Vor dem nächtlichen Himmel ist ein Teil des Teleskopverbunds ALMA zu sehen.

Software für ALMA

Verbundforschung gefördert durch das BMBF
Verbundprojekt ALMA: ALMA-Tools im deutschen Knoten des „European ALMA Regional Center“

Das „Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array“, kurz ALMA, ist ein astronomisches Observatorium der Superlative – es ist das gegenwärtig größte erdgebundene Teleskopsystem der modernen Astronomie: 66 hochpräzise Antennen verteilen sich über ein 16 Kilometer großes Areal auf einer Hochebene in der chilenischen Atacamawüste. Um das volle Potenzial dieser Entdeckungsmaschine mit ihrer gewaltigen Datenflut nicht nur optimal ausschöpfen, sondern auch weiterentwickeln zu können, bedarf es ausgefeilter Software für die Datenanalyse.

Im Mittelpunkt der Entwicklungsarbeiten des ALMA-Verbundes stehen dabei die Einbindung der weltweit einzigartigen Moleküldatenbank an der Universität Köln in das ALMA-Datenanalysesystem und die Zusammenschaltung des ALMA-Teleskopsystems mit weit entfernten Millimeterteleskopen auf anderen Kontinenten. Dadurch kann das Auflösungsvermögen nochmals dramatisch gesteigert werden. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert das Projekt im Rahmen seiner Verbundforschung. Im Zeitraum von 2014 bis 2017 beläuft sich die Fördersumme auf rund 1,47 Millionen Euro.

Fördersumme: 1 466 412,26 €

Förderzeitraum: 01.07.2014 bis 30.06.2017

Förderkennzeichen: 05A14PD1, 05A14PK1

Beteiligte Institutionen: Universität Bonn, Universität Köln

Das Radioobservatorium ALMA besteht aus insgesamt 66 Einzelteleskopen, die sich zu einem virtuellen Teleskop mit einem Durchmesser von bis zu sechzehn Kilometern zusammenschalten lassen. Das BMBF finanziert innerhalb der Verbundforschung die Entwicklung neuer Softwarewerkzeuge für ALMA. Damit wollen Astronomen künftig unter anderem Moleküle im All einfacher aufspüren.

5100 Meter über dem Meeresspiegel entsteht in der Atacamawüste von Chile der größte Teleskopverbund der Welt. Das Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array, kurz ALMA, soll den bislang wissenschaftlich noch wenig erkundeten Submillimeterbereich des elektromagnetischen Spektrums abdecken: Seine Antennen sind auf einen Wellenlängenbereich zwischen 0,3 und 4 Millimetern ausgelegt, der rund tausendmal größer als der von sichtbarem Licht ist.

Damit eröffnet ALMA einen Blick auf Regionen, die mit optischen Teleskopen unscheinbar wirken. „Das interstellare Medium, also der fast leere Raum zwischen den Sternen, ist prädestiniert für Infrarot- bis Radiowellenlängen. Das Gas und der Staub dort strahlen am stärksten im Millimeter- und Submillimeterbereich“, sagt Frank Bertoldi von der Universität Bonn.

Auf der Erde ist es sehr schwierig, diese Strahlung zu beobachten, da sie größtenteils vom Wasserdampf in der Atmosphäre verschluckt wird. Der Standpunkt für ALMA ist daher sorgfältig gewählt: Er liegt nicht nur sehr hoch, die Atacamawüste ist auch einer der trockensten Orte auf der Erde. Dadurch ist die Atmosphäre hier durchlässig für die Strahlung im Submillimeterbereich.

Zusammenschluss von Teleskopen

Bei ALMA handelt es sich nicht um ein einzelnes Teleskop, sondern um einen Zusammenschluss von insgesamt 66 Einzelantennen mit einem Durchmesser von zwölf oder sieben Metern. Indem Astronomen die Signale mehrerer Teleskope kombinieren, können sie das räumliche Auflösungsvermögen gegenüber einem einzelnen Teleskop enorm steigern. Entscheidend dabei ist der Abstand der zusammengeschalteten Antennen, Wissenschaftler sprechen hier auch von Basislinien. Je länger diese sind, desto mehr Details eines astronomischen Objekts können aufgelöst werden. Im Fall von ALMA können die Einzelantennen je nach Bedarf bewegt werden, ihr Abstand kann bis zu 16 Kilometer betragen.

Vor einem schwarzen Hintergrund ist eine nicht ganz kreisrunde Scheibe zu sehen, die sich vom Rötlichen am äußeren Rand farblich zu Geld zum Zentrum hin umwandelt.
Protoplanetare Scheibe auf einer ALMA-Aufnahme

„Die Signale werden paarweise von je zwei Antennen miteinander kombiniert. Die Phasenverschiebungen, die sich aufgrund der unterschiedlichen Weglängen des Lichts zu den beiden Antennen ergeben, müssen korrigiert werden. Wir müssen also sichergehen, dass beide Teleskope genau die gleiche Welle messen“, erläutert Bertoldi das Prinzip. Über Glasfaserkabel werden die Signale dann an einen Supercomputer direkt am Observatorium übertragen und ausgewertet. „Wir erhalten nicht einfach eine Abbildung des beobachteten Objekts. Es ist nicht einfach, aus dieser Art von komplexem, gefiltertem Signal auf das Aussehen der eigentlich beobachteten Quelle zu schließen“, so Bertoldi.

Im Rahmen der Verbundforschung des BMBF arbeiten zwei Arbeitsgruppen der Universitäten Bonn und Köln daran, verbesserte Software für ALMA zu entwickeln. Die Forscher aus Köln wollen die sogenannte Kölner Datenbank für molekulare Spektroskopie mit ALMA verknüpfen. „Das ist eine Sammlung von spektroskopischen Daten, die für Astrophysiker wichtig sind“, sagt Bertoldi. Denn die Datenbank enthält genaue Informationen über das Licht, das Atome oder Moleküle – die im All vorkommen können – aussenden.

„Diese Ressource ist für ALMA sehr wichtig“, sagt Bertoldi. „Gerade in der Nähe von jungen Sternen gibt es eine Vielfalt von komplexen Molekülen, bis hin zu den Bausteinen von Aminosäuren. Wenn man Aufnahmen von Molekülwolken oder eben solchen Sternentstehungsgebieten macht, dann sieht man so viele Spektrallinien, die man erst einmal überhaupt nicht identifizieren kann – quasi ein Wald von Linien.“ Hier hilft die neue Software: Sie gleicht die gemessenen Spektren automatisch mit den Informationen aus der Datenbank ab, sodass Astronomen die im Weltraum nachgewiesenen Moleküle schnell zuordnen können.

Hohe Auflösung dank synchroner Beobachtungen

Frank Bertoldi und seine Kollegen von der Universität Bonn wollen Daten von ALMA mit denen weiterer Teleskope auf der Welt kombinieren, wie etwa dem IRAM-30-Meter-Teleskop in Spanien, das den Himmel bei Wellenlängen von einem bis vier Millimetern beobachtet. Denn das hohe Auflösungsvermögen von ALMA hat seinen Preis: „ALMA verliert die grobe Auflösung“, berichtet Bertoldi. „Je länger die Basislinien, desto weniger empfindlich ist das Teleskop für ausgedehnte Strukturen. Eine Galaxie aber weist interessante Strukturen auf vielen Größenskalen auf, deshalb hat man idealerweise eine Kombination aus großen Basislinien für die hohe Auflösung sowie ein Einzelteleskop für die gröbere Auflösung, das aber ausgedehnte Strukturen wahrnehmen kann.“

Vor einem schwarzen Hintergrund ist eine bunte, leuchtende Galaxie abgebildet.
Antennengalaxie

Um noch höhere Auflösung für ausreichend helle Objekte am Himmel zu erreichen, soll ALMA bald auch synchrone Beobachtungen mit vielen anderen auf der Erde verteilten Teleskopen machen. Auch dazu entwickeln die Astronomen aus Bonn geeignete Methoden und Software, die beispielsweise sicherstellt, dass in Spanien und in Chile genau dieselbe Radiowelle zum gewünschten Zeitpunkt aufgezeichnet wird.

ALMA ging bereits 2011 mit zunächst 16 Antennen in Betrieb, 2014 wurde die letzte der 66 Antennen aufgebaut. Noch kann das Teleskop allerdings nicht alle seine möglichen Basislinien ausschöpfen, da die Antennen erst nach und nach betriebsbereit sind. „Innerhalb eines Jahres wird ALMA dann aber hoffentlich voll in Betrieb sein“, so Bertoldi. Als Universalobservatorium ist ALMA aber schon jetzt für vielfältige Beobachtungsziele im Einsatz: Junge Sternwolken interessieren die Astronomen genauso wie ferne Galaxien oder kühle Molekülwolken, in denen sich komplexe chemische Prozesse abspielen. Auch für die Sonnenphysik ist ALMA relevant, da es unterschiedliche Schichten der Sonnenatmosphäre sichtbar machen kann.