LOFAR – Hightech-Astronomie bei niedrigen Radiofrequenzen

Auf einer Landkarte Mittel- und Westeuropas sind mit markanten Punkten die Standorte der LOFAR-Empfangsstationen gekennzeichnet. Von den diversen Punkten verlaufen dünne Linien zur Kernstation von LOFAR in den Niederlanden.
Empfangsstationen des Radioobservatoriums LOFAR in Europa

Das Low Frequency Array (LOFAR) ist derzeit das weltweit größte Radioteleskop, das Radiowellen bei Frequenzen zwischen 10 und 250 Megahertz messen kann. Seine 50 Empfängerstationen sind über sieben europäische Länder verteilt. Astronominnen und Astronomen können mit den Antennen von LOFAR eine Reihe von Vorgängen im Weltall erforschen, etwa die Aktivität der Sonne oder die Entwicklung des frühen Universums.

Nahezu jegliche Information über das Universum erreicht uns in Form von elektromagnetischer Strahlung. Das elektromagnetische Spektrum reicht von den Radiowellen über das sichtbare Licht bis hin zu UV-, Röntgen- und Gammastrahlung. Und je nachdem welchen Bereich wir davon betrachten, offenbart sich ein anderes Bild des Weltalls. Denn manche astrophysikalischen Prozesse, wie beispielsweise Sternexplosionen, strahlen Energie bevorzugt bei bestimmten Wellenlängen ab. So können Astronominnen und Astronomen im hochenergetischen Gamma- oder Röntgenbereich völlig andere Phänomene registrieren als im optisch sichtbaren Weltall – genauso im Infrarotbereich oder bei Radiofrequenzen. Beispielsweise empfangen wir vom Wasserstoffgas aus der Frühzeit des Universums Radiowellen, deren Frequenzen zwischen 70 und 200 Megahertz liegen. Um solche Ereignisse beobachten zu können, fehlte es bisher an Möglichkeiten. Das internationale Radioteleskop LOFAR, kurz für „Low Frequency Array“, schließt diese Lücke und öffnet damit ein neues Fenster zum All.

Mit der neuartigen Technologie von LOFAR können Astronominnen und Astronomen seit 2012 den Himmel im aus astronomischer Sicht niedrigen Frequenzbereich der Radiowellen beobachten. Das Radioteleskop setzt sich aus derzeit 50 Empfängerstationen zusammen, die über sieben Länder in Europa verteilt sind. Der Hauptsitz befindet sich in den Niederlanden, wo auch 37 Empfangsstationen platziert sind. Dort, am Niederländischen Institut für Radioastronomie (ASTRON) in Dwingeloo, wurde das wissenschaftliche sowie technologische Konzept entwickelt. Das Institut ist Teil einer Kooperation mit Partnereinrichtungen aus Deutschland, Frankreich, Irland, den Niederlanden, Polen, Schweden und dem Vereinigten Königreich.

Die beiden am weitesten voneinander entfernten Empfängerstationen der LOFAR-Anlage haben einen Abstand von 1500 Kilometern. Für den Betrieb werden diese digital zu einem großen Empfänger zusammengeschaltet. Damit ist LOFAR derzeit das weltweit größte Radioteleskop, das empfindlich für Frequenzen im Bereich der Kurzwelle und Ultrakurzwelle ist – das ist der Bereich von zehn bis 250 Megahertz (Millionen Schwingungen pro Sekunde). Die großen klassischen Radioteleskope mit ihren beweglichen Parabolspiegeln empfangen Frequenzen, die zwischen zehn- und vierhundertmal so hoch sind.

Ausblick auf die Radiowellen im Universum

Hantelartige Struktur mit Filamenten. Im Vordergrund sind einige Sterne unserer Milchstraße.
Radiostrahlung der Galaxie M87

Die Forschenden haben LOFAR konzipiert, um bisher unbekannte Bereiche des jungen Universums zu erforschen. Beispielsweise interessieren sie sich für die sogenannte Reionisierungsphase, in der das Universum erst 150 Millionen bis 1 Milliarde Jahre alt war. Damals entstanden die ersten Strahlungsquellen und ionisierten den bis dahin neutralen Wasserstoff. Das heißt, Elektronen wurden aus den Wasserstoff-Atomen geschlagen und sendeten Strahlung ins Weltall aus. Diese Strahlung ist heute noch messbar – durch die sogenannte Rotverschiebung im Radiobereich. Durch ihre Intensität können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler feststellen, wie dicht die Materie in dieser Frühphase des Universums verteilt war. Von Ergebnissen wie diesen erhoffen sich die Forschenden zum einen, mehr über die Natur der ersten Strahlungsquellen zu erfahren. Zum anderen können die Erkenntnisse auch helfen, die weitere Entwicklung des Universums und die Entstehung von größeren Galaxien zu verstehen.

Außerdem soll das neuartige Radioteleskop weitere Erkenntnisse über die kosmische Strahlung sammeln, die heute noch in Form von geladenen Teilchen auf Atmosphäre und Oberfläche der Erde einprasselt. Denn die von einigen dieser Teilchen abgegebene elektromagnetische Strahlung liegt in genau dem niederfrequenten Radiobereich, bei dem LOFAR misst. Anhand dieser Radiostrahlung können die Forschenden einiges über Stärke und Ausdehnung der intergalaktischen Magnetfelder lernen, die Galaxien und Galaxienhaufen durchziehen. Außerdem lassen die Radiowellen Rückschlüsse auf die Eigenschaften der kosmischen Teilchen zu. Weitere Einsatzfelder des Radioteleskops sind sowohl die Erkundung der Struktur von Spiralgalaxien wie auch die Sonnenaktivität und das damit verbundene Weltraumwetter. Nur mit LOFAR sollte eine ganz spezielle Objektklasse beobachtbar sein: extrasolare Planeten größer als Jupiter, die Radiopulse aussenden. Bisher wurden sie allerdings noch nicht gefunden. An deutschen LOFAR-Stationen beobachten die Forschenden außerdem konzentriert Pulsare – also schnell rotierende Neutronensterne – die hauptsächlich Radiosignale aussenden.

Die Technik hinter der Forschung

Mannshohe Stangen auf einem quadratischen Drahtgitter. Von den Stangenspitzen gehen im 45-Grad-Winkel Drähte zu den Ecken des Gitters. Mehrere solcher Gitter-Stab-Draht-Konstruktionen stehen in einer Gruppe zusammen.
LOFAR-Antennen für den Niedrigfrequenzbereich (LBAs)

Anders als bei herkömmlichen Radioteleskopen, die mit einer großen, beweglichen und mechanisch daher sehr aufwändigen Parabolantenne ausgestattet sind, dienen bei LOFAR Anordnungen von mehreren einfachen Dipolantennen als Empfänger. Anstatt durch die Sammeleigenschaft des Parabolspiegels eine Richtwirkung zu erreichen, werden die Radiowellen bei LOFAR durch extrem schnelle Signalverarbeitungsrechner analysiert. Die Richtung, aus der die Radiosignale die Erde erreichen, kann so im Computer rekonstruiert werden.

Die Dipolantennen bestehen jeweils aus zwei gleich langen Metallstäben und sind für Beobachtungen bei Frequenzen von zehn bis 250 Megahertz ausgelegt. Den Bereich von zehn bis 90 Megahertz decken sogenannte LBA-Empfänger (Low Band Antennas) ab, den Bereich von 110 bis 250 Megahertz HBA-Empfänger (High Band Antennas). Der Frequenzbereich zwischen 90 und 110 Megahertz wird ausgespart, da er durch den UKW-Rundfunk belegt ist. Auch in den übrigen Frequenzbereichen gibt es irdische Anwendungen, die die astronomischen Beobachtungen beschränken.

24 regelmäßig angeordnete Quadrate mit jeweils ca. 4 Meter Kantenlänge auf einem Acker.
Empfänger für den höherfrequenten Bereich (HBAs)

Die Antennen für beide Frequenzbereiche funktionieren nach demselben Prinzip. Dennoch unterscheiden sich die LBA- und HBA-Empfängerstationen abgesehen von der Länge der Dipolstäbe auch in ihrer Bauweise. Die LBA-Stationen bestehen aus zwei abgeknickten Dipolstäben, die im rechten Winkel zueinander angeordnet sind. Für die kurzwelligeren HBA-Stationen sind 16 Dipole in einem vier-mal-vier-Gitter angeordnet. Die Schwingungseigenschaften dieser Antennenstationen dienen schon als erstes Filter für die gewünschten Frequenzbereiche.

Direkt mit den LBA- und HBA-Stationen sind die Analog-Digital-Wandler verbunden. So werden die Radiosignale in digitaler Form zur Auswertung gesendet. Die Antennenfelder sind über Hochgeschwindigkeits-Datenleitungen mit der Zentrale in den Niederlanden verbunden. Über die Signalverarbeitungscomputer lassen sich so die über Europa verteilten Stationen zu einem einzigen Teleskop zusammenschalten. Dieses Prinzip der sogenannten Baseline-Interferometrie kombiniert die Radiowellen und macht rechnerisch Details sichtbar, wie sie nur mit einer viel größeren Parabolspiegel-Antenne erreicht werden könnten. Die Verbindungslinie zwischen den einzelnen Teleskopen – die „Baseline“ (englisch für Basislänge) – bestimmt die Detailschärfe: Je größer die beobachtete Wellenlänge (also je niedriger die Frequenz) ist, desto länger muss die Basislänge eines Radioteleskops sein, um ein Objekt einer bestimmten Größe erkennen zu können. Die größtmögliche Basislinie von LOFAR beträgt 1500 Kilometer. Im niedrigen Frequenzbereich (LBA) liefert LOFAR erstmals eine hohe Empfindlichkeit mit entsprechender räumlicher Auflösung von typischerweise vier bis hinunter zu 0,3 Bogensekunden. Das entspricht einer Auflösung, die auch mit den besten optischen Teleskopen erreicht werden kann.

Mehrere Empfangsstationen in einer feuchten Wiesenlandschaft. Darüber synthetisch eingezeichnet die Bahnen von Teilchenschauer, die schräg von oben kommen und nach unten auffächern.
LOFAR detektiert Teilchen kosmischer Strahlung

Mit der Dipolantennen-Konstruktion von LOFAR lässt sich außerdem anders als mit Parabolspiegeln prinzipiell der gesamte Himmel einer Erdhalbkugel auf einmal beobachten. Lediglich die Rechenleistung der Signalprozessoren beschränkt heute die Auswertung der Daten auf einige Beobachtungsrichtungen gleichzeitig. Ebenfalls nur durch die Rechenleistung begrenzt ist die Fähigkeit von LOFAR, die zeitliche Veränderung von Objekten zu untersuchen.

LOFAR dient mit seiner neuartigen Technologie als Vorläufermodell des geplanten Square Kilometer Array. Diese Radioteleskop-Anordnung wird mit Empfangsstationen in Südafrika und Australien über große Distanzen verteilt sein und soll einen sehr weiten Bereich von Radiofrequenzen empfangen können.

Deutsche Beteiligung an LOFAR

Das internationale Teleskopprojekt wartet mit einer völlig neuartigen Technologie in der Radioastronomie in Europa auf und ist daher auch für Deutschland von großer forschungspolitischer Relevanz. LOFAR hat die europäische Position in der Radioastronomie gestärkt. Kooperationen deutscher Forschungseinrichtungen im LOFAR-Projekt haben die Sichtbarkeit der nationalen Radioastronomie im internationalen Umfeld ungemein erhöht.

LOFAR-Station von oben: Scheinbar ungeordnet stehen die LBA-Empfangsstationen auf einer Wiese. Daneben geordnet und mit einer Folie abgedeckt ein Feld von Quadraten, die die HBA-Empfangsantannen verbergen.
LOFAR-Empfängerstation in Effelsberg

In Deutschland stehen an den sechs Standorten Effelsberg, Unterweilenbach, Tautenburg, Bornim, Jülich und Norderstedt jeweils Empfängerstationen, die zum Teleskopnetzwerk LOFAR beitragen. Sie werden von Universitäten, den Max-Planck-Instituten und einem Leibniz-Institut betrieben. Zudem stellt das Forschungszentrum Jülich einen der drei größten Rechencluster zur Datenspeicherung und -verarbeitung innerhalb von LOFAR bereit. Aber auch eine Vielzahl weiterer Arbeitsgruppen aus dem Bereich der Radioastronomie an Universitäten und Forschungsinstituten der Max-Planck-Gesellschaft sowie der Leibniz-Gemeinschaft arbeiten an dem ambitionierten Astronomie-Projekt mit.

Das Bundesforschungsministerium fördert das Projekt seit 2008 mit Mitteln der Verbundforschung mit insgesamt 4,1 Millionen Euro. Davon sind 1,7 Millionen Euro in den Bau der beiden Stationen in Jülich sowie der Empfängerstation in Norderstedt geflossen. Mit 154 000 Euro wurde der Anschluss der Sternware Tautenburg an das Datennetz finanziert.

Alle an LOFAR beteiligten Institute tragen mit finanziellen Mitteln oder durch Leistungen wie Softwareentwicklung und Kapazitäten zur Datenverarbeitung zu LOFAR bei. Das Bundesforschungsministerium fördert gerade Forschungsgruppen von kleineren Einrichtungen, damit auch diese die Chance haben, an solchen Großprojekten mitzuarbeiten.

Steckbrief LOFAR – Low Frequency Array

Typ:

Radioteleskop-Anordnung

Funktionsweise:

Dipolfeld mit computerbasierter Interferometrie („Softwareteleskop“)

Standort:

Hauptstandort Niederlande, bei Exloo; weitere in Europa

Anzahl der Stationen:

50, davon 37 in den Niederlanden und sechs in Deutschland

Standorte in Deutschland:

Effelsberg, Unterweilenbach, Tautenburg, Bornim, Jülich und Norderstedt

Einweihung:

2010

Beginn des Wissenschaftsbetriebs:

2012

Empfängertyp:

Dipolantennen

Niederfrequenzband:

10 bis 90 Megahertz (Low Band Antennas, LBAs)

Hochfrequenzband:

110 bis 250 Megahertz (High Band Antennas, HBAs)

Low-Band-Station:

96 Dipolantennen


High-Band-Station:

96 Empfänger mit je 4 mal 4 Dipolantennen

Maximale Basislänge (Baseline):

1500 Kilometer

Träger:

ASTRON, Netherlands Institute for Radioastronomy, gemeinsam mit beteiligten Ländern beziehungsweise den dort beteiligten Einrichtungen

Beteiligte Länder:

Deutschland, Frankreich, Irland, Niederlande, Polen, Schweden, United Kingdom

Rechtsform:

Gründung nach niederländischem Recht