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Autor: Roman van Genabith / 06. März 2015, 17:51 Uhr

Interview: Das Square Kilometer Array

Im australischen Outback und der südafrikanischen Wüste soll ab 2018 das größte Radioteleskop der Welt entstehen. Darüber sprach für Raumfahrer.net Roman van Genabith mit Prof. Dr. Dominik Schwarz, Mitglied der SKA Science Working Group.

Quelle: RN Interview
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SKA Organisation

Bild vergrößernSKA MFAA (Mid Frequency Aperture Array) Afrika - Illustration
(Bild: SKA Organisation)
Durch das Square Kilometer Array erhoffen sich Astronomen und Kosmologen neue Erkenntnisse über die Entstehung und die frühe Geschichte des Universums. Darüber hinaus stellt das SKA ein Leuchtturmprojekt dar, das nicht nur rein wissenschaftliche Herausforderungen angeht.

Raumfahrer.net (RN) sprach mit Dominik Schwarz, Mitglied der SKA Science Working Group, über das SKA, seine wissenschaftlichen und technologischen Implikationen, sowie die geopolitischen Dimensionen des transkontinentalen Forschungsvorhabens.

RN: Bevor wir beginnen, wollen Sie sich vielleicht zunächst kurz vorstellen und ein wenig über sich und den Weg, der Sie zur Physik und letztlich zur Kosmologie geführt hat, erzählen?

Prof. Dr. Schwarz: Mein Name ist Dominik Schwarz. Ich bin Kosmologe an der Universität Bielefeld. Ich hatte irgendwann ein mal entschieden, mich für ein Physikstudium zu interessieren. Nach meinem Physikstudium bin ich zunächst in die theoretische Teilchenphysik gegangen. Dann bin ich über den Zusammenhang zwischen der Teilchenphysik und den Fragen des frühen Universums zur Kosmologie gekommen, die auch Thema meiner Promotion wurde. Seitdem bin ich in diesem Feld aktiv.

RN: Wie führte Ihr Weg Sie anschließend zum SKA-Projekt? Wie sprechen Sie das eigentlich aus, wie S K A oder Ska, die Musikrichtung?

Schwarz (Lacht): Wir sagen S K A. In den letzten Jahren haben wir uns primär mit dem kosmischen Mikrowellenhintergrund beschäftigt, das ist die erste Strahlung, die man aus dem Universum beobachten kann, da sie aus der Zeit stammt, als das Universum zum ersten Mal durchsichtig wurde.
Der kosmische Mikrowellenhintergrund, aufgrund der geringen Energiedichte auch Drei-Kelvin-Strahlung genannt, erfüllt das gesamte Universum und stammt aus der Zeit ca. 380.000 Jahre nach dem Urknall. Er gilt allgemein als Beleg für die Urknalltheorie des Standard-Modells.
Oliver Karger

Bild vergrößernRadiointerferometer LOFAR - Station Effelsberg
(Bild: Oliver Karger)
Bei diesen Überlegungen sind uns einige Ungereimtheiten aufgefallen, und ich fing an darüber nachzudenken, ob man mit anderen Teleskopen mehr über diese Zeit lernen kann, als wir es über die Beobachtung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds können. Auf diesem Weg kam ich dann zunächst auf das LOFAR-Projekt (Low-Frequency-Array), ein derzeit aktives Radioteleskop mit seinem Aktionsschwerpunkt in den Niederlanden, 36 Stationen, und sechs Stationen in Deutschland – drunter unter anderem eine gemeinsam mit der Sternwarte Hamburg betriebene Anlage in Norderstedt. LOFAR misst ein Wellenspektrum von 30-150 MHz, also rund um das FM-Band. Das LOFAR-Projekt gilt als Pfadfinderprojekt zu SKA. Hierüber bin ich letztendlich zur SKA-Community gestoßen.

RN: Dann sprechen wir mal über SKA. Das steht ja für Square Kilometer Array. Das Teleskop soll also eine Gesamtfläche von einem Quadratkilometer aufweisen?

Schwarz: Das war ursprünglich die Idee. Die Lichtsammelfläche aller Antennen und Schüsseln sollte einen Quadratkilometer ergeben. Das ist nicht, was derzeit geplant ist. SKA wird nicht diese monströse Lichtsammelfläche haben, wird aber trotzdem das weltgrößte Radioteleskop werden. Die Lichtsammelfläche wird in etwa 15 Fußballfeldern entsprechen. Das ist deutlich weniger als ein Quadratkilometer, aber es ist trotzdem eine riesige Fläche.

RN: Sprechen wir ein mal über die Grundlagen, den Aufbau und auch die geografische Anordnung. SKA ist ja buchstäblich transkontinental.

Schwarz: Ja! Das SKA soll als erstes globales astronomisches Großprojekt auf zwei Kontinenten entstehen, und zwar zum einen Teil in Australien und zum anderen Teil in Afrika, genauer gesagt zum größten Teil in Süd-Afrika, zumindest im ersten Bauabschnitt. In weiteren Ausbaustufen dann auch in anderen südafrikanischen Staaten. Es werden in den beiden Kontinenten verschiedene Antennentypen aufgebaut. Wie viele von welchem Typ an welchem Ort ist derzeit Gegenstand unserer Vorarbeiten.
Es geht dabei darum ein Teleskop aufzubauen, das mit einem festen Budget (etwa 640 Millionen Euro) ein Maximum an Wissenschaft zulässt. Deshalb versuchen wir derzeit in genauer Detailplanung herauszufinden, welche Technologie, welche Geräte an welcher Stelle uns am besten helfen. Soll ich lieber mehr in den einen Antennentyp investieren und dafür in den anderen weniger, das Geld gleichmäßig verteilen über das gesamte Frequenzspektrum, das sind Fragen, die uns im derzeitigen Planungsstadium beschäftigen.

RN: Das ist ja doch häufiger ein Problem in Astronomie- und Raumfahrtprojekten, dass die Diskrepanzen von Budget und Feature Request die Planungen übermäßig in die Länge ziehen und komplizieren.

Schwarz: Ja natürlich, aber man muss das auf der anderen Seite auch positiv sehen, als einen zusätzlichen Kreativitätsanreiz. Wenn man ein fixes Budget für eine Sache hat, dann fördert das die Kreativität mehr und bringt vielleicht innovativere Ideen hervor als wenn man unbegrenzte Geldmittel zur Verfügung hätte.

RN: Aus Ihrer Website geht hervor, dass sie Mitglied in der SKA Science Working Group sind. Können Sie kurz die Rolle dieser Arbeitsgruppe innerhalb des SKA-Projekts erläutern? Ist das die wissenschaftliche Expertise, die die gewünschten Zielvorstellungen skizzieren soll?

Schwarz: Ja genau. Die Science Working Group ist dafür zuständig, dazulegen, welche wissenschaftliche Fragen das SKA angehen könnte, und durch Simulationsrechnungen herauszufinden, welche technischen Spezifikationen das SKA erfüllen sollte, damit unsere wissenschaftlichen Ziele erreicht werden können. Wir wollen zum Beispiel mehr über die großräumige Verteilung von Materie im Universum lernen. Dabei müssen wir uns zum Beispiel fragen, wie viele Teleskope brauchen wir, welche Auflösung brauchen wir dafür. So geht unser Input an die anderen Gruppen, die an Aspekten wie Design und Technologie arbeiten. Auf der anderen Seite kriegen wir zum Beispiel von den Ingenieuren Input über die Machbarkeit bestimmter Anforderungsprofile.

RN: Die Science Working Group ist ein sehr internationales Team.

Schwarz: Ja, das ist komplett international gemischt. Viele Mitglieder sind auch Wissenschaftler aus Ländern, die nicht oder noch nicht am SKA-Projekt beteiligt sind, wobei wir auch davon ausgehen, dass sich in den nächsten Jahren noch weitere Staaten für das Projekt begeistern werden, und es noch nicht endgültig feststeht, wer alles mitmacht.

Thomas Weyrauch

Bild vergrößernRadioteleskop Effelsberg
(Bild: Thomas Weyrauch)
RN: Bevor wir zu den zentralen wissenschaftlichen Fragen der SKA-Arbeit kommen, noch eine Frage zur dezentralen Komponente des Projekts. Wie kommt diese starke räumliche Verteilung zustande, oder anders gefragt, wieso baut man nicht einfach eine einzige Riesenschüssel?

Schwarz: Das SKA wird als Interferometer funktionieren und nicht als ein Einzelteleskop. Ein Interferometer ist die Zusammenschaltung vieler einzelner Antennen zu einem großen Verbund. Das hat einerseits den großen Vorteil, dass man dadurch enorme Kosten sparen kann.
Zum anderen ist, wenn man zum Beispiel an Teleskope wie das Effelsberg-Radioteleskop denkt, die Größe dessen, was mit klassischen Stahlkonstruktionen realisiert werden kann, nahezu erreicht. Wir wollen aber eine wesentlich darüber hinaus gehende Lichtsammelfläche haben. Um das zu erreichen müssen wir viele viele kleinere Antennen nehmen - die jede für sich deutlich billiger ist - und diese dann via Netzwerk zusammenschalten.

Exkurs
Mit 100 Metern Durchmesser gehört das Radioteleskop Effelsberg zu den größten vollbeweglichen Radioteleskopen der Erde. Seit der Inbetriebnahme im Jahre 1972 wurde kontinuierlich an der Verbesserung seiner Technologie gearbeitet (z.B. eine neue Oberfläche der Antennen-Schüssel, bessere Empfänger für hochqualitative Daten, extrem rauscharme Elektronik), so dass es auch heute noch als eins der weltweit modernsten Teleskope gilt. (vgl. “ MAX-PLANCK-Institut für Radioastronomie - Radioteleskop Effelsberg“)

RN: Sprechen wir über die zukünftigen Aufgabenfelder von SKA. Zu ihnen zählt u.A. die Prüfung der Allgemeinen Relativitätstheorie. Diese Theorie existiert ja schon eine ganze Weile. Wie wollen Sie an dieser Theorie mit SKA forschen?

Schwarz: Wir wollen sie ganz hart testen. Wir wollen fragen, ob alle Vorhersagen, die die Allgemeine Relativitätstheorie trifft auch eintreffen und eine dieser Vorhersagen ist zum Beispiel: Es gibt Gravitationswellen.

Thomas Weyrauch

Bild vergrößernRadioteleskop Effelsberg
(Bild: Thomas Weyrauch)
RN: Perfekte Überleitung. Genau das wäre mein nächster Punkt gewesen.

Schwarz (lacht): Das ist eigentlich fast die spektakulärste Vorhersage dieser Theorie von Einstein, dass es etwas gibt wie Wellen, die Raum und Zeit verzerren. Die Methode, mit der SKA diese Gravitationswellen messen will, funktioniert über die Beobachtung von Pulsaren, sehr kompakte Sterne mit einem ungefähren Durchmesser von nicht mehr als zehn Kilometern bei einem ungefähren Gewicht unserer Sonne.
Diese Radiosterne rotieren sehr schnell, mehrere Tausend Umdrehungen in der Sekunde und senden dabei einen regelmäßigen Radiopuls aus, den unsere Radioteleskope messen können. Da diese Objekte nun so kompakt sind und so schnell rotieren, können wir sie quasi als Uhr verwenden. Würde nun eine angenommene Gravitationswelle zwischen dem aussendenden Radiostern und dem messenden Teleskop diese gedachte Linie des Radiopulses schneiden, würde das den Durchgang des Pulses verändern.
Die Pulsaruhr würde um einen messbaren Zeitbetrag abweichen, verglichen mit einer Referenzzeit, einer Atomuhr auf der Erde beispielsweise. Mit einem Teleskop von der Größe des SKA kann man nun ganze Netzwerke von Radiopulsaren betrachten, diese sind über die ganze Milchstraße verteilt. So können wir zahlreiche dieser kosmischen Uhren vergleichen und über den Vergleich des Durchgangs der ausgesandten Radiopulse feststellen, ob Gravitationswellen durch die Milchstraße laufen oder eben auch nicht. (Siehe hierzu auch Georg Wolschin: Pulsare als Gravitationswellen-Detektor. In: Spektrum der Wissenschaft. Nr. 05, 2010 S. 16-18)

RN: Also vom methodischen Ansatz mit den Nachweisverfahren von Exponaten insofern vergleichbar, als man eine indirekte Beobachtung heranzieht und durch die Beeinflussung von nachvollziehbaren Konstanten auf ein bestimmtes Phänomen schließt, auch wenn die Durchführung natürlich völlig anders geartet ist.

Schwarz: Ja, im Prinzip ist das ähnlich. Wobei wir hier eigentlich schon die direkteste Methode haben, um Gravitationswellen überhaupt nachzuweisen. Man kann sie nur sehen, indem man bemerkt, dass Raum und Zeit verzerrt werden und zwar in einer periodischen Art und Weise.

RN: Was weiß man heute schon über Gravitationswellen, wie würden die sich für einen Beobachter vor Ort darstellen?

Schwarz: Sie bewegen sich lichtschnell, genau wie elektromagnetische Wellen, wahrscheinlich werden wir ständig von Gravitationswellen durchlaufen, aber deren Wirkung ist so schwach, dass wir sie einfach nicht wahrnehmen können. Also, sie sind komplett ungefährlich (lacht).
Es ist im Grunde nur eine Frage der Empfindlichkeit der Messgeräte ob ich sie wahrnehmen kann oder nicht. Natürlich spielt auch die Wellenlänge eine Rolle, wir erwarten, dass es Gravitationswellen in allen möglichen Wellenlängen gibt, und es gibt verschiedene Instrumente, die verschiedene Wellenlängen absuchen mittels dieses PulsarTimings.
LIGO Lab / Gary White

Bild vergrößernLIGO Station Hanford
(Bild: LIGO Lab / Gary White)
Mit dem SKA wird man sehr sehr langwellige Gravitationswellen suchen. Wenn man hingegen sehr kurzwellige Gravitationswellen detektieren möchte, gibt es Experimente wie das LIGO-Experiment, die in diesem Teil des Spektrums suchen.

RN: Sie erwähnten es und in der Aufgabenbeschreibung von SKA findet man es: Die Untersuchung von Regionen extremer räumlicher Krümmung.

Schwarz: Ja, Schwarze Löcher. Regionen wie das Zentrum der Milchstraße.

RN: Die Nähe eines Schwarzen Loches ist natürlich absolut lebensfeindlich. Kann man denn sagen, wie groß diese No-Go-Area um ein Solches in etwa ist?

Schwarz: Naja, ich weiß nicht, in wie weit sie wirklich lebensfeindlich sind. Dazu wissen wir wohl auch zu wenig darüber, wo und wie überhaupt Leben existieren kann. Ich weiß nicht, ob man überhaupt von einer No-Go-Area sprechen kann. Schwer zu sagen. Ich schätze, wir müssen diese Regionen einfach sehr viel eingehender untersuchen, um darüber Genaueres sagen zu können.

RN: Ein weiterer Punkt im Portfolio von SKA ist eine erhöhte Sensibilität bei der 21-Zentimeter-Wasserstofflinie. Was hat es damit auf sich?

Schwarz: Ja, das ist eigentlich ein Hauptfokus meines wissenschaftlichen Interesses bei diesem Projekt. Der Wasserstoff, genauer das Wasserstoffatom, hat eine sogenannte Übergangslinie, die einer Wellenlänge von 21 Zentimetern entspricht. Da Wasserstoff das häufigste Element im Universum ist, etwa 75%, können wir, sobald wir diese 21 Zentimeter-Linie sehr präzise messen können, im Wesentlichen jede Art konventioneller Materie im Universum sehen. Denn in dem wir die Dichte des Wasserstoffs im gesamten Universum abbilden können, bekommen wir den Großteil der Materie im Universum abgebildet.
Der Vorteil der Betrachtung dieser Übergangslinie ist auch, dass sie schon zu einer Zeit existierte, zu der es weder Sterne noch Planeten gab. Wir hoffen also mit diesem Teleskop Bilder davon zu bekommen, wie Materie im Universum verteilt war, knapp bevor die ersten Sterne entstanden. Einerseits wollen wir also sehr weit zurückgehen; Ein weiterer Vorzug von SKA ist unsere Fähigkeit damit recht zügig den gesamten Himmel durchzumustern.
Das bedeutet, wenn ich die Verteilung von Materie an zwei verschiedenen Punkten am Himmel betrachte, die möglichst weit voneinander entfernt sind, dann sehe ich nicht nur weit in die Vergangenheit, sondern ich sehe auch Phänomene, die auf sehr ausgedehnten räumlichen Abstandsskalen wirken. Und wenn ich das tue, sehe ich Dinge, die durch physikalische Konstanten, die lange nach der Entstehung des Universums manifest wurden, nicht beeinflusst wurden. Das nährt unsere Hoffnung auf diesen allergrößten Skalen mehr über die Anfänge des Universums zu lernen.

RN: Man vergleicht also räumlich weit entfernte Punkte zu einer sehr frühen Zeit. Nicht zuletzt soll SKA ja auch bei der Suche nach extrem weit entfernten Galaxien helfen. Das Universum hat ein heute geschätztes Alter von 13 Milliarden Jahren. Weiter können diese Galaxien also nicht entfernt sein.

Schwarz: Wenn wir von einem Alter von 13 Milliarden Jahren sprechen, sprechen wir auch von Distanzen von bis zu 13 Milliarden Lichtjahren.

RN: SKA soll außerdem helfen bei der Gewinnung neuer Erkenntnisse über Dunkle Energie. Vielleicht zunächst ein kurzer Exkurs. Dunkle Energie? Ein nicht ganz einfacher Punkt auf dem Feld der Kosmologie?

Schwarz: Ja! Dunkle Energie ist, wie der Name schon sagt, dunkel (lacht). Das Dunkel steht hierbei für zwei Dinge. Einerseits meint dunkel, dass wir es noch nicht verstehen. Andererseits meint dunkel, dass man es anscheinend nicht direkt sehen kann.
Wir sind auf dieses Konzept der Dunklen Energie in der Kosmologie so gestoßen, dass zwei Gruppen von Wissenschaftlern um die Jahrtausendwende Supernovaexplosionen beobachtet haben und ihre Beobachtungen dazu verwendeten, das Hubblediagramm genauer zu vermessen, das ist das Diagramm, das belegt, dass das Universum expandiert. Es ist ein Diagramm, bei dem man im Wesentlichen den Abstand von einem explodierenden Stern gegen seine Geschwindigkeit aufträgt. Also im Grunde eine Art Weg-Geschwindigkeits-Diagramm.
Wenn man dieses Diagramm nun genau vermisst kann man feststellen, dass das Universum heute beschleunigt expandiert. Daraus folgt natürlich auch, dass der Abstand zwischen den Galaxien, global gesehen, nicht nur zunimmt, sondern auch die Geschwindigkeit, mit der der Abstand wächst. Nach den Einsteinschen Feldgleichungen aus der Allgemeinen Relativitätstheorie kann man das nicht ableiten, wenn man annimmt, dass das Universum nur aus konventioneller Materie besteht. Dann wäre nämlich die eindeutige Vorhersage, dass das Universum zwar expandiert, aber mit einer abnehmenden Geschwindigkeit. Jetzt braucht man etwas, das quasi wie Antigravitation wirkt und diese Annahme aushebelt. Hier kommt dann die Dunkle Energie ins Spiel.

RN: Das ist bis jetzt eher ein Konstrukt, eine Art theoretischer Unterbau, um eine sonst so gut nach-vollzogene und plausible Theorie zu retten, etwas provokativ gesagt.

Schwarz: Es gibt allerdings schon einen theoretischen Kandidaten für diese Dunkle Energie, nämlich die Vakuumenergie. Diese Vakuumenergie hat, als einzige Energieform, die wir kennen, die Eigenschaften, die wir der Dunklen Energie zuschreiben. Allerdings haben wir sie auch noch nie direkt gemessen.

RN: Vielleicht können Sie diese Energieform kurz etwas näher erläutern.

Schwarz: Die klassische Physik nimmt an, dass der Energiegehalt eines Kubikzentimeters Vakuum = 0 ist. Im Rahmen von Teilchenphysik und Quantenfeldtheorie kann aber auch gesagt werden, dass es konsistent ist, wenn ich einen Energieinhalt ungleich 0 annehme, auch wenn ich ihn nicht direkt messen kann. Der einzige Weg diesen Energieinhalt zu messen führt dann über die Gravitation. Vakuumenergie hat zudem den Vorteil zu allen übrigen in der Teilchenphysik und Quantenmechanik in den letzten 100-150 Jahren aufgebauten Prinzipien kompatibel zu sein. Es gibt eine Redewendung unter theoretischen Physikern: Alles, was nicht verboten ist, ist erlaubt. Da wir nun kein Naturgesetz kennen, das uns verbietet eine Vakuumenergie einzuführen, würden wir zunächst auch erwarten, dass es eine solche Vakuumenergie geben sollte. Das Problem ist aber, wenn es sie gibt, muss sie sehr klein sein, verglichen mit unseren gängigen Teilchenphysikskalen.

RN: Deshalb ist sie so schwer nachweisbar?

Schwarz: Deswegen ist sie einerseits schwer nachweisbar und andererseits auch schwer zu verstehen. Denn wenn die Größenordnungen so extrem klein sind, kann man schnell auf den Gedanken kommen eine Gesetzmäßigkeit vergessen oder übersehen zu haben und in Wirklichkeit ist der Vakuumenergiegehalt = 0. Wenn wir aber von dieser Größe annehmen, dass sie ungleich 0, aber sehr klein ist, muss es eine Gesetzmäßigkeit geben, die für diese immens geringe Größe verantwortlich ist, diese kennen wir allerdings auch noch nicht. Das sind die Rätsel, die mit der Dunklen Energie einhergehen. Vom Square Kilometer Array würden wir uns erwarten mehr über die Materieverteilung im Universum im Laufe der Zeit seit dessen Entstehen zu lernen.
Am Anfang gab es im Universum nur kleinere Wasserstoffwolken, manche dichter, manche weniger dicht, unter der Wirkung der Gravitationskraft ballten sie sich zu immer dichteren Wolken zusammen, aus denen schließlich Sterne und Galaxien entstanden. Mit dem SKA hoffen wir nun diesen Prozess sehen und abbilden zu können und aus den Wachstumsraten können wir besser verstehen, wie Schwerkraft präzise wirkt. In diesem Prozess sollte dann auch die Dunkle Energie eine Rolle spielen. Und wenn sie sich nicht so verhält wie die Vakuumenergie, werden wir das in den SKA-Daten sehen können.

RN: Zum Verständnis: Das alles basiert auf der präziseren Wahrnehmung der 21-CM-Wasserstofflinie?

Schwarz: Ja, alles basiert im Grunde darauf, dass wir diese Übergangslinie messen wollen. Damit können wir nämlich nicht nur die räumliche Verteilung von Wasserstoff über den Himmel feststellen, sondern wir können auch die Entfernungen messen. Die vorerwähnte kosmische Expansion bewirkt eine Rot-Verschiebung, dadurch wird jede Welle bei ihrem Durchgang durch das kosmische Medium im Laufe der Zeit langgezogen. Dadurch, dass wir mit SKA ein sehr großes Frequenzband durchrastern können werden, können wir nun auf die Distanzen rückschließen. Denn wir messen diese Übergangslinie nicht bei 21 CM, sondern bei viel größeren Wellenlängen.

RN: Aufgrund dieser Verzerrung?

Schwarz: Genau. Und wenn wir sie zum Beispiel bei zwei Metern messen, liegt eine Verzerrung um den ungefähren Faktor 10 vor. Daraus können wir auf den Zeitpunkt der Aussendung dieser Wasserstofflinie schließen, was uns auch die zurückgelegte Wegstrecke und das Alter des Universums zum Zeitpunkt der Aussendung verrät.

RN: Noch ein Forschungsziel von SKA ist die nähere Betrachtung kosmischer Magnetfelder.

Schwarz: Ja. Das funktioniert mit Hilfe der Faraday-Rotation. Diese beschreibt die Drehung der Polarisationsebene linearpolarisierter elektromagnetischer Wellen. Dieser Verschiebungseffekt wird um so größer, je größer die Wellenlängen werden. Das heißt, wenn ich mir ein Objekt in der Milchstraße anschaue, das auf verschiedenen Radiofrequenzen abstrahlt und ich weiß, die Strahlung auf diesen verschiedenen Frequenzen kommt vom selben Punkt, dann kann ich aus dem Vergleich der Polarisation der verschiedenen Wellenlängen etwas darüber lernen, wie groß die Magnetfeldstärke entlang des Weges der Lichtwelle gewesen sein muss. Darüber lässt sich dann eine Karte des Magnetfelds der Galaxis erstellen.

RN: Gibt es denn bereits Magnetfeldkarten der Galaxis?

Schwarz: Ja, die gibt es schon.

RN: Also geht es hauptsächlich um präzisere Daten?

Schwarz: Für die Milchstraße geht es dabei primär um ein noch genaueres und lückenloseres Bild der Magnetfelder der Milchstraße, für außerhalb der Galaxis sind unsere Kenntnisse hier noch deutlich geringer. Da geht es unter Anderem auch darum Magnetfelder zwischen Galaxien und Galaxienclustern aufzuspüren und noch deutlich schwächere Magnetfelder zu sehen, als wir sie bisher sehen können.

RN: Gibt es denn Magnetfelder im Leerraum?

Schwarz: Ja! Erstaunlicherweise gibt es die, wenn auch schwach. Man hat so zum Beispiel Magnetfelder zwischen Galaxien eines Clusters von rund einem Nanogaus gemessen. Zum Vergleich: Ein Gaus ist die Magnetfeldstärke auf der Erde, ein Nanogaus ist ein Milliardstel davon. Also, diese Größenordnungen sind sehr klein, aber sie sind da und messbar.

RN: Weiß man etwas über die Entstehung von Magnetfeldern im absoluten Leerraum?

Schwarz: Man weiß ein bisschen, aber es ist kein 100%ig verstandenes Problem. Ich bin allerdings kein Experte auf diesem Gebiet.

RN: Auf ihrer Website schreibt die SKA Science Working Group unter Anderem, eine der großen Herausforderungen beim praktischen Betrieb des SKA seien die auflaufenden Datenmengen. Die dort erwähnten Größenordnungen sind buchstäblich astronomisch. An einem Tag fallen mehr Daten an, als das Gesamtvolumen des Datenverkehrs im gesamten Internet an einem Tag ausmacht.
Unter anderem arbeitet IBM zusammen mit der Süd-Afrikanischen National Research Foundation (NRF) an einer Big Data-Lösung und der Entwicklung wüstentauglicher Exascale-Systeme zur Bewältigung der Datenflut.

Schwarz (lacht): Ja, das ist buchstäblich astronomisch. Aber das ist auch eine interessante technologische Herausforderung. Die beteiligten Ingenieure sind allerdings der Meinung, dass das, was wir für die erste Bauphase planen, mit heute verfügbarer Technologie darstellbar ist. Für die zweite Phase wird man zum Teil wohl auch Technologien weiterentwickeln müssen. Insofern ist das SKA-Projekt nicht nur wissenschaftlich, sondern auch technologisch ein spannendes Projekt.

RN: Wie soll denn konkret mit den enormen Datenmengen umgegangen werden?

Schwarz: Wir werden sicher nicht die gesamten Messdaten von Australien und Süd-Afrika nach Europa jagen, sondern schon versuchen so viel wie möglich vor Ort zu verarbeiten.

RN: Also werden dort auch Forschungsstätten aufgebaut und nicht, wie etwa in der Atacama-Wüste in Chile alles weitgehend ferngesteuert erledigt?

Schwarz: Es ist eines der Kernziele bei diesem Projekt, dass es auch mit der Etablierung einer Infrastruktur einhergeht, die den afrikanischen Staaten weiter zugute kommt und SKA nicht etwas ist, das nur westliche Industrienationen dort in die Wüste bauen und dann alles fernsteuern. Das wird sicher nicht der Fall sein.

RN: Das bringt uns zu den geopolitischen Implikationen, die dieses Projekt mit sich bringt. In Australien kann natürlich jedes Projekt verwirklicht werden, so lange man sich mit den lokalen Behörden einigt. Aber in Afrika stellt sich der Betrieb eines so empfindlichen und kostspieligen Projekts sicher nicht ganz unkompliziert dar.

SKA Organisation

Bild vergrößernSKA-Standorte in Afrika
(Bild: SKA Organisation)
Schwarz: Für die erste Bauphase bleiben wir ziemlich im Süden von Afrika. Dort ist eigentlich alles politisch stabil. Die Standorte hierfür stehen auch bereits fest: Eine Wüstenregion im Osten Süd-Afrikas. Wir wollen ja vor allem auch deshalb ins australische Outback und die afrikanische Wüste, weil wir mit den Antennen möglichst weit weg wollen von der Zivilisation. Wir wollen keine Störungen durch Radiosender, Geschirrspülmaschinen oder Ähnlichem.

RN: So wie optische Teleskope mit Lichtverschmutzung zu kämpfen haben, gibt es bei Radioteleskopen vermutlich eine äquivalente EM-Verschmutzung.

Schwarz: Ja. Jedes Auto, das vorbeifährt, emittiert beispielsweise einige Radiowellen.

RN: Ein Auto?

Schwarz: Ja, das kommt zum Beispiel durch die Verbrennungsmotoren. Jedes Mal, wenn die Zündkerze zündet, wird ein niederfrequenter EM-Impuls erzeugt. Der ist zwar nicht sehr stark, aber für das Teleskop stark genug, dass er stören würde. Deshalb wollen wir wirklich weg von der Zivilisation sein. In sofern kommen wir auch mit niemandem in Konflikt, weil dort sowieso nichts und niemand ist, den wir bei irgend etwas stören würden.
Was natürlich die Herausforderung ist, ist die Infrastruktur dort hin zubringen. Wir brauchen natürlich die Datenleitungen dort hin. Die Wissenschaftler werden nicht mitten in der Wüste sitzen. Die werden zwar schon in Australien und Süd-Afrika sein, aber vielleicht doch an etwas angenehmeren Orten. Und wir müssen auch die Stromversorgung zu den Teleskopen bringen.

RN: Die Standorte sind sicherlich prädestiniert für eine Versorgung durch Solarstrom?

Schwarz: Es gibt diese Erneuerbare Energien-Komponente. Es gibt Arbeitsgruppen, die sich damit beschäftigen so viel wie möglich der benötigten Energie vor Ort mittels Solarzellen herzustellen. Wir wollen dort keine großen Dieselgeneratoren haben, die würden uns auch stören. Das SKA-Projekt hat viele interessante Dimensionen, die uns vor spannende Herausforderungen stellen, die deutlich über den eigentlichen wissenschaftlichen Horizont hinausreichen.

SKA Organisation

Bild vergrößernASKAP Pfadfinder Australien - Illustration
(Bild: SKA Organisation)
RN: Wie ist der weitere Verlauf?

Schwarz: 2016 finden die Vertragsverhandlungen statt. 2017 erfolgen die Ausschreibungen und 2018 beginnt die erste Bauphase.

RN: Wann erwarten Sie die ersten Daten?

Schwarz: Da SKA ein Interferometer ist und nicht alles fertig aufgebaut sein muss, um Daten zu erhalten, reicht es, wenn einige der Grundbausteine der Infrastruktur und einige erste Antennen fertig sind, das sollte 2020-2021 passieren. Dazu sei noch gesagt, es gibt sowohl in Australien, als auch Süd-Afrika sogenannte Pfadfinderexperimente. In Australien ist das das ASKAP.
Und in Süd-Afrika das MeerKAT. Diese Anlagen werden derzeit gebaut und nehmen demnächst bereits ihren Betrieb auf. Diese Anlagen werden dann später Bestandteil des SKA sein. Das wird sozusagen um diese dann bereits bestehenden Installationen herum gebaut und diese noch erweitern.

SKA Organisation

Bild vergrößernMeerKAT Pfadfinder Südafrika - Illustration
(Bild: SKA Organisation)
RN: Der deutsche Rückzug aus dem SKA-Projekt hat für deutliche Unmutsäußerungen in der wissenschaftlichen Community gesorgt. Sie sind Österreicher, dennoch die Frage: Wie stehen Sie hierzu?

Schwarz: Es ärgert mich natürlich trotzdem, weil ich als Wissenschaftler an einer deutschen Universität letztendlich davon abhängig bin, ob Deutschland bei SKA mitmacht oder nicht. Momentan arbeite ich in der Science Working Group, die ist derzeit vollkommen offen. Die Mitgliedschaft dort ist nicht geknüpft an eine Landesmitgliedschaft in der Organisation, auch weil ja die Verträge für das SKA noch nicht endgültig verhandelt sind. Sobald allerdings feststeht, wer final dabei ist und auch mit bezahlt, werden auch Wissenschaftler aus nicht teilnehmenden Ländern keine führende Rolle mehr in der Organisation übernehmen können.
Aber wir lassen uns da noch nicht entmutigen. Wir steigen nicht aus unseren Aktivitäten aus, da wir denken, dass es so viele gute Gründe gibt und auch noch einige Jahre Zeit sind, noch weitere Wege zu finden die Bedenken der deutschen Politik auszuräumen.
Ich glaube tatsächlich, dass wir hier gute Argumente haben und auch in den nächsten Monaten noch weitere stichhaltige Punkte anführen werden. Im Laufe dieses Jahres wird ein Rebaselining stattfinden, das heißt das Design wird nochmals überarbeitet und die ersten Wissenschaftsziele werden festgelegt, und die Kosten werden genauer kalkuliert. Ich denke, wenn alle diese Aspekte final auf dem Tisch liegen, werden wir eine bessere Basis für weitere Gespräche haben.

RN: Letzte Frage: Sie als theoretischer Physiker, was halten Sie persönlich eigentlich von Science-Fiction?

Schwarz: Ich bin eingeschworener Startrek-Fan. Natürlich gibt es auch schlechte Science-Fiction, aber generell finde ich das häufig sehr inspirierend. Eines meiner ersten SF-Bücher war Stanislaw Lems "Die Astronauten".

RN: Herr Schwarz, Danke für dieses Gespräch!

Prof. Dr. Schwarz ist theoretischer Physiker an der Fakultät für Physik der Universität Bielefeld. Er forscht zu Fragen aus der Frühzeit des Universums.

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