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Astronomie: Die Radioteleskope der (nahen) Zukunft

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Astronomen sind keine Frühaufsteher. Diesen Eindruck konnte man jedenfalls gewinnen, wenn man sich am vergangenen Mittwoch zum altehrwürdigen Kurfürstlichen Schloss aufmachte, dem Hauptgebäude der Bonner Universität, um den ersten wissenschaftlichen Vortrag an diesem Tag zu hören.

Am Montag hatte dort die Jahrestagung der Astronomischen Gesellschaft begonnen. Zaghaft begeben sich nun die spärlichen Zuhörer auf die Plätze. Am Rednerpult aber steht Michael Garrett, und er macht einen ausgeschlafenen Eindruck: "Wir stehen am Beginn eines neuen goldenen Zeitalters der Radioastronomie!" Der gebürtige Schotte muss es wissen, denn er ist Direktor des niederländischen Instituts für Radioastronomie (ASTRON), dem derzeit eine besonders verantwortungsvolle Rolle in der europäischen Astronomie zukommt.

Für die Radioastronomie wäre ein goldenes Zeitalter auch eine kleine Wiedergeburt. Denn lange Zeit war es um sie etwas stiller, sagt Garrett. Dabei waren es Radioastronomen, die um die Mitte des 20. Jahrhunderts erstmals ein neues Fenster ins All öffneten. Bis dahin stand für die Beobachtung der Gestirne nur das sichtbare Licht zur Verfügung – ein winziger Ausschnitt des elektromagnetischen Spektrums. Doch plötzlich boten die während des Zweiten Weltkriegs zu militärischen Zwecken erforschten Radiowellen völlig neue Möglichkeiten. Alsbald sorgten sie für bahnbrechende Entdeckungen wie die der kosmischen Hintergrundstrahlung, deren Entdeckung als zentrale Stütze unseres kosmologischen Weltmodells gilt.

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"Zooming in" ... | ... lautete das Motto der von 350 Astronomen gut besuchten Jahrestagung der Astronomischen Gesellschaft. Den öffentlichen Abendvortrag über "Status und Perspektiven der Kosmologie" von Matthias Bartelmann, Professor am Institut für Theoretische Astrophysik der Universität Heidelberg, werden Sie Anfang Oktober auf www.spektrum.de als Video sehen können.
Nach einer Blütezeit sei die Radioastronomie ab Anfang der 1980er Jahre dann aber ins Hintertreffen geraten: Die technischen Möglichkeiten waren ausgereizt. Und weil weitere neue Beobachtungsfenster geöffnet wurden, machten Garrett zufolge andere Disziplinen die spektakulären Entdeckungen (eine Auffassung allerdings, der nicht alle Radioastronomen im Publikum folgen mochten).

Doch diese Zeiten sind vorbei, ist der ASTRON-Chef überzeugt: "Heute passiert so viel auf dem Gebiet der Radioastronomie, dass es beinahe jeden Tag etwas Neues zu berichten gibt." Mit dem klassischen Prinzip einer Radioschüssel haben die Teleskope, die er und seine Kollegen weltweit bauen, allerdings nicht mehr viel zu tun. SKA heißt das Zauberwort, es steht für Square Kilometre Array. Anders als der Name vermuten lässt, sollen die SKA-Antennen nicht nur auf einer Fläche von einem Quadratkilometer, sondern über ganze Kontinente verteilt sein. Denn mehrere Teleskopantennen, die viele tausend Kilometer auseinander liegen, erzeugen zusammengeschaltet ein erheblich schärferes Bild als einzelne Exemplare. Dann lassen sich Detailaufnahmen von entstehenden Sonnensystemen erstellen, Strukturen auf fremden Sternen "ablichten" oder die innersten Bereiche aktiver Galaxienkerne untersuchen.

Für sich genommen ist die Technik der Interferometrie, das Zusammenschalten mehrerer Teleskope zu einem Superteleskop, zwar ein alter Hut. Die Radioastronomie wird darum auch weniger von der Interferometrie an sich und schon gar nicht durch neue Teleskophardware vorangebracht, sagt Garrett, sondern durch schiere Rechenleistung. Die Software-Teleskope der Zukunft, wie er sie nennt, sehen den gesamten Himmel gleichzeitig. Daher muss niemand das Fernrohr auf ein bestimmtes Objekt ausrichten, denn die Antennen nehmen einfach sämtliche Signale auf, die auf sie treffen. Aus dem Wust an Signalen werden mit Rechnerhilfe dann die interessanten herausgefiltert. Zumindest im Niedrigfrequenzbereich sind bewegliche Teile oder aufwändige und teure Stahlkonstruktionen somit verzichtbar geworden.

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LOFAR-Station Effelsberg | In unmittelbarer Nähe zum 100-Meter-Radioteleskop bei Effelsberg in der Eifel entstand bereits im Jahr 2007 die erste LOFAR-Station. Aus luftiger Höhe vom Teleskop fällt der Blick auf das Lowband-Antennenfeld im Vordergrund und die dunkle Highband-Antennenfläche im Hintergrund. Die Highband-Antenne besitzt eine Größe von 62 x 62 Metern.
Nirgendwo sieht man das besser als in der Eifel, nahe dem nur ein paar Kilometer von Bonn entfernten Dorf Effelsberg. Vis-a-vis der gigantischen 100-Meter-Schüssel des dortigen Radioteleskops (immer noch eines der größten frei beweglichen Radioteleskope der Welt) steht auf einer Wiese eine Reihe unscheinbarer Gebilde aus Metallstangen und – so wirkt es – Kaninchendraht. Sie bilden eine von inzwischen fast 50 Stationen des Low Frequency Array LOFAR (siehe Per Software zu den Sternen, SdW 7/2008), einem unter Federführung von ASTRON errichteten Vorläuferexperiment von SKA. LOFARs Herzstück steht in den Niederlanden, während Deutschland bereits vier zusätzliche Stationen beisteuert. Und noch in diesem Jahr wird in Jülich die fünfte fertiggestellt.

Dem europäischen Vorhaben sind viele der Vorträge auf der Tagung gewidmet, man merkt deutlich, dass ihm gegenwärtig alle Aufmerksamkeit gilt. Zumal es eben doch um weit mehr als einen Testlauf geht. In den vergangenen Monaten nahmen die Astronomen weitere Stationen in Betrieb und gewinnen mittlerweile auch wissenschaftlich verwertbare Aufnahmen. Bereits jetzt reicht die Liste der beobachteten Objekte von Eruptionen auf der Sonne bis hin zu fernen Galaxien.

Doch es ist nicht nur der unvergleichlich große Blickwinkel, der Software-Teleskope so revolutionär macht. In den aufgezeichneten Rohdaten steckt die Information sämtlicher Radioquellen, die zum entsprechenden Zeitpunkt am Himmel sichtbar waren. Derselbe Datensatz lässt sich daher auf unterschiedliche Weise und mit unterschiedlichen wissenschaftlichen Zielen auswerten.

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Deutlich schärfer | Wird der Quasar 3C 196 nur von den niederländischen LOFAR-Stationen aufgenommen – bei einer Frequenz von 30 bis 80 Megahertz –, ist kaum etwas zu erkennen (links). Nehmen die Forscher hingegen die Daten der deutschen Stationen hinzu, lassen sich – erstmals in diesem Frequenzbereich – dank zehnfach höherer Auflösung feine Substrukturen erkennen (rechts).
Die anfallende Datenmenge ist allerdings gewaltig. LOFAR soll pro Tag rund 0,5 Petabyte an Daten zusammentragen, hatte James Anderson, Stationsmanager von LOFAR in Effelsberg, bereits tags zuvor in seinem Vortrag berichtet. Damit lässt sich sekündlich eine DVD beschreiben, das Netzwerk produziert sechs Mal mehr Daten als die vier Detektoren des weltgrößten Teilchenbeschleunigers LHC zusammen. SKA wiederum dürfte selbst diese Zahlenfabrik noch in den Schatten stellen.

LOFAR wird die Radiostrahlung aus dem Weltall im Bereich niedriger Radiofrequenzen zwischen 10 und 240 MHz registrieren und nach seiner Fertigstellung im Jahr 2012 das größte Radioteleskop der Welt sein. Erst nach 2020 muss es dann wohl seinen Titel an SKA abgeben, das für Frequenzen bis zu 20 GHz empfindlich sein soll. Die Kaninchendrahtvariante allein kann das allerdings nicht leisten, hier kommen dann zusätzlich auch Radioschüsseln zum Zug.

Doch insbesondere die niedrigen Frequenzen stecken noch voller Überraschungen, betont Michael Garrett. "Dieser Bereich wurde bislang kaum erforscht, was zum Teil daran lag, dass er von menschengemachten Radiosignalen dominiert wird. Diese Störungen sind mit konventioneller Technologie kaum zu beherrschen." Jeder Blick auf ein astronomisches Objekt im Niedrigfrequenz-Radiolicht ist daher ein "erstes Mal". "Die Erforschung dieses Fensters", prophezeit Garrett darum, "wird zu einigen Nobelpreisen führen."

Der Wissenschaftsjournalist Jan Hattenbach betreibt auch den Blog Himmelslichter.

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