SKA – Die größte Radioteleskop-Anlage der Welt

Gleich mehrere grundlegende Rätsel der Astrophysik wird das SKA Observatorium angehen - von extremen Phänomenen im All bis zu den Anfängen des Universums und des Lebens:

Was geschah in den Jahrmillionen und -milliarden nach dem Urknall, als die ersten Sterne und Galaxien entstanden? Um diese Frage zu beantworten, spielt Wasserstoff eine entscheidende Rolle - und die SKA-low Teleskope sind darauf spezialisiert, die Strahlung des Wasserstoffs aus dem Weltall zu analysieren. Auch die Expansion des Kosmos gibt heute noch immer Rätsel auf, die das SKA lösen will, indem es die Rolle der mysteriösen Dunklen Energie erforscht.

Galaxienpaar NGC 4676

Außerdem erhoffen sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom SKA, die Allgemeine Relativitätstheorie im Umfeld extrem starker Gravitation - etwa in der Nähe supermassereicher Schwarzer Löcher - zu testen. So wird SKA auch einen Blick auf das Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxis, der Milchstraße, werfen. Zudem wollen Sie das interstellare Medium und dessen Rolle für die Sternentstehung und -entwicklung besser verstehen und noch offene Fragen rund um unseren nächsten Stern, die Sonne, klären.

Weitere Forschungsziele sind die Erforschung von Schnellen Radioblitzen, dem Magnetismus im All, der Dunklen Materie sowie der Entstehung von Leben.

An 512 Stationen in Australien werden je 256 Antennen Radiowellen niedrigerer Frequenz messen. Dieser Teil des Observatoriums heißt daher SKA-Low. Die einzelnen Antennen ähneln eher drähternen Weihnachtsbäumen und sind ideal geeignet, um Strahlung zwischen 50 und 350 MHz zu detektieren. Sie filtern die zu messende Signale heraus und können den ganzen Himmel vermessen – die Fokussierung auf das zu beobachtende Himmelsobjekt erfolgt durch die Datenverarbeitung. SKA-Mid in Südafrika hingegen besteht aus Radioteleskopen mit je einer 15-Meter durchmessenden, extrem glatten Empfangsschüssel. Ein Reflektor leitet die empfangenen Radiowellen dann fokussiert weiter zum Detektor, der je nach Wellenlänge – zwischen 350 MHz und 15,4 GHz – ausgewählt wird.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Radioteleskopen, die Radiowellen mit einer großen Teleskopschüssel empfangen, funktioniert SKA als Interferometer und greift auf viele Einzelteleskope zurück. Hierzu nutzt es die sogenannte Apertursynthese, indem es auf geschickte Weise Einzelmessungen zusammenführt – eine Technik, für die Sir Martin Ryle bereits im Jahr 1974 den Nobelpreis für Physik erhalten hat.

Radioteleskope von SKA

Durch die Apertursynthese gelingt es, eine deutlich höhere Auflösung zu erhalten als es mit einer einzelnen Radioschüssel realisierbar wäre. Doch wie funktioniert diese Technik? Wenn Radiowellen einer Wellenlänge bei den Teleskopen ankommen, unterscheidet sich die Phase der Welle je nach Abstand, die die Einzelantennen voneinander haben. Je weiter dieser Abstand, desto größer die Auflösung – es lassen sich damit also auch weiter entfernte Objekte besser beobachten. Aus dem Unterschied in der gemessenen Phase der Welle lässt sich zudem die Position des Himmelsobjekts ermitteln.

Doch nicht nur die Auflösung steigt dank der immensen Ausmaße der Teleskopanordnungen, auch die Empfindlichkeit. Denn je mehr Radioteleskope beobachten, desto mehr Photonen fallen in der gleichen Zeit ein und desto deutlicher wird ein Signal.  Dies ähnelt unserer Nachtsichtfähigkeit, die nach einiger Zeit im Dunkeln steigt, da die Pupille sich weitet und damit mehr Licht in gleicher Zeit einfällt.

Damit die Signale zusammengeführt werden, ist zudem eine hochentwickelte Infrastruktur möglich – unter anderem Glasfaserleitungen zwischen den Teleskopstationen, damit die minimalen zeitlichen Unterschiede der Signale exakt abgeglichen werden können. Die Unmengen an Daten werden anschließend mit Supercomputern ausgewertet.

Bereits mit Fertigstellung wird das SKA Observatorium mit fast 200 Radioschüsseln in Südafrika und über 130 000 Radioantennen in Australien das größte Radioteleskop-Array der Welt sein. Auch wenn es dann schon voll betriebsbereit ist, lässt es sich dennoch vergrößern. Mit einer Erweiterung um Standorte in anderen Teilen Australiens oder den Partnerländern Afrikas könnte das Teleskop noch hochauflösender und empfindlicher das All vermessen und den Rätseln des Kosmos nachgehen.

Mit über 16 beteiligten Ländern ist das SKA Observatorium ein weltweites Projekt. Die beteiligten Länder sind auf fünf Kontinenten verteilt und machen rund 40 % der Weltbevölkerung aus. Neben internationalen Mitglieds- und Beobachterländern sind acht Partnerländer Afrikas beteiligt, um die Ausweitung des Projekts auf dem afrikanischen Kontinent voranzutreiben. Darüber hinaus waren in den vergangenen 10 Jahren rund 100 Organisationen aus über 20 Ländern an der Entwicklung des Projekts - wie etwa dem Design der Teleskope - beteiligt.

Deutschland verkündete seinen Beitritt zu SKA

Ende März 2023 hat Deutschland den Beitritt zum SKA Observatorium verkündet. Dafür stellt die Max-Planck-Gesellschaft etwa 21 Millionen Euro zur Verfügung. Außerdem fördert das Bundesforschungsministerium Projekte im Rahmen der Projektförderung ErUM-Pro, die die Entwicklung und Instrumentierung der Teleskope, insbesondere der in SKA integrierten Teleskope von MeerKAT vorantreiben.

SKA-low Array in Australien

Derzeit ist bereits die Teleskopanlage MeerKAT in Südafrika mit 64 einzelnen Radioteleskopen in Betrieb. Es ist bereits jetzt eines der weltweit größten Observatorien für Radiowellen. Die einzelnen Teleskope lassen sich bereits jetzt zusammenschalten und funktionieren so wie eine riesige gemeinsame Antenne von rund acht Kilometern Durchmesser.