italien. Die deutsche Beteiligung an Lofar ist im Glow-Konsortium („German Long Wavelength“) vereinigt, dem elf Institute angehören, darunter das Astrophysikalische Institut Potsdam, die Max-Planck-Institute für Radioastronomie, für Astronomie und für Astrophysik sowie die Thüringer Landessternwarte in Tautenburg.

          Schlichte Dipolantennen holen jetzt quer über Europa hinweg
          die Sterne und Molekülwolken der Radioastronomen auf die Erde. Die Hauptlast tragen dabei die Computer.

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