Radioteleskop LOFAR

Verbundforschung gefördert durch das BMBF
Verbundprojekt LOFAR

Der langwellige Bereich der Radiostrahlung ist kaum erforscht. Diese Lücke schließt das Low Frequency Array oder kurz LOFAR – ein Radioteleskop der nächsten Generation. LOFAR setzt sich aus vielen einzelnen, vernetzten Sensorfeldern zusammen und soll sich im Endausbau über ganz Europa erstrecken. Das Zentrum liegt in den Niederlanden, wo 2006 bei Exloo in der Provinz Drenthe die erste Station ihre Arbeit aufnahm.

Die erste deutsche Station wurde im Juli 2009 in Effelsberg fertiggestellt, die zweite folgte im November 2009 bei Tautenburg im Thüringer Wald. Die dritte deutsche Station ist seit 2010 in Unterweilenbach bei Garching in Betrieb, die Stationen in Bornim bei Potsdam und in Jülich seit 2011. Nahe Hamburg soll der Bau der neuen Station bis Ende 2014 abgeschlossen sein.

Die deutsche Beteiligung am internationalen LOFAR-Teleskop wird seit 2008 vom BMBF gefördert: In der Förderperiode 2008 bis 2011 vier Vorhaben mit insgesamt 1 450 662 Euro, 2011 bis 2014 sechs Vorhaben mit insgesamt 1 588 900 Euro und 2014 bis 2017 fünf Vorhaben mit insgesamt 957 431 Euro. Die gesamte Fördersumme beläuft sich damit auf 3 996 992 Euro.

Fördersumme: 957 431 €

Förderzeitraum: 2014 bis 2017

Förderkennzeichen: 05A14PCA, 05A14BAB, 05A14GUA, 05A14PBA, 05A15STA

Beteiligte Institutionen: Universität Bochum, Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Universität Hamburg, Universität Bielefeld, Thüringer Landessternwarte Tautenburg

Mit dem Radioteleskop LOFAR untersuchen Astronomen den Himmel in einem bislang unerforschten Wellenlängenbereich. Marcus Brüggen von der Universität Hamburg erklärte in unserem Podcast, wie das Teleskop funktioniert und auf welche Entdeckungen die Wissenschaftler hoffen.

Seit vielen Jahrhunderten beobachten Forscher bereits das sichtbare Licht der Sterne. Dieser optische Bereich ist aber nur ein kleiner Teil des elektromagnetischen Spektrums. Auch die anderen Wellenlängenbereiche liefern Informationen über das Universum – allerdings werden viele Wellenlängen von der Atmosphäre absorbiert und lassen sich deshalb nur vom Weltraum aus beobachten. Einer der wenigen Bereiche, der auch von der Erde aus beobachtet werden kann, ist der Radiobereich.

Marcus Brüggen: „Aber der langwellige Teil dieses Radiofensters – also Radiowellen mit Wellenlängen von ein bis zehn Metern –, der ist bislang noch unerforscht und in diesem Bereich hat sich fast noch niemand so wirklich den Himmel angeschaut.“

In diesem Bereich arbeitet das Radioteleskop LOFAR, das „Low Frequency Array“. Überall in Europa entstehen einzelne Stationen, die zu einem einzigen Teleskop zusammengeschaltet werden.

LOFAR hat seinen Kern zwar in den Niederlanden, aber die Antennen sind über einen großen Teil Nordeuropas verteilt. Nicht nur Deutschland ist dabei, sondern auch Schweden, England und Frankreich. Und bald werden auch noch Stationen in Polen gebaut und dadurch, dass die Antennen so weit auseinander stehen, agiert dieses Teleskop so, als sei es eine Schüssel, die den Durchmesser von ganz Nordeuropa hat.

Durchmesser von ganz Nordeuropa

Jede Station besteht aus über hundert einfachen Antennen, die maximal 1,7 Meter hoch sind und zufällig auf eine Fläche verteilt werden, die in etwa so groß ist wie ein Fußballfeld.

Diese Antennen sind einfache Drähte – im Grunde wie Fernsehantennen – und die nehmen die Strahlung auf.

Jede der über vierzig Stationen produziert pro Minute drei Gigabit an Daten, rund um die Uhr. Diese gewaltigen Datenmengen werden mit speziellen Glasfaserkabeln zu einem Supercomputer in den Niederlanden transportiert, der die Daten auswertet und zu Bildern verarbeitet.

Eine weite grüne Wiese von oben betrachtet. Im Zentrum ein rundes Feld von einem Wassergraben umgeben, auf dem Antennen als dunkle Flecken zu erkennen sind.
LOFAR-Station in den Niederlanden

Die Software zu schreiben, mit der sich aus den Signalen der vielen Tausend Antennen Bilder gewinnen lassen, ist extremst aufwendig. Da sind wir im Grunde immer noch in der Entwicklung, um das irgendwie hinzukriegen. Wir müssen alles, was wir bis jetzt über Radioastronomie wussten, neu erfinden.

Auch nahe Hamburg entsteht eine LOFAR-Station. Der Bau dieser neuen Station soll bis Ende 2014 abgeschlossen sein.

Jede Antenne, die man zu diesem Array hinzufügt, steigert natürlich die Empfindlichkeit des Arrays: Je mehr Antennen man hat, umso mehr Signal wird aufgenommen, umso tiefer kann man schauen. Das ist aber nicht das Entscheidende, denn es gibt ja schon über vierzig Antennenstationen. Eine mehr oder weniger macht den Hasen also nicht wirklich fett. Das Entscheidende an dieser Station ist, dass sie ein Loch füllt zwischen den Stationen in den Niederlanden und den Stationen im Rest von Deutschland und in den anderen europäischen Ländern, die weiter entfernt sind.

Bei der Wahl des Standortes war besonders wichtig, dass es wenig störende Signale gibt. Denn Strahlung wie die von Handys oder anderen elektronischen Geräten würde die schwachen Signale aus dem Weltraum überlagern. Aus diesem Grund entsteht die Station abgeschieden auf einem Feld in Schleswig-Holstein, kurz vor der Stadtgrenze zu Hamburg.

Wir haben schon mit dem Förster gesprochen – glücklicherweise gibt es dort keine Wildschweine. Das ist immer so ein bisschen der Horror, weil diese Wildschweine könnten ja einfach durch die Antennen, die ja relativ leicht sind, durchpflügen und dann wäre alles kaputt!

Noch einige Herausforderungen

Mit den in Hamburg gesammelten Daten wollen die Forscher vor allem zwei unterschiedliche Phänomene untersuchen.

Wo kommen die Magnetfelder im Universum her und woher stammen die kosmischen Strahlen? Wo kommen Teilchen her, die extrem schnell sind – beschleunigt auf Geschwindigkeiten ganz nahe der Lichtgeschwindigkeit. Diese kosmischen Teilchen senden eine besondere Art von Strahlung aus, die man im Radiobereich beobachtet.

Wissenschaftler der verschiedenen internationalen Stationen gehen aber auch anderen Fragestellungen nach.

Die Sonne, das Weltraumwetter, Exoplaneten, Magnetfelder in Galaxien, Galaxienhaufen und Signaturen der allerersten Sternen im Universum – das ist also eine ganz bunte Mischung an Sachen und interessanten Themen. Und es gibt verschiedene Gruppen über die Welt verteilt, die an unterschiedlichen Themen arbeiten.

Eine grüne Wiese, auf der mehrere schlanke Metallpfähle stehen. Von deren Spitze ist ein feiner Draht in einem Dreieck auf den Boden gespannt.
Antennen einer LOFAR-Station

Eines der Hauptziele ist es, das frühe Universum – rund eine Milliarde Jahre nach dem Urknall – zu untersuchen. In dieser Epoche der sogenannten Reionistation heizten die ersten Sterne das sie umgebende, neutrale Gas auf und ionisierten es. Dabei entstand eine charakteristische Strahlung, die Forscher mit LOFAR nachweisen wollen, um Modelle über den frühen Kosmos zu testen. Aber auch die Sonne wird beobachtet, um Ausbrüche im Radiobereich auf ihrer Oberfläche besser zu verstehen und mögliche Auswirkungen dieser Radioeruptionen auf die Erde zu untersuchen.

Man kann mit LOFAR den Himmel kartieren und sich verschiedene Quellen anschauen, allerdings ist das Hintergrundrauschen noch relativ groß. Besonders wenn man sich Quellen in der Nähe von sehr starken Quellen anschaut.

Das können zum Beispiel Überreste von Sternexplosionen sein. Signale solcher starken Quellen überdecken die schwächeren Signale, die man beobachten möchte, und müssen daher aus den Bildern herausgerechnet werden.

Eine zweite Herausforderung: Wir können den Einfluss der Atmosphäre noch nicht so gut modellieren, um die Bilder stabiler zu kriegen und auch tiefer zu schauen. Im Grunde geht es nun darum, es besser zu machen, es schärfer zu machen, es sensibler zu machen. Im Großen und Ganzen funktioniert das Ganze aber wie es geplant war. Jetzt besteht die Herausforderung darin, die Grenzen zu erweitern, um es einfach noch deutlich sensibler zu machen – um eben die Entdeckungen zu machen, von denen wir geträumt haben, als wir dieses Projekt angefangen haben.