LOFAR-Station von oben: ein abgetrennter Kreis in einer Wiesenlandschaft mit mehreren schwarzen und kreuzförmigen Modulen

ASTRON Netherlands Institute for Radio Astronomy

Antennen auf einer Wiese

ASTRON Netherlands Institute for Radio Astronomy

Vogelperspektive auf einen Teil eines Wiesenkreises mit schwarzen Modulen darin

ASTRON Netherlands Institute for Radio Astronomy

Eine Wiese von oben, übersätz mit grauen Quadraten

ASTRON Netherlands Institute for Radio Astronomy

LOFAR – Ein Radioempfänger fürs Universum

Das Low Frequency Array (LOFAR) ist derzeit das weltweit größte Radioteleskop, das Radiowellen im Kurzwellen- und Ultrakurzwellenbereich messen kann. Seine 51 Empfängerstationen sind über sieben europäische Länder verteilt. Das einzigartige Teleskop ermöglicht den Astronominnen und Astronomen ganz neue Erkenntnisse, etwa zur Aktivität der Sonne oder der Entwicklung des frühen Universums.

  • Ort:
    Exloo (Niederlande) sowie bisher insgesamt 51 Stationen europaweit, davon 6 in Deutschland; Standorte in Deutschland: Effelsberg, Unterweilenbach, Tautenburg, Bornim, Jülich und Norderstedt

  • Baukosten:
    Insgesamt rund 150 Millionen Euro

  • Anzahl WissenschaftlerInnen:
    Ca. 200 international, ca. 50 deutschlandweit

  • Beteiligte Länder:
    Deutschland, Frankreich, Irland, Niederlande, Polen, Schweden, Vereinigtes Königreich

  • Ziel:
    frühes Universums, kosmische Magnetfelder sowie die Sonne untersuchen

  • Anwendungsbeispiel:
    Entwicklung neuer Software für Big Data

  • Gerätetyp:
    Radioteleskop

  • Messmethode:
    Computerbasierte Interferometrie

  • Untersuchungsobjekt:
    Kosmische Radiostrahlung

  • Bauphase:
    Eröffnung 2010, seit 2012 im regulären Betrieb/weitere Stationen noch im Bau bzw. in Planung

  • Rechtsform & beteiligte Institutionen:
    Gründung nach niederländischem Recht

  • Größe:
    6 Quadratkilometer (Hauptstandort), europaweit bis zu 1500 km Durchmesser

  • Experimentdetails:
    Frequenzbereich: 10 bis 250 Megahertz

Welche Erkenntnisse LOFAR liefert

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.

Graue Quadrate mit einer Antenne in der Mitte über eine Wiese verstreut

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.

Wie LOFAR funktioniert

Das Radioteleskop setzt sich aus derzeit 51 Empfängerstationen zusammen, die über sieben 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 1500 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-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

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.

Wer an LOFAR beteiligt ist

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.

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 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 mit insgesamt sechs 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.

Was gerade an LOFAR passiert

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.

Kreuzartige Fläche aus Modulen auf einer grünen Wiese

Empfänger für den hochfrequenteren Bereich

Derzeit sind insgesamt 51 Teleskopstationen in Betrieb, 38 davon in den Niederlanden sowie 13 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.


Stand: Januar 2019

Quelle: https://fis-landschaft.de/universum/lofar/