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Rekord und trotzdem einfach

Das neue LOFAR-System eröffnet der Radioastronomie neue Horizonte

  • Von Dieter B. Herrmann
  • Lesedauer: 4 Min.

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Wir haben uns daran gewöhnt, dass wir das Weltall heutzutage in allen nur denkbaren Wellenlängen beobachten. Die Jahrtausende der rein optischen Astronomie sind längst vorüber. Den Beginn machte die Radioastronomie gleich nach dem Zweiten Weltkrieg, als die Technik von den militärischen Entwicklungen des Radars profitieren konnte. Inzwischen hat die Empfangstechnik für Radiowellen aus dem Weltall eine rasante Entwicklung genommen und zugleich unser Wissen in einem Umfang erweitert, der ohne dieses Hilfsmittel unerreichbar gewesen wäre.

Während der optische Teil des Spektrums nur einen ganz schmalen Bereich an Wellenlängen überdeckt (etwa 400 bis 800 Nanometer), erstreckt sich die Bandbreite der sogenannten Radiostrahlung von einigen Zentimetern bis in den Kilometerbereich hinein. Und auf jeder Frequenz erreichen uns andere Botschaften aus dem All. Deshalb benötigt die Forschung auch so viele verschiedenartige Empfängertypen und -systeme. Um eine den optischen Teleskopen vergleichbare Auflösung zu erreichen, müssten die »Radiofernrohre« aber wegen der größeren Wellenlängen der untersuchten Strahlung enorm groß sein. So erreicht der gewaltige 100-Meter-Parabolspiegel von Effelsberg für den Wellenlängenbereich von etwa 3 Millimetern bis 90 Zentimetern trotzdem nur eine Auflösung von etwa 10 Bogensekunden. Für noch längere Wellen wären also noch riesigere Teleskope erforderlich. Bisher hat man sich damit beholfen, mehrere Großteleskope über Kontinente hinweg zusammenzuschalten. Doch die Dimensionierung solcher Teleskope hat ihre Grenzen. Die langwellige Radiostrahlung bleibt weitgehend außen vor.

Deshalb haben jetzt Radioastronomen eine ganz neue Idee entwickelt: LOFAR (Low Frequency Array). Statt der üblichen metallenen Parabolspiegel werden einfache Dipolantennen verwendet. Um für den relativ langwelligen Bereich von etwa 1,2 bis 2,7 Metern sowie 4 bis 30 Metern die hinreichende Auflösung zu erreichen, werden die Antennenfelder über ganz Europa verteilt. Die UKW-Rundfunk-Frequenzen von 87 bis 108 MHz bleiben ausgespart. Beteiligt sind Großbritannien, Schweden, Frankreich, die Ukraine, Italien und Polen. Insgesamt wird es sich nach dem vollständigen Ausbau um 36 Antennenfelder mit je zweimal 96 Dipolantennen handeln. 22 dieser Felder sind bereits fertiggestellt, in Deutschland u.a. in Effelsberg, Tautenburg und unweit von München. LOFAR ist also als Radiointerferometer konzipiert. Durch die Verteilung über ein gewaltiges Areal wirkt das System wie ein einziges gigantisches Teleskop, wenn alle Antennen zusammengeschaltet sind und somit alle Signale zu einem einzigen Signal vereinigt werden. Die Sammelfläche wird insgesamt 0,5 Quadratkilometer betragen.

Die von den verschiedenen Antennen empfangenen Signale treffen natürlich wegen des Abstandes schon bei zwei benachbarten Empfängern nicht völlig gleichzeitig ein. Um aus all den Daten sämtlicher Antennen schließlich ein einziges Bild zu gewinnen, müssen die Phasenunterschiede korrigiert werden. Das erfordert eine enorme Rechenkapazität. Deshalb ist LOFAR eigentlich ein »Software-Teleskop« und nicht denkbar ohne den in Groningen stationierten IBM-Großrechner des Typs »Blue Gene Supercomputer« mit der unvorstellbaren Leistung von 37 Billionen Gleitkommaoperationen (Tera-Flops). Dazu gehört natürlich ein sehr schnelles Datennetz. Speziell reservierte Glasfaserkabel mit einer Kapazität von etwa drei Gigabit pro Sekunde leiten die Daten von allen Messstationen an den Rechner. Dank seiner Konstruktion erfasst das LOFAR-System gleichzeitig Radiostrahlung des gesamten Himmels. Der unverzichtbare Rechner kann daraus eine Karte erstellen, für deren Gewinnung man früher mehrere Jahre benötigt hätte. Die Blickrichtung wird praktisch nur durch die Auswahl eines bestimmten Phasenunterschiedes der ankommenden Wellen festgelegt.

Mit LOFAR lassen sich nun neue wissenschaftliche Zeile anpeilen. Dabei haben es die Forscher besonders auf den Baustoff Nr. 1 des Universums abgesehen, das häufigste Element Wasserstoff. Es emittiert eine Radiostrahlung der Wellenlänge von 21 Zentimetern, die auch größte Distanzen fast unbeeinflusst zu durchdringen vermag. Die Galaxien aus der Frühzeit des Universums sind nun aber wegen der Expansion des Weltalls durchweg sehr weit entfernt. Ihre enormen Fluchtgeschwindigkeiten – je weiter um so größer – führen dazu, dass erhebliche Rotverschiebungen auftreten, so dass auch die Wasserstofflinien weitaus größere Wellenlängen aufweisen. Genau diese Strahlung will LOFAR ins Visier nehmen. Aus den Beobachtungsergebnissen sollen dann Rückschlüsse auf den Prozess der Galaxienbildung gezogen werden. Man erwartet Erkenntnisse über Vorgänge, die sich rund eine Milliarde Jahre nach dem »Urknall« abgespielt haben. Doch das ist noch nicht alles. Verschiedene an dem Projekt beteiligte nationale Gruppen wollen auch die Radiostrahlung der Sonne (Astrophysikalisches Institut Potsdam), Pulsare oder Radiosignale der kosmischen Strahlung untersuchen.

In den Niederlanden, von wo das Projekt 2006 seinen Ausgang nahm, sollen noch weitere Fragen untersucht werden. So will man z.B. seismische Fühler und Windsensoren mit den Antennen verbinden, um Prognosen für Windparks oder seismische Aktivitäten aus den gewonnenen Daten abzuleiten. Die Sammlung, Speicherung, Weiterleitung und Verarbeitung der Daten könnte sogar – so hoffen manche – für die Zukunft des Internets von Bedeutung sein, das ja schließlich einst als »spin off« bei CERN erfunden wurde.

Während LOFAR sich noch im Ausbau befindet, zeichnet sich am Horizont bereits ein internationales »Square Kilometre Array« ab. Die Sammelfläche für Radiostrahlung aus dem All soll dann einen Quadratkilometer betragen. Als Standorte werden Südafrika und Australien diskutiert.

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