LOFAR – Ein Radioempfänger fürs Universum

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 was wir betrachten, offenbart sich ein anderes Bild des Weltalls. Beispielsweise empfangen wir vom Wasserstoffgas aus der Frühzeit des Universums Radiowellen, deren Frequenzen zwischen siebzig und zweihundert 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 können Astronominnen und Astronomen seit 2012 den Himmel im niedrigen Frequenzbereich der Radiowellen beobachten.

Einfache Dipolantennen

Dazu zählen bisher unbekannte Bereiche des jungen Universums, darunter 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 Wasserstoffatomen geschlagen und sendeten Strahlung ins Weltall aus. Diese Strahlung ist heute noch messbar. Durch ihre Intensität können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler feststellen, wie dicht die Materie in dieser Frühphase des Universums verteilt war. So hoffen die Forschenden zum einen, mehr über die Natur der ersten Strahlungsquellen zu erfahren. Zum anderen können die Erkenntnisse 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, in 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. Zusätzlich ist LOFAR in der Lage, extrasolare Planeten größer als Jupiter, die Radiopulse aussenden, zu beobachten. An deutschen LOFAR-Stationen beobachten die Forschenden außerdem Pulsare – schnell rotierende Neutronensterne –, die hauptsächlich Radiosignale aussenden.

Das Radioteleskop setzt sich aus derzeit 52 Empfängerstationen zusammen, die über acht Länder in Europa verteilt sind. Der Hauptsitz befindet sich in den Niederlanden, wo auch 38 Empfangsstationen platziert sind. Die beiden am weitesten voneinander entfernten Empfängerstationen der LOFAR-Anlage haben einen Abstand von 1900 Kilometern. Für den Betrieb werden diese digital zu einem großen Empfänger zusammengeschaltet. Damit ist LOFAR zur Zeit das weltweit größte Radioteleskop, das empfindlich für Frequenzen der Kurzwelle und Ultrakurzwelle ist. Anders als bei herkömmlichen Radioteleskopen, die mit einer großen, beweglichen und mechanisch daher sehr aufwendigen Parabolantenne ausgestattet sind, dienen bei LOFAR Anordnungen von mehreren einfachen Dipolantennen als Empfänger. Extrem schnelle Signalverarbeitungsrechner analysieren die Radiowellen. Die Richtungen, aus der die Radiosignale die Erde erreichen, können so im Computer rekonstruiert werden.

LOFAR-Empfängerstation in Effelsberg

Die Dipolantennen sind für Beobachtungen bei Frequenzen von 10 bis 250 Megahertz ausgelegt. 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. So hat der Aufbau von digitalen Radiostationen (DAB), die insbesondere im Bereich um die 200 Megahertz das Radiospektrum beanspruchen, in den letzten Jahren zunehmend für eine Störung der Empfangselektronik gesorgt. Im niedrigen Frequenzbereich liefert LOFAR eine Auflösung, die vergleichbar mit der Auflösung der besten optischen Teleskope ist. Die Antennenfelder sind über Hochgeschwindigkeits-Datenleitungen mit der Zentrale in den Niederlanden verbunden. Über Signalverarbeitungscomputer lassen sich die über Europa verteilten Stationen zu einem einzigen Teleskop zusammenschalten. Dadurch werden rechnerisch Details sichtbar, wie sie nur mit einer viel größeren Parabolspiegel-Antenne erreicht werden könnten. Mit der Dipolantennen-Konstruktion von LOFAR lässt sich außerdem, anders als mit Parabolspiegeln, 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 auf der Südhalbkugel empfangen können.

Das Niederländische Institut für Radioastronomie (ASTRON) in Dwingeloo, hat 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.

Empfangsstationen des Radioobservatoriums LOFAR in Europa

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 stärkt die europäische Position in der Radioastronomie und auch die Sichtbarkeit der nationalen Radioastronomie im internationalen Umfeld. In Deutschland stehen an den sechs Standorten Effelsberg, Unterweilenbach, Tautenburg, Bornim, Jülich und Norderstedt jeweils Empfängerstationen, die zum Teleskopnetzwerk LOFAR beitragen. Universitäten, Max-Planck-Institute und ein Leibniz-Institut betreiben sie. 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 der Radioastronomie an Universitäten und Forschungsinstituten der Max-Planck-Gesellschaft sowie der Leibniz-Gemeinschaft arbeiten an dem ambitionierten Astronomieprojekt mit.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert das Projekt seit 2008 im Rahmen der Projektförderung. 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.

Seit 2012 liefert LOFAR routinemäßig Bilder vom Universum. Gleich zum Betriebsstart nahmen Astronominnen und Astronomen eines der bisher detailliertesten Bilder von riesigen Blasen auf, die ein supermassereiches Schwarzes Loch erzeugt hatte. Auch ermöglicht LOFAR den Forschenden den Zugang zu Präzisionsmessungen, anhand welcher kosmische Teilchenstrahlung nachgewiesen werden konnte. Die Messungen tragen dazu bei, die Ursprungsquellen dieser hochenergetischen Teilchen zu enträtseln. Zusätzlich glückte es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, mit dem größten unbeweglichen Radioteleskop der Welt das empfindlichste Bild unterhalb von einem Gigahertz von einer rund 30 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie zu erstellen. Auf diese Weise ermöglichen die einzigartigen Eigenschaften von LOFAR ganz neue Einblicke ins Universum.

Empfänger für den hochfrequenteren Bereich

Derzeit sind insgesamt 52 Teleskopstationen in Betrieb, 38 davon in den Niederlanden sowie 14 in den beteiligten europäischen Partnerländern. Die irische Empfängerstation ergänzt seit Juli 2017 das Netzwerk, Lettland und Italien wollen sich künftig mit einem eigenen Teleskop am europäischen Großprojekt beteiligen.

In den kommenden Jahren soll im Rahmen von „LOFAR 2.0“ die Leistungsfähigkeit des Großteleskops weiter verbessert werden. Ziel ist es, die Stationshardware so anzupassen, dass Frequenzüberschneidungen mit digitalen Radiostationen (DAB) verringert werden. Außerdem sind weitere Softwareanpassungen geplant. Zum Beispiel sollen die Bilder automatisiert vorverarbeitet werden, damit Benutzer, die nicht über die erforderliche Hardware- oder Softwareerfahrung verfügen, sie trotzdem verwenden können. Eine zusätzliche vorgesehene Anpassung: die Reaktionszeit von LOFAR zu verringern, um auf vorübergehend auftretende Phänomene wie Planetentransits oder Sternausbrüche reagieren zu können.