Quelle: ASTRON NL, 17. Juli 2025.

17. Juli 2025 – Dwingeloo – Entdeckung einer neuen Klasse kosmischer Radioemitter

Die Quelle mit der offiziellen Bezeichnung ILT J163430+445010 scheint zu einer bisher unbekannten Klasse von Objekten zu gehören, die als Long-Period Transients (LPTs) bekannt sind: rätselhafte Himmelskörper,
die viel langsamer als typische Pulsare helle Radiopulse aussenden.

Dieses System, das Tausende von Lichtjahren von der Erde entfernt ist, erzeugt alle 14 Minuten Radiopulse und weist dabei eine außergewöhnliche Eigenschaft auf. Einige Pulse haben Radiowellen, die sich im Kreis drehen (zirkulare Polarisation), während andere in geraden Linien schwingen (lineare Polarisation). „J1634+44 ist selbst unter der kleinen Population von Langzeit-Transienten, die bisher gefunden wurden, einzigartig“, sagte Sanne Bloot. „Sein schneller Polarisationswechsel von zirkular zu linear wurde bisher noch bei keinem anderen Objekttyp beobachtet und bietet uns eine seltene Gelegenheit, die Physik hinter diesen hellen und rätselhaften Impulsen zu untersuchen.“

Um die Natur des Objekts zu identifizieren, das die Impulse aussendet, kombinierten die Forscher Radiobeobachtungen mit Beobachtungen im Infrarot-, optischen und ultravioletten Bereich. Ihre Analyse deutet auf einen Weißen Zwerg hin: den heißen, dichten Kern, der übrig bleibt, wenn ein Stern wie unsere Sonne stirbt. Dieser Weiße Zwerg hat eine Oberflächentemperatur zwischen 15.000 und 33.000 Grad Celsius und ist damit viel heißer als unsere Sonne.

Hinweise auf einen versteckten Begleiter, der die Radioemissionen auslöst

Eine weitere außergewöhnliche Eigenschaft dieser Objekte ist, dass die Radiopulse in einem merkwürdigen Rhythmus eintreffen: Sie kommen paarweise, aber erst nachdem sich der tote Stern mehrmals gedreht hat, ohne dass dabei erkennbare Signale erzeugt wurden. Astronomen glauben, dass dieses Muster darauf hindeutet, dass der Weiße Zwerg einen Begleiter hat, möglicherweise einen anderen toten Stern oder einen gescheiterten Stern, einen sogenannten Braunen Zwerg, der durch magnetische Wechselwirkungen die Radioemissionen auslöst.

„Bemerkenswert ist, dass die Zeit zwischen den Impulspaaren einem choreografierten Muster zu folgen scheint“, sagte Dr. Harish Vedantham, Astronom bei ASTRON und Mitautor der Studie. „Wir glauben, dass dieses Muster wichtige Informationen darüber enthält, wie der Begleiter den Weißen Zwerg dazu veranlasst, Radiowellen auszusenden. Eine fortgesetzte Beobachtung sollte uns helfen, dieses Verhalten zu entschlüsseln, aber im Moment stehen wir vor einem echten Rätsel.“

Bislang wurden nur zehn dieser langsam pulsierenden Radioquellen gefunden, sodass jede neue Entdeckung für das Verständnis ihrer Funktionsweise von großem Wert ist. Im Gegensatz zu den meisten früheren Entdeckungen, die hinter Staubwolken und Sternen verborgen waren, befindet sich diese in einem relativ klaren Teil des Himmels und kann detailliert untersucht werden.

Die Entdeckung wurde durch eine systematische Suche nach Impulsen in den Daten des LOFAR Two Metre Sky Survey ermöglicht, einer hochempfindlichen Untersuchung des nördlichen Himmels. Da LOFAR seine Himmelsuntersuchung fortsetzt, erwartet das Team, noch mehrere solcher Objekte zu entdecken. Diese bevorstehenden Entdeckungen könnten endgültig erklären, wie tote Sterne als radioemittierende Leuchtfeuer wieder zum Leben erweckt werden.

J1634+44 wurde gleichzeitig mit dem CHIME-Teleskop von einem Team unter der Leitung von Dr. Fengqiu Adam Dong entdeckt. Ihre Arbeit mit dem Titel „CHIME/FRB Discovery of an Unusual Circularly Polarized Long-Period Radio Transient with an Accelerating Spin Period” wurde im Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.

LOFAR enthüllt seltene pulsierende tote Sterne

IDie Quelle wurde bei einer systematischen Suche nach ungewöhnlichen Radiosignalen im Rahmen des LOFAR Two-Metre Sky Survey entdeckt, der große Bereiche des nördlichen Himmels überwacht. Dank der Empfindlichkeit von LOFAR für zirkular polarisierte Radiowellen, die sich wie Korkenzieher drehen, konnte das Team die charakteristische Signatur dieses Systems erkennen. Über einen Zeitraum von fast vier Jahren verfolgten die Astronom*innen die Quelle und zeichneten 19 separate Radiobursts auf. Der hellste davon war hunderte Male stärker als das schwächste nachweisbare Signal.

Diese Entdeckung zeigt, wie moderne Radioteleskope seltene kosmische Phänomene aufdecken können, die für Asteronom*innen bisher unsichtbar waren. Während LOFAR seine Himmelsdurchmusterung fortsetzt, erwartet das Team, mehrere weitere dieser mysteriösen, Radiowellen aussendenden toten Sternsysteme zu entdecken, die eine völlig neue Population kosmischer Objekte offenbaren könnten. Diese Forschung und die zu erwartenden weiteren Entdeckungen könnten endgültig erklären, wie tote Sterne als radioemittierende Leuchtfeuer wieder zum Leben erweckt werden können.

Forschungsteam

Die Forschungsergebnisse wurden in Astronomy & Astrophysics veröffentlicht und sind das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen ASTRON, der Universität Groningen, der Universität Amsterdam, der Universität Texas in Austin, der Universität Hawaii, der Universität Leiden und der Universität Edinburgh.

Artikel:

1) Strongly polarised radio pulses from a new white dwarf hosting
long-period transient: https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2025/07/aa55131-25/aa55131-25.html

2) CHIME/FRB Discovery of an Unusual Circularly Polarized Long-Period Radio Transient with an Accelerating Spin Period: https://arxiv.org/abs/2507.05139

Über LOFAR ERIC:

LOFAR (LOw Frequency ARray) ist das weltweit größte und empfindlichste Radioteleskop, das bei niedrigen Frequenzen (10–240 MHz) eingesetzt werden soll. Es besteht aus 52 Antennenstationen, die strategisch günstig in ganz Europa verteilt sind: in den Niederlanden, Frankreich, Deutschland, Irland, Lettland, Polen, Schweden und dem Vereinigten Königreich. Der Bau von zwei weiteren internationalen Stationen in Italien und Bulgarien ist geplant.

LOFAR wurde ursprünglich von ASTRON (dem niederländischen Institut für Radioastronomie) entwickelt und hat die Niederfrequenz-Radioastronomie revolutioniert, was in den letzten zehn Jahren zu einer beeindruckenden Anzahl wissenschaftlicher Veröffentlichungen geführt hat. LOFAR bietet eine unübertroffene Empfindlichkeit – über 100 Mal besser als frühere Teleskope, die bei diesen Frequenzen eingesetzt wurden – mit einer außergewöhnlichen Bildauflösung und multidirektionalen Beobachtungsmöglichkeiten.

Seit Dezember 2023 wird die Infrastruktur von LOFAR ERIC verwaltet, einer einzigen juristischen Person in der Europäischen Union, deren Gründungsmitglieder Bulgarien, Deutschland, Irland, Italien, die Niederlande und Polen sind. Mit dem Beitritt Schwedens und des Vereinigten Königreichs ist die Gesamtzahl der Mitglieder auf acht Länder gestiegen, wobei die fortgesetzte Zusammenarbeit mit Instituten in Frankreich und Lettland eine weitere Beteiligung an der verteilten Infrastruktur und dem Forschungsprogramm von LOFAR sicherstellt.

LOFAR führt derzeit eine umfassende Aufrüstung (LOFAR 2.0) durch, die seine wissenschaftlichen Forschungskapazitäten erheblich verbessern und erweitern wird.

Auswirkungen auf die Forschung

Die umfassenden Datenarchive von LOFAR ermöglichen Forschern weltweit den Zugriff auf und die Analyse von vielfältigen astronomischen Beobachtungen und fördern so die globale wissenschaftliche Zusammenarbeit. Diese Archive enthalten detaillierte Beobachtungen von Galaxien und anderen kosmischen Phänomenen und dienen als dynamische Ressource zur Vertiefung unseres Verständnisses des Universums.
Die leistungsstarken Rechen- und Datenspeichereinrichtungen für LOFAR – sowohl inhaltlich als auch vom Umfang her astronomisch – werden in verteilten Rechenzentren in Amsterdam (Niederlande), Jülich (Deutschland) und Posen (Polen) gehostet.

ASTRON ist das niederländische Institut für Radioastronomie und gehört zur Institutsorganisation der NWO. Unsere Mission ist es, Entdeckungen in der Radioastronomie zu ermöglichen. Dazu entwickeln wir neue und innovative Technologien, setzen Weltklasse-Radioastronomieanlagen wie das Westerbork Synthesis Radio Telescope (WSRT) und das Low Frequency Array (LOFAR) ein und betreiben astronomische Grundlagenforschung.

Übersetzung: DeepL.com / Stefan Goth

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• Radioteleskop LOFAR

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Quelle: DLR 18. September 2024.

18. September 2024 – Astrophysiker haben die größten Plasmastrahlen eines schwarzen Lochs entdeckt, die jemals im Weltraum gesehen wurden. Schwarze Löcher sind dafür bekannt, dass sie Materie in ihrer unmittelbaren Umgebung verschlucken. Sie können aber auch große Mengen an Energie ausspucken, in Form von Strahlung oder Plasmastrahlen, den sogenannten „Jets“. Das internationale Forschungsteam mit Beteiligung von Dr. Gabriela Calistro Rivera vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat nun ein Jetpaar mit einer Gesamtlänge von 23 Millionen Lichtjahren entdeckt. Das entspricht der Größe von 140 Milchstraßen-Galaxien in einer Reihe. Die Plasmastrahlen schießen oberhalb und unterhalb eines supermassiven Schwarzen Lochs heraus, mit einer Leistung von mehreren Billionen Sonnen. Die Forschungsarbeit wurde am 18. September 2024 in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht, unter der Leitung des California Institute of Technology (Caltech).

Die Jets mit dem Spitznamen „Porphyrion“ – benannt nach einem Riesen aus der griechischen Mythologie – entspringen einem Schwarzen Loch, das sich im Herzen einer weit entfernten Galaxie befindet. Zwar war es bekannt, dass Jets über die Grenzen ihrer Galaxie herausragen können. Überraschend war für die Fachwelt nun jedoch, dass Porphyrion bis in die Leerräume des Universums reicht. Zur Einordnung: Sterne sind in Galaxien zusammengefasst, Galaxien wiederum in Galaxiengruppen und Galaxienhaufen, zwischen denen sich große Leerräume befinden. Die Galaxien sind dabei wie durch ein kosmisches Spinnennetz verbunden.

Einfluss auf die Entstehung von Galaxien
„Energiereiche Strahlung und Jets von Schwarzen Löchern können das Wachstum und die Entwicklung ihrer Galaxien drastisch beeinflussen. Porphyrion zeigt, dass diese Auswirkungen ungeahnte Ausmaße annehmen und die Struktur unseres Universums beeinflussen können“, sagt Calistro Rivera.

Die neueste Entdeckung deutet darauf hin, dass die riesigen Jets im jungen Universum einen größeren Einfluss auf die Entstehung von Galaxien gehabt haben könnten als bisher angenommen. Die beiden Jets sind 7,5 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt und stammen damit aus einer Zeit als das Universum halb so alt war wie heute. Porphyrion existierte damit bereits in einer frühen Epoche, als das Universum noch weniger ausgedehnt war und die dünnen Fäden des kosmischen Netzes enger zusammen lagen. Die Megaströme erstreckten sich damit über entsprechend größere Teile des Universums mit ihrem Einfluss.

Entdeckt wurde das Jetpaar mit Hilfe des LOFAR (LOw Frequency ARray) Radioteleskops in Europa. Das Team nutzte auch das Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) in Indien, zusammen mit zusätzlichen Daten aus dem Projekt DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) sowie das W. M. Keck Observatory in Hawai’i. Dies half den Forschenden, die richtige Wirtsgalaxie des supermassiven Schwarzen Lochs zu bestimmen, das die Jets erzeugte. Außerdem kombinierte DLR-Wissenschaftlerin Calistro Rivera diese Beobachtungsdaten und erstellte ein Modell, das die physikalischen Eigenschaften von Galaxien und Schwarzen Löchern bestimmen kann. Dank des physikalischen Modells erfuhren sie auch wie alt, wie hell und wie massiv die Galaxie ist, also wie viele Sterne sie vereint. Für das Schwarze Loch zeigte sich, dass es supermassiv und sehr aktiv ist.

Neue Erkenntnisse zu Schwarzen Löchern
Wenn supermassereiche Schwarze Löcher aktiv werden, zerrt und heizt ihre immense Schwerkraft an der umgebenden Materie. Dabei werden große Mengen an Energie freigesetzt, entweder in Form von Jets (Radiomodus) oder Strahlung im sichtbaren oder ultravioletten Bereich (Strahlungsmodus). Schwarze Löcher im Strahlungsmodus waren im jungen oder fernen Universum häufiger anzutreffen, während Schwarze Löcher mit Jets im heutigen Universum häufiger vorkommen.

„Indem wir die Beobachtungsdaten aus den verschiedenen Bereichen des elektromagnetischen Spektrum mit theoretischen Modellen verglichen haben, konnten wir mehr über die Physik in dem Schwarzen Loch und seiner Galaxie erfahren. Hier konnten wir lernen, dass die riesigen Jets in Porphyrion aus einem aktiven Schwarzen Loch im Strahlungsmodus stammen“, erklärt Calistro Rivera. Die Tatsache, dass Porphyrion von einem Schwarzen Loch im Strahlungsmodus stammt, ist eine Überraschung. Denn bisher war nicht bekannt, dass dieser Modus so große und starke Jets erzeugen kann.

Da Porphyrion in einem fernen Universum liegt, in dem Schwarze Löcher im Strahlungsmodus zahlreich vorhanden sind, deutet die Entdeckung außerdem darauf hin, dass es noch viele weitere gigantische Jets geben könnte. „Wir sehen vielleicht nur die Spitze des Eisbergs“, sagt Hauptautor der Nature-Studie Dr. Martijn Oei vom Caltech. „Unsere LOFAR-Untersuchung deckte nur 15 Prozent des Himmels ab. Und die meisten dieser gigantischen Jets sind wahrscheinlich schwer zu entdecken, daher glauben wir, dass es noch viel mehr dieser Giganten da draußen gibt.“

In einem nächsten Schritt möchte das Team besser verstehen, wie diese Megastrukturen ihre Umgebung beeinflussen, wenn sie kosmische Strahlung, Hitze, schwere Atome und Magnetfelder im Raum zwischen den Galaxien verbreiten.

Über die Studie
Die Nature-Studie „Black hole jets on the scale of the cosmic web” wurde vom Dutch Research Council, dem European Research Council, dem UK Science and Technology Facilities Council, dem UK Research and Innovation Future Leaders Fellowship und der Europäischen Union finanziert. Hauptautor ist Martijn Oei von der Universität Leiden und dem California Institute of Technology (Caltech), weitere Autoren sind Martin Hardcastle von der University of Hertfordshire, Roland Timmerman von der Durham University; Aivin R.D.J.G.I.B. Gast von der Universität Oxford; Andrea Botteon und Francesco de Gasperin vom Institut für Radioastronomie des Nationalen Instituts für Astrophysik in Italien; Antonio Rodriguez und S. G. Djorgovski vom Caltech; Daniel Stern vom Jet Propulsion Laboratory, das vom Caltech für die NASA geleitet wird; Gabriela Calistro Rivera vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie Reinout J. van Weeren, Huub J.A. Röttgering und Huib T. Intema von der Universität Leiden.

Publikation
Black hole jets on the scale of the cosmic web
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07879-y

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• Schwarze Löcher

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Quelle: Universität Hamburg 22. Januar 2024.

22. Januar 2024 – Das Low Frequency Array (LOFAR) ist das weltweit größte Radioteleskop für den Empfang von Radiokurzwellen und Ultrakurzwellen. Die Universität Hamburg betreibt zusammen mit der Universität Bielefeld ein LOFAR-Antennenfeld in Hamburg-Norderstedt, das auch Teil des Exzellenzclusters „Quantum Universe“ ist. Eine neue Trägereinrichtung soll nun für Forschende noch bessere Voraussetzungen schaffen, um tiefergehende Radiobilder des Universums zu erstellen.

Vor zehn Jahren nahm das LOFAR-Radioteleskop seinen Betrieb auf. Heute ist es ein gesamteuropäisches Projekt mit 52 Antennenstationen in acht europäischen Ländern. Das Gemeinschaftsprojekt entwickelte die niederfrequente Radioastronomie grundlegend weiter und führte zu Hunderten von wissenschaftlichen Publikationen. Bisher war LOFAR als eine niederländische Stiftung organisiert, doch aufgrund der europaweiten Bedeutung hat die Europäische Kommission entschieden, dieses nun in eine eigenständige Rechtsform zu überführen: European Research Infrastructure Consortium, ERIC. LOFAR ERIC wurde am 22. Januar 2024 offiziell gegründet.

Bundesrepublik gehört zu den Gründungsmitgliedern
Sechs EU-Länder hatten bei der Europäischen Kommission die Einrichtung von LOFAR ERIC beantragt und sind damit dessen Gründungsmitglieder: Bulgarien, Deutschland, Irland, Italien, die Niederlande und Polen. Die neue Forschungsorganisation kooperiert mit Instituten in Frankreich, Lettland, Schweden und dem Vereinigten Königreich.

Das LOFAR ERIC soll die über Europa verteilte Infrastruktur aufrüsten und der Astronomie hochmoderne Beobachtungs- und Datenverarbeitungssysteme bereitstellen. Schon jetzt bietet das Teleskop ein riesiges Himmelssichtfeld, beispiellose Empfindlichkeit und Bildauflösung sowie die neuartige Möglichkeit, gleichzeitig volldigital ohne bewegliche Teile in mehrere Richtungen zu beobachten.

Einblicke in Frühzeit des Universums wie auch in das Weltraumwetter
Die neue LOFAR-Trägereinrichtung soll Forschende befähigen, groß angelegte innovative Untersuchungen durchzuführen. Dazu gehören die Erforschung der Frühphase des Universums sowie der Entstehung und Entwicklung von Galaxien, Galaxienhaufen und schwarzen Löchern. Weitere Forschungsthemen sind die Beschaffenheit kosmischer Teilchen mit ultrahoher Energie, die Bedingungen im interstellaren Raum und die Struktur der kosmischen Magnetfelder. Darüber hinaus erlaubt das Radioteleskop einzigartige wissenschaftliche Erkenntnisse zu gesellschaftlich bedeutsamen Themen, von Blitzen über ionosphärische Störungen bis hin zum Weltraumwetter.

Halbes Jahrzehnt Vorarbeit für die europäische Forschungsorganisation
„Das LOFAR ERIC als Fenster zum Universum ist nicht nur für die Wissenschaft, sondern auch für die europäische Forschungspolitik von großer Bedeutung“, sagt Prof. Dr. Marcus Brüggen vom Fachbereich Physik der Universität Hamburg, der mit LOFAR den Ursprung kosmischer Magnetfelder untersucht und an der Einrichtung der neuen Forschungsorganisation mitgewirkt hat. „An der Hamburger Sternwarte haben wir neuartige Techniken für LOFAR entwickelt, mit denen wir den Himmel bei den allerniedrigsten Radiofrequenzen kartieren können – auch mit Methoden der künstlichen Intelligenz.“

Dr. René Vermeulen vom Niederländischen Institut für Radioastronomie ist Gründungsdirektor von LOFAR ERIC. „Die Gründung festigt Europas weltweite Spitzenposition in diesem wichtigen Forschungsbereich“, sagt der Astrophysiker. „Mit seiner konkurrenzlosen Forschungsinfrastruktur und seiner starken europaweiten Partnerschaft wird das LOFAR ERIC dem europäischen Forschungsraum als ein Leistungszentrum an der Spitze der astronomischen Wissenschaft und Technologie beitreten, das das Potenzial hat, zu den komplexesten Herausforderungen beizutragen.“

Als eine auf Dauer angelegte Forschungsorganisation bietet das LOFAR ERIC der europäischen und weltweiten Gemeinschaft künftig einen zuverlässigen Zugang zu zahlreichen wissenschaftlichen Forschungsservices. Ihre umfangreichen wissenschaftlichen Daten stellt sie über ein öffentlich zugängliches Archiv bereit.

Weitere Informationen:

• Website von LOFAR ERIC
• „LOFAR – ein neues Fenster in das Radiouniversum“ (Webseite des Bundesministeriums für Bildung und Forschung)
• „Neue Himmelskarte eröffnet Sicht auf 4,4 Millionen Galaxien“ (Pressemitteilung vom 25.02.2022)

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• Radioteleskop LOFAR

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Quelle: DPG.

Bad Honnef, 1. August 2023 – Die Anzahl von meist kommerziellen Satelliten, insbesondere auch auf erdnahen Umlaufbahnen, nimmt in jüngster Zeit besorgniserregend zu. Die damit einher­gehende wachsende Nutzung von Radiofrequenzen für die Kommunikation, für Rundfunk und Fernsehen, für zivile und militärische Radare ist gut geregelt, nicht jedoch die unbeabsichtigte Abstrahlung von Störstrahlung. Diese stellt zunehmend eine Herausforderung für die Erforschung des Universums mit Radiowellen dar.

Die neueste Ausgabe des Faktenblatts der DPG möchte auf diese Problematik aufmerksam machen. „Störstrahlung von Satelliten gefährdet höchstsensible astronomische Messungen und sollte dringend besser reguliert werden“, fordert daher DPG-Präsident Joachim Ullrich. Denn nur so kann die erdgebundene Radioastronomie weiterhin wichtige Erkenntnisse darüber liefern, wie das Universum entstanden ist und was es „im Innersten“ zusammenhält. Die Faktenblätter dieser Reihe bereiten in allgemeinverständlicher und kompakter Form Informationen zu aktuellen wissenschaftlichen und wissenschaftspolitischen Themen auf. Der gemeinnützige Verein möchte damit unter anderem dazu beitragen, die Gesellschaft sowie Entscheidungsträgerinnen oder -träger in Politik, Wirtschaft und Industrie mit Informationen zu zentralen Fragen der Physik zu versorgen. Damit nimmt die DPG ihre Verantwortung als neutrale und größte physikalische Fachgesellschaft der Welt wahr.

Der Bezug der Faktenblätter bei Neuerscheinen kann via E-Mail an physikkonkret(at)dpg-physik.de beauftragt werden. Alle bisher erschienenen Ausgaben finden sich im Internet unter: http://www.physikkonkret.de. Zudem bietet die DPG allen interessierten Schulen den kostenlosen Versand von Klassensätzen einzelner Physikkonkret-Ausgaben für den Unterricht an.

Über die DPG
Die Deutsche Physikalische Gesellschaft e. V. (DPG), deren Tradition bis in das Jahr 1845 zurückreicht, ist die älteste nationale und mit rund 55.000 Mitgliedern auch mitgliederstärkste physikalische Fachgesellschaft der Welt. Als gemeinnütziger Verein verfolgt sie keine wirtschaftlichen Interessen. Die DPG fördert mit Tagungen, Veranstaltungen und Publikationen den Wissenstransfer innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft und möchte allen Neugierigen ein Fenster zur Physik öffnen. Besondere Schwerpunkte sind die Förderung des naturwissenschaftlichen Nachwuchses und der Chancengleichheit. Sitz der DPG ist Bad Honnef am Rhein. Hauptstadtrepräsentanz ist das Magnus-Haus Berlin.
Website: http://www.dpg-physik.de

DPG Faktenblatt „Kommerzielle Satelliten gefährden die Radioastronomie“

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• Radioastronomie

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 27. Juli 2023.

27. Juli 2023 – Der „Tag der Offenen Tür“ bietet eine hervorragende Gelegenheit, ganz nah an das große 100-m-Radioteleskop heranzukommen und vielleicht sogar die erste Teleskopplattform in 20 Metern Höhe betreten zu können.

Das Teleskop ist auch heute, mehr als 50 Jahre nach seiner Inbetriebnahme, das größte voll bewegliche Radioteleskop Europas. Es liegt, geschützt vor Störstrahlung von außen, in einem Tal bei Bad Münstereifel-Effelsberg, ca. 40 km südwestlich von Bonn. Auf dem Institutsgelände befindet sich auch eine Station des europäischen LOFAR-Teleskopnetzwerks für Radiobeobachtungen im Meterwellenbereich.

Am 9. September 2023 ist jedermann willkommen, das Institutsgebäude mit dem Steuerraum, von dem aus das Radioteleskop betrieben wird, und insbesondere das Teleskop selbst aus nächster Nähe zu besichtigen.

Beim Zugang auf die Elevationsbühne in 20 m Höhe sei darauf hingewiesen, dass dafür festes Schuhwerk erforderlich ist, ebenso ein guter Gesundheitszustand und keine Höhenangst. Dieser Teil des Programms ist für kleine Kinder nicht geeignet.

Es wird kein Eintritt erhoben und es ist keine vorherige Anmeldung erforderlich.

Wann: Samstag, 9. September 2023, 10:00 – 17:00 Uhr

Wo: Radio-Observatorium Effelsberg, Max-Planck-Straße, 53902 Bad Münstereifel (zum Parken bitte den Hinweisen vor Ort in Lethert bzw. Effelsberg folgen)

Was: Tag der Offenen Tür am Radioteleskop Effelsberg

Poster: TDOT2023 (PDF-Datei, 0,5 MByte)

Das Gelände des Radio-Observatoriums im Effelsberger Bachtal wird über einen Fußweg vom Parkplatz aus erreichbar sein. Für Personen mit körperlichen Einschränkungen wird ein Pendelbus eingesetzt werden.

Genauere Informationen zum Programm der Veranstaltung am Radioteleskop Effelsberg werden zu einem späteren Zeitpunkt auf dieser Webseite präsentiert.

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• Terminvorschau auf Veranstaltungen

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 5. Juli 2023.

5. Juli 2023 – Wissenschaftler führender Forschungseinrichtungen, darunter das Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, haben mit dem Radioteleskop LOFAR 68 Satelliten von SpaceX beobachtet. Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass sie elektromagnetische Leckstrahlung entdeckt haben, die von der Bordelektronik erzeugt wird. Sie könnte astronomische Forschung behindern und unterscheidet sich von den normalen Kommunikationssignalen, die bisher im Fokus der Radioastronomen lagen. Die Autoren fordern daher Satellitenbetreiber und Regulierungsbehörden dazu auf, die Auswirkungen auf die Radioastronomie sowohl bei der Entwicklung von Raumfahrzeugen als auch bei Regulierungsverfahren zu berücksichtigen. Die Ergebnisse werden heute in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Ein neues Phänomen auf niedrigen Umlaufbahnen
Astronomen müssen für ihre Arbeit sehr schwache Signale aus dem Universum empfangen können. Von Menschen verursachte Radiosignale können astrophysikalische Quellen aber um ein Vielfaches überstrahlen. Daher werden die meisten Radioteleskope an Standorten gebaut, die besonders vor terrestrischen Störungen geschützt sind. Einige befinden sich sogar in radioruhigen Zonen, die von einigen Staaten eingerichtet wurden. Der technologische Fortschritt ermöglichte in den letzten Jahren erstmalig, riesige Satellitenkonstellationen ins All zu befördern, die für den Breitband-Internetzugang oder die Erdbeobachtung genutzt werden. Sie stellen eine völlig neue Herausforderung für die Astronomie dar. Da sich nun Tausende von Satelliten auf niedrigen Erdumlaufbahnen befinden, hat jedes Radioteleskop zu jeder Zeit viele Satelliten im Blick, die Signale ausstrahlen. Bisher ging man davon aus, dass es hauptsächlich die Kommunikationssignale der Satelliten wären, die radioastronomische Beobachtungen behindern können. Die nun erstmalig beobachtete Leckstrahlung, wahrscheinlich verursacht vom elektronischen Equipment der Satelliten, hatte man bisher nicht auf dem Schirm und weitere Untersuchungen dazu sind vonnöten.

„Diese Studie ist der jüngste Versuch, die Auswirkungen von Satellitenkonstellationen auf die Radioastronomie besser zu verstehen“, sagte der Hauptautor Federico Di Vruno, „in früheren Workshops zum Schutz des Nachthimmels und der Astronomie vor Auswirkungen von Satelliten wurden Theorien über diese Strahlung aufgestellt; unsere Beobachtungen bestätigen, dass sie messbar ist.“ Di Vruno ist Co-Direktor des Centre for the Protection of the Dark and Quiet Sky from Satellite Constellation Interference der Internationalen Astronomischen Union (IAU CPS) und außerdem Spektrum-Manager für das SKA-Observatorium (SKAO). Die weiteren Autoren der Studie sind alles aktive Mitglieder des CPS.

Bestehende und geplante Satellitenkonstellationen
Das Team um Di Vruno konzentrierte sich zunächst auf die SpaceX-Satelliten, da SpaceX zum Zeitpunkt der Beobachtungen die größte Anzahl von Satelliten – mehr als 2.000 – im Orbit hatte. Die Autoren stellen jedoch klar, dass SpaceX nicht der einzige Betreiber von großen Satellitenkonstellationen ist. Sie gehen davon aus, dass andere Satelliten ähnliche unbeabsichtigte Emissionen ausstrahlen. Es sind bereits weitere Messungen geplant, die sich auf andere Satellitenkonstellationen konzentrieren werden.

„Mit LOFAR konnten wir von 47 der 68 beobachteten Satelliten Strahlung zwischen 110 und 188 MHz nachweisen. Dieser Frequenzbereich umfasst ein geschütztes Band zwischen 150,05 und 153 MHz, das von der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) speziell für die Radioastronomie zugewiesen wurde“, sagt Mitautor Cees Bassa von ASTRON, dem niederländischen Institut für Radioastronomie. SpaceX verstößt jedoch nicht gegen Vorschriften oder Regulierungen, da diese Art von Strahlung für Satelliten nicht durch internationale Regelungen abgedeckt ist. Im Gegensatz dazu gelten für terrestrische Geräte Vorschriften, um sicherzustellen, dass ein Gerät nicht ein anderes in der Nähe stört.

Die Autoren führten auch umfangreiche Simulationen dieses Effekts für verschiedene Satellitenkonstellationen durch. „Unsere Simulationen zeigen unter anderem, dass dieser Effekt umso wichtiger wird, je größer die Konstellation ist, da sich die Strahlung aller Satelliten summiert. Das bereitet uns natürlich Sorgen, insbesondere wenn man an die Vielzahl von geplanten Satelliten denkt. Und es fehlt an spezifischen Regeln, die die Radioastronomie vor unbeabsichtigter Strahlung der Satelliten schützen“, sagt Mitautor Benjamin Winkel vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn.

Verstärkte Zusammenarbeit mit Satellitenbetreibern ist entscheidend
Die Autoren stehen in engem Kontakt mit SpaceX. Das Unternehmen möchte mögliche negative Auswirkungen auf die Astronomie auf jeden Fall verhindern. SpaceX hat bereits Änderungen an der kommenden Satellitengeneration vorgenommen und hofft, dass damit eine Verbesserung der Situation erzielt wird.

Mitautor Gyula Józsa (ebenfalls vom MPIfR und von der Rhodes-Universität in Südafrika) betont: „Wir glauben, dass das rechtzeitige Erkennen dieser Situation den Astronomen und den Betreibern großer Satellitenkonstellationen die Chance gibt, gemeinsam an technischen Maßnahmen zu arbeiten. Parallel dazu sind aber dringend Gespräche mit Regulierungsbehörden zu führen, um geeignete Regulierungen zu schaffen.“

„Die vorliegende Studie zeigt, dass neue technologische Entwicklungen unvorhergesehene Nebenwirkungen auf die Astronomie haben können“, schließt Prof. Michael Kramer, Direktor am MPIfR und Präsident der Astronomischen Gesellschaft in Deutschland. Er begrüßt ausdrücklich den kooperativen Ansatz von SpaceX. „SpaceX geht mit gutem Beispiel voran. Nun hoffen wir auf eine breite Unterstützung durch die gesamte Satellitenindustrie und die Regulierungsbehörden.“

Über das CPS
Das Centre for the Protection of the Dark and Quiet Sky from Satellite Constellation Interference (CPS) der Internationalen Astronomischen Union (IAU) ist eine globale Organisation, die gemeinsam vom NOIRLab der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) und dem SKA-Observatorium (SKAO) unter der Schirmherrschaft der IAU betrieben wird.

Das CPS erleichtert die globale Koordinierung der Bemühungen der astronomischen Gemeinschaft in Zusammenarbeit mit Observatorien, Raumfahrtbehörden, Industrie, Regulierungsbehörden und anderen Sektoren, um die negativen Auswirkungen von Satellitenkonstellationen auf die Astronomie zu mildern.

Zu den teilnehmenden Forschungseinrichtungen gehören das SKA-Observatorium, das European Research Council (ERC), das Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), das Niederländische Institut für Radioastronomie (ASTRON), die Rhodes-Universität in Südafrika und das Jodrell Bank Centre for Astrophysics in Großbritannien. Benjamin Winkel, Gyula I. G. Józsa und Axel Jessner sind Ko-Autoren vom MPIfR. Mehrere der Autoren sind außerdem im Committee for Radioastronomy Frequencies (CRAF) aktiv, das sich für den Schutz von radioastronomischen Beobachtungen vor menschengemachten Funksignalen stark macht. Alle Autoren sind Mitglieder des Opticon RadioNet Pilot, welches die ORP Sky Protection Group unterhält.

Originalveröffentlichung
Unintended radio emission from Starlink satellites detected with LOFAR between 110 and 188 MHz
F. Di Vruno, B. Winkel, C. G. Bassa, G. I. G. Józsa, M. A. Brentjens, A. Jessner, and S. Garrington, 2023, Astronomy & Astrophysics, July 05, 2023 (DOI: 10.1051/0004-6361/202346374), pdf: https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2023/08/aa46374-23.pdf.

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• Beeinträchtigung von astronomischen Teleskopen durch Megakonstellationen

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Quelle: Universität Hamburg 28. September 2022.

28. September 2022 – Aus großer Entfernung betrachtet, ist Masse im Universum nicht gleichmäßig verteilt, sondern ähnelt einer netzartigen Struktur, dem sogenannten kosmischen Netz. An den Knotenpunkten des kosmischen Netzes befinden sich häufig tausende Galaxien. Das Aufeinanderprallen solcher Galaxienhaufen gilt nach dem Urknall als eines der mächtigsten astronomischen Ereignisse überhaupt. Bei solchen Kollisionen werden winzige geladene Teilchen fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Dadurch entsteht Radiostrahlung, die mit speziellen Teleskopen messbar ist.

Mithilfe des weltgrößten Radioteleskops, dem „Low Frequency Array“ (LOFAR), hat ein internationales Team unter Leitung von Dr. Virginia Cuciti von der Hamburger Sternwarte nun vier Galaxienhaufen aufgespürt, die von einer Hülle schwacher Radiostrahlung umgeben sind. Dieses Phänomen bezeichnet die Forschungsgruppe als „Megahalos“. Sie sind etwa 30 Mal größer als alle bisher bekannten Radioquellen. „Wir haben also gigantische kosmische Teilchenbeschleuniger entdeckt“, erklärt Cuciti, Hauptautorin der Studie und Alexander-von-Humboldt-Stipendiatin an der Universität Hamburg.

„Die Wahrscheinlichkeit ist groß, dass die vier entdeckten Megahalos nur die Spitze des Eisbergs eines weit verbreiteten kosmologischen Phänomens sind und künftige Beobachtungen weitere Megahalos zu Tage fördern werden,“ sagt Dr. Cuciti. „Das bedeutet auch, dass weitere Beobachtungen Megahalos in viel mehr Galaxienhaufen aufdecken könnten“, fügt Prof. Dr. Marcus Brüggen, Mitautor der Studie, hinzu. Megahalos deuten darauf hin, dass die meisten Teile des Universums mit ultraschnellen Elektronen und mit Magnetfeldern gefüllt sind, und dass es einen Mechanismus geben muss, diese Elektronen sehr effizient zu beschleunigen.

LOFAR ist ein europaweites Netz von Radioantennen, dessen Kernstück sich in den Niederlanden befindet. Das Teleskop ist darauf ausgelegt, niedrigfrequente Radiowellen im Bereich von 10-240 MHz aufzuspüren. Es wird von dem niederländischen Institut für Radioastronomie betrieben. Frankreich, Deutschland, Irland, Italien, Lettland, Polen, Schweden, Bulgarien und Großbritannien sind Partnerländer.

Aktuell durchläuft LOFAR ein großes Upgrade, um seine Empfindlichkeit zu erhöhen. Diese Aufrüstung wird es den Forschenden ermöglichen, die Radiowellen des Universums auf noch nie dagewesene Weise zu erforschen und weitere Megahalos zu entdecken.

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• Radioteleskop LOFAR

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 3. August 2022.

3. August 2022 – Das 100-m-Radioteleskop des Bonner Max-Planck-Instituts für Radioastronomie beging im Jahr 2021 seinen 50. Geburtstag. Der Aufbau des Teleskops in einem Eifeltal ca. 40 km südwestlich von Bonn erforderte eine dreieinhalbjährige Bauzeit von 1967 bis 1971, die mit der offiziellen Einweihung am 12. Mai 1971 abgeschlossen wurde. Es sollte dann noch etwas mehr als ein Jahr vergehen, bis zum 1. August 1972 die volle Inbetriebnahme des Teleskops und der Start des regulären Beobachtungsprogramms erfolgen konnten.

Das 100-m-Radioteleskop des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) liegt in einem Bachtal unmittelbar an der Grenze zwischen den Bundesländern Nordrhein-Westfalen und Rheinland-Pfalz. Vom Besucherparkplatz bei den Eifeldörfern Effelsberg und Lethert, die beide zur Ortsgemeinde Bad Münstereifel gehören, sind es ungefähr 15 Minuten Fußweg bis zum Besucherpavillon des Radioteleskops mit direktem Blick auf das Teleskop selbst.

Als Rückblick auf 50 Jahre erfolgreiche Forschungsarbeit mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg wurde im Mai 2021 ein vierter astronomischer Wanderweg, der „Zeitreiseweg“, in der Nachbarschaft des Radioteleskops Effelsberg eröffnet. Er beginnt am Besucherpavillon in unmittelbarer Nähe zum 100-m-Radioteleskop, führt auf einer Strecke von etwas mehr als 5 km rund um das Teleskop und endet am Aussichtspunkt direkt vor der riesigen Antenne. Von dort führt ein kurzer Zickzack-Weg direkt zurück zum Pavillon.

Während die erste Stationstafel des Zeitreisewegs der Fertigstellung des Radioteleskops im Jahr 1971 (feierliche Einweihung am 12. Mai 1971) gewidmet ist, erfolgten die volle Inbetriebnahme und der Start des regulären Messprogramms dann ein gutes Jahr später zum 1. August 1972.

Tafel 2 des Zeitreisewegs (Abb. 2) steht für die Ereignisse im Jahr 1972, neben der vollen Inbetriebnahme erfolgten auch erste Pulsarmessungen mit dem 100-m-Radioteleskop bei einer Wellenlänge von 2,8 cm. Bei dieser Wellenlänge (entsprechend einer Frequenz von 10,7 GHz) waren es die bis dato höchstfrequenten Messungen von Pulsaren, den erst fünf Jahre zuvor im Jahr 1967 von Jocelyn Bell-Burnell und Antony Hewish entdeckten schnell rotierenden Neutronensternen.

„Tatsächlich war die Veröffentlichung zu Pulsaren von Richard Wielebinski, Wolfgang Sieber, und Koautoren in der Zeitschrift „Nature“ bereits im Jahr 1972 die erste Fachveröffentlichung, die auf Beobachtungsdaten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg basierte“, sagt Prof. Michael Kramer, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und Leiter der Forschungsabteilung „Radioastronomische Fundamentalphysik“.

Der Zeitreiseweg beschreibt auf insgesamt 20 Stationen eine Reihe von Wegmarken aus fünf Jahrzehnten Geschichte des 100-m-Radioteleskops, von der offiziellen Eröffnung im Jahr 1971 bis zum 50-jährigen Jubiläum im Jahr 2021.

Dazu gehören sowohl wissenschaftliche als auch technische Meilensteine, von der ersten Entdeckung der Moleküle Wasser und Ammoniak außerhalb der Grenzen unserer Milchstraße 1977/79 bis hin zum Weltrekord in der Winkelauflösung von nur 11 Mikrobogensekunden (entspricht dem Durchmesser einer 1-Cent-Münze auf der Mondoberfläche) durch Space VLBI-Beobachtungen mit dem 100-m-Teleskop. Hinzu kommen technische Meilensteine wie die Installation eines neuen Subreflektors mit oberflächenaktiven Elementen im Jahr 2006 und die Inbetriebnahme eines zweiten Radioteleskops vor Ort, der Station Effelsberg des europäischen LOFAR-Teleskopnetzwerks.

Der Zeitreiseweg verläuft auf etwas mehr als 5 km Länge rund um das Gelände des Radio-Observatoriums, im Bereich von gleich zwei Bundesländern (Nordrhein-Westfalen und Rheinland-Pfalz).

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• Geschichte der Astronomie/ Historisches

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Quelle: DLR 1. Juli 2022.

1. Juli 2022 – Roboter können in Gegenden vordringen, die für Menschen gefährlich oder unerreichbar sind. Sie können sogar fremde Planeten erkunden – oder den Mond. Das wurde jetzt am Vulkan Ätna (Italien) gezeigt: Unterschiedliche Roboter haben selbstständig Aufträge erledigt – sie haben Gesteinsproben genommen, analysiert und die Ergebnisse an einen Kontrollraum weitergeleitet. Neben dieser „Geological Mission I“ wurden zwei weitere Szenarien vorgestellt. Sie bilden den Abschluss des Helmholtz-Projekts ARCHES (Autonomous Robotic Networks to Help Modern Societies). Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) leitet das Projekt. Die Lava-Landschaft am sizilianischen Vulkan Ätna ähnelt der Mondoberfläche und eignet sich deswegen gut als Testumgebung. Neben der losen, grobkörnigen Beschaffenheit sind auch die erstarrten Lava-Schichten realistische Herausforderungen für Erkundungsmissionen.

„Teams aus mobilen Robotern haben bei künftigen Weltraum-Missionen eine wichtige Rolle. In heterogenen Teams ergänzen und unterstützen sich die Roboter mit ihren unterschiedlichen Fähigkeiten. Sie dienen als verlängerter Arm und verlängertes Auge des Menschen“, erklärt Dr. Armin Wedler, Projektleiter im DLR-Institut für Robotik und Mechatronik. In der „Geological Mission I“ sah das so aus: Zwei Roboter waren gemeinsam autonom unterwegs. Dazu kommt noch eine Drohne. Roboter LRU1 (Light weight rover unit 1) bewertet Bodenproben über seine Kameras, er gilt im Team als der „Wissenschaftler“. LRU2 übernimmt die Rolle des „Assistenten“, er sammelt Bodenproben ein, bringt sie zum Lander oder analysiert sie mit LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy; Laser-induzierte Plasmaspektroskopie).

Für LIBS wird ein leistungsstarker gepulster Laserstrahl auf die Probe gerichtet. Das Material verdampft teilweise und über das entstandene Plasma erkennt LIBS unterschiedliche Elemente. Das ARCHES LIBS Modul ist eine Entwicklung des DLR-Instituts für Optische Sensorsysteme. LRU2 transportiert außerdem Materialboxen, hat Platz für Werkzeug und stellt sicher, dass LRU1 immer WLAN hat. Die Drohne ARDEA gilt im Team als „Kundschafter“ und kartiert das Gelände. Wegen des zeitweise starken Windes am Ätna konnten die Fähigkeiten von ARDEA und LIBS nicht bei allen Durchläufen eingesetzt werden.

Die drei Szenarien basieren auf unterschiedlichen Rahmenbedingungen
Die „Geological Mission I“ geht davon aus, dass die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Aufgaben der Roboter von der Erde aus überwachen. Anders ist es bei der „Geological Mission II“, die ebenfalls am Ätna gezeigt wurde. Hier werden die Roboter von einer Station im Orbit gesteuert. Neben LRU1 und LRU2 sammelt der Interact Rover Gesteinsproben und bringt sie zu einem Lander. Der Interact Rover hat einen Kameraarm und einen Greifarm, der auch ein haptisches Feedback gibt. Das heißt, er ermöglicht den weit entfernten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ein Tastgefühl für die Gesteinsproben. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat einen Roboterarm mit einer Hand als haptische Mensch-Maschine-Schnittstelle entwickelt. Der vierte Roboter – der Scout-Rover – ist mit einem WLAN-Repeater ausgestattet und platziert sich so, dass Interact kontinuierlich Verbindung zum Kontrollraum hat. Bei der „Geological Mission II“ arbeiten die Roboter nicht autonom, sondern werden von einer Astronautin oder einem Astronauten gelenkt.

Bei der Demomission übernahm der deutsche Astronaut Thomas Reiter diese Aufgabe in einem eigens eingerichteten Kontrollraum in Catania, der etwa 23 Kilometer entfernt war. Die „Geological Mission II“ ist gleichzeitig der Abschluss der Analog-1-Kampagne der Europäischen Weltraumorganisation ESA. 2019 hatte ESA-Astronaut Luca Parmitano im Rahmen der Analog-1-Kampagne von der Internationalen Raumstation ISS aus den Interact Rover in einer simulierten Mondumgebung in den Niederlanden gesteuert.

Antenne für die Rückseite des Mondes
Im dritten Szenario „LoFar Experiment“ ging es um die Installation und Wartung eines Niederfrequenz-Funkantennenfeldes (LoFar, Low-Frequency Radio Array). Die LRU-Rover und die Drohne ARDEA haben so die Aufstellung des Antennensystems auf der Rückseite des Mondes simuliert. Eine entsprechende Antenne könnte von der Mondrückseite in die Tiefen des Weltalls gerichtet werden.

Das Helmholtz-Zukunftsprojekt ARCHES
Im Helmholtz-Zukunftsprojekt ARCHES (Autonomous Robotic Networks to Help Modern Societies) werden seit 2018 heterogene, autonome, vernetzte robotische Systeme entwickelt. Nicht nur die Roboter sind unterschiedlich, sondern auch die Anwendungsfelder. Neben der Erkundung des Sonnensystems ist zum Beispiel die Umweltüberwachung der Ozeane und die Unterstützung bei Krisen auf der Erde möglich.

Die Demo-Mission „Space“, die jetzt auf dem Ätna stattfand, musste wegen der Corona-Pandemie mehrmals verschoben werden. Eine Demo-Mission „Tiefsee“, die ebenfalls zu ARCHES gehört, wurde Ende 2020 durchgeführt.

Die Demo-Mission „Space“ wurde vom DLR gemeinsam mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) in Catania durchgeführt. Weitere ARCHES-Projektpartner sind das Alfred-Wegener-Institut (AWI, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung) und das GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel (GEOMAR). Vor fünf Jahren gab es bereits die Demomission ROBEX (Robotische Exploration unter Extrembedingungen) auf dem Ätna. ARCHES erweitert auch die Erkenntnisse, die durch ROBEX gewonnen wurden.

Neben dem DLR-Institut für Robotik und Mechatronik sind das DLR-Institut für Systemdynamik und Regelungstechnik, das DLR-Institut für Kommunikation und Navigation, das DLR-Institut für Optische Sensorsysteme und die Einrichtung Raumflugbetrieb und Astronautentraining an ARCHES beteiligt.

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• DLR

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Quelle: Universität Hamburg.

25. Februar 2022 – Möglich gemacht wurde die Entdeckung durch das größte je gebaute Radioteleskop LOFAR (Low Frequency Array), dessen Empfängerstationen über sieben Länder in Europa verteilt sind. Die Forschenden kartierten ein Viertel des nördlichen Himmels im Radiowellenbereich und machen diesen Datenschatz jetzt der Öffentlichkeit zugänglich. Die meisten Objekte in der neuen Himmelskarte sind Milliarden Lichtjahre entfernt. In der Regel handelt es sich um Galaxien, die in ihrem Zentrum massereiche Schwarze Löcher oder Gebiete sehr starker Sternbildung beherbergen.

Der riesige Datensatz umfasst Aufnahmen aus 3.500 Beobachtungsstunden und hat eine Größe von acht Petabyte, was ungefähr der Speicherkapazität von 20.000 Laptops entspricht. Dabei handelt es sich aber erst um 27 Prozent des Nordhimmels, den LOFAR gänzlich kartieren wird. Die Messungen bieten bereits jetzt neue Möglichkeiten, um den Entstehungsprozess von Schwarzen Löchern oder von Sternen zu erforschen. Die LOFAR-Daten liefern aber auch neues Wissen über kollidierende Galaxienhaufen mit Hunderten bis Tausenden von Galaxien sowie neue Erkenntnisse über Magnetfelder und hochenergetische Teilchen im Universum.

Die mit LOFAR erzeugten Daten stehen Forschenden weltweit für die weitere Auswertung zur Verfügung und wurden auch in den vergangenen Jahren von zahlreichen Gruppen für die wissenschaftliche Arbeit genutzt. In Hamburg arbeitet das Team um Prof. Dr. Marcus Brüggen mit diesen Datensätzen. Marcus Brüggen ist Astrophysiker an der Hamburger Sternwarte und für die gemeinsam mit der Universität Bielefeld betriebene LOFAR-Station in Norderstedt verantwortlich. Die Hamburger Forschenden untersuchen insbesondere gigantische Radioquellen, die Millionen von Lichtjahren lang sind. So wollen sie den Ursprung von Magnetfeldern im Kosmos erforschen.

„Die völlig neuartige Technik des LOFAR-Radioteleskops und die Beteiligung an diesem internationalen Projekt ermöglichen uns wichtige Beiträge zur Erforschung von kosmischen Magnetfeldern. Das ist auch ein wichtiges Forschungsprojekt im Exzellenzcluster Quantum Universe“, sagt Marcus Brüggen. Aus den Daten ist bereits jetzt ersichtlich, dass die Magnetfelder im Universum schon recht früh zu ihrer jetzigen Stärke angewachsen sein müssen. Denn chaotische Gasbewegungen verstärken die Magnetfelder recht schnell. Dieser Prozess wird „Dynamo“ genannt.

Originalveröffentlichung
T. W. Shimwell, M. J. Hardcastle, C. Tasse, P. N. Best, H. J. A. Röttgering, W. L. Williams, A. Botteon, A. Drabent, A. Mechev, A. Shulevski, R. J. van Weeren et al.: The LOFAR Two-metre Sky Survey (LoTSS). V. Second data release. Astronomy & Astrophysics (2022), DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202142484

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• Radioteleskop LOFAR

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Quelle: der Universität Hamburg.

18. Oktober 2021 – Die neue Studie konzentriert sich auf das System Nest200047 – eine Gruppe von etwa 20 Galaxien in rund 200 Millionen Lichtjahren Entfernung und wurde in der Fachzeitschrift „Nature Astronomy“ veröffentlicht.

Die zentrale Galaxie des Systems Nest200047 beherbergt ein aktives Schwarzes Loch, um das herum die Forscherinnen und Forscher Gasblasen, einige unbekannte Filamente von relativistischen Teilchen und Magnetfeldern in einer Größe von Hunderttausenden von Lichtjahren beobachteten.

Diese Beobachtungen waren dank LOFAR (LOw Frequency ARray), dem größten Niederfrequenz-Radioteleskop der Welt, möglich. LOFAR kann Radiowellen auffangen, die von den sehr schnellen elektrisch geladenen Teilchen erzeugt werden. Dieses hochmoderne Instrument ist das Ergebnis großer wissenschaftlicher Anstrengungen von neun europäischen Ländern und ermöglichte es den Forschenden, in die Zeit vor mehr als 100 Millionen Jahren zurückzugehen und die Aktivität des Schwarzen Lochs im Zentrum von Nest200047 nachzuvollziehen.

„Unsere Untersuchung zeigt, wie sich diese durch das Schwarze Loch beschleunigten Gasblasen ausdehnen und im Laufe der Zeit verändern. Dabei entstehen spektakuläre pilzförmige Strukturen, Ringe und Filamente, die denen eines gewaltigen Vulkanausbruchs auf der Erde ähneln“, erklärt Marcus Brüggen vom Exzellenzcluster Quantum Universe der Universität Hamburg sowie Physikprofessor an der Hamburger Sternwarte als einer der Mitautoren dieser Arbeit.

Im Kern jeder Galaxie befindet sich ein supermassives Schwarzes Loch mit einer Masse von mehreren Millionen Sonnenmassen. Die Aktivität eines solchen Schwarzen Lochs hat einen entscheidenden Einfluss auf die Entwicklung der Galaxie und der intergalaktischen Umgebung, in der sie sich befindet. Seit Jahren versuchen Forscherinnen und Forscher herauszufinden, auf welche Art und Weise und in welchem Tempo die Aktivität dieser schwarzen Löcher diese Aktivitäten hervorruft.

Wenn Schwarze Löcher aktiv sind, ziehen sie Umgebungsgas an und setzen dabei enorme Mengen an Energie frei. Manchmal erfolgt die Energiefreisetzung in Form von Teilchenströmen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen und Radiowellen erzeugen. Diese Ströme wiederum erzeugen Blasen, die langsam aufsteigen und das sie umgebende intergalaktische Medium aufheizen. Dies hat einen immensen Einfluss auf die Entwicklung des intergalaktischen Mediums und folglich auch auf die weitere Entwicklung der Galaxie, zum Beispiel ob sie weiter anwächst.
„Die Studie zeigt, dass sich der Einfluss aktiver Schwarzer Löcher auf Skalen bewegt, die bis zu hundert Mal größer sind als die umgebende Galaxie selbst, und dass ein solcher Einfluss bis zu Hunderte von Millionen Jahren andauert“, erläutert Franceso de Gasperin vom Exzellenzcluster Quantum Universe der Universität Hamburg und Physikprofessor an der Hamburger Sternwarte sowie Mitautor der Studie.

Für ihre Arbeit nutzten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auch Beobachtungen von eROSITA, dem neuen Röntgenteleskop an Bord des russisch-deutschen Weltraumobservatoriums „Spectrum-Roentgen-Gamma“ (SRG), an dem die Universität Hamburg maßgeblich beteiligt ist.
Diese Beobachtungen brachten weitere unerwartete Entdeckungen mit sich: dünne Gasfilamente, die sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen und eine Million Lichtjahre große Magnetfelder.

Originalpublikation:
M. Brienza, T. W. Shimwell, F. de Gasperin, I. Bikmaev, A. Bonafede, A. Botteon, M. Brüggen, G. Brunetti, R. Burenin , A. Capetti , E.Churazov, M. J. Hardcastle, I. Khabibullin, N. Lyskova, H. J. A. Röttgering, R. Sunyaev, R. J. van Weeren, F. Gastaldello, S. Mandal, S. Purser, A. Simionescu, and C. Tasse, A snapshot of the oldest active galactic nuclei feedback phases, Nature Astronomy (2021).
https://www.nature.com/articles/s41550-021-01491-0

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• Radioteleskop LOFAR

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn.

Das 100m-Radioteleskop des Bonner Max-Planck-Instituts für Radioastronomie begeht im Jahr 2021 seinen 50. Geburtstag. Der Aufbau des Teleskops in einem Eifeltal ca. 40 km südwestlich von Bonn erfolgte in gut dreieinhalbjähriger Bauzeit von 1967 bis 1971. Am 12. Mai 1971 erfolgte das Richtfest in Form einer feierlichen Eröffnung am Standort des Teleskops, nicht weit entfernt von den beiden Eifeldörfern Effelsberg und Lethert, inzwischen Ortsteile der Stadt Bad Münstereifel.

Zum Jubiläum wird im Mai 2021 mit dem Zeitreiseweg der vierte astronomische Themenwanderweg fertiggestellt. Er verläuft als Rundweg von 5 km Länge um das 100-m-Radioteleskop und berichtet auf 20 Tafeln aus der 50jährigen Geschichte des Radioteleskops Effelsberg. Die Tafeln erzählen von wissenschaftlichen Ergebnissen mit dem Teleskop, sowie von bemerkenswerten technischen Neuerungen wie der Installation eines neuen Subreflektors oder dem Aufbau der LOFAR-Station Effelsberg als Ergänzung zu größeren Wellenlängen.

Das 100-m-Radioteleskop des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie liegt in einem Bachtal unmittelbar an der Grenze zwischen den Bundesländern Nordrhein-Westfalen und Rheinland-Pfalz. Vom Besucherparkplatz bei den Eifeldörfern Effelsberg und Lethert, die beide zur Ortsgemeinde Bad Münstereifel gehören, sind es ungefähr 15 Minuten Fußweg bis zum Besucherpavillon des Radioteleskops mit direktem Blick auf das Teleskop selbst.

Als Rückblick auf 50 Jahre erfolgreiche Forschungsarbeit mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg wird im Mai 2021 ein neuer Wanderweg, der „Zeitreiseweg“, in der Nachbarschaft des Radioteleskops Effelsberg eröffnet. Er beginnt am Besucherpavillon in unmittelbarer Nähe zum 100-m-Radioteleskop, führt auf einer Strecke von etwas mehr als 5 km rund um das Teleskop und endet am Aussichtspunkt direkt vor der riesigen Antenne. Von dort führt ein kurzer Zickzack-Weg direkt zurück zum Pavillon.

„Der neue Wanderweg erlaubt nicht nur einen faszinierenden Einblick in 50 Jahre Forschung und Technik in Effelsberg, sondern ermöglicht auch die Aussicht auf das spektakuläre Teleskop und die umgebende schöne Eifellandschaft aus verschiedenen Perspektiven“, sagt Alex Kraus, der Leiter des Radioobservatoriums Effelsberg. „Bereits im Rahmen meiner Promotion am Institut hatte ich eine Menge Messzeit mit dem Teleskop zur Untersuchung der Kurzzeitvariabilität von aktiven Galaxienkernen.“ Dieses Thema wird in Station Nr. 8 des Zeitreisewegs dokumentiert.

Der Zeitreiseweg beschreibt in insgesamt 20 Stationen eine Reihe von Ereignissen aus fünf Jahrzehnten Geschichte des 100-m-Radioteleskops, von der offiziellen Eröffnung im Jahr 1971 bis zum 50-jährigen Jubiläum im aktuellen Jahr 2021.

Dazu gehören sowohl wissenschaftliche als auch technische Meilensteine, von der ersten Entdeckung der Moleküle Wasser und Ammoniak außerhalb der Grenzen unserer Milchstraße 1977/79 bis hin zum Weltrekord in der Winkelauflösung von nur 11 Mikrobogensekunden (entspricht dem Durchmesser einer 1-Cent-Münze auf der Mondoberfläche) durch Space VLBI-Beobachtungen mit dem 100-m-Teleskop. Hinzu kommen technische Meilensteine wie die Installation eines neuen Subreflektors mit verstellbarer Oberfläche im Jahr 2006 und die Inbetriebnahme eines zweiten Radioteleskops vor Ort, der Station Effelsberg des europäischen LOFAR-Teleskopnetzwerks.

Der Zeitreiseweg verläuft rund um das Gelände des Radio-Observatoriums, im Bereich von gleich zwei Bundesländern (Nordrhein-Westfalen und Rheinland-Pfalz).

Der Wanderweg, gekennzeichnet durch ein schwarzes Teleskopsymbol auf gelbem Grund, wurde in einer Kooperation des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie mit dem Freundeskreis Sahrbachtal, der Touristinfo/Stadt Bad Münstereifel und der Ortsgruppe Bad Münstereifel des Eifelvereins errichtet. Er ergänzt die drei schon länger vorhandenen astronomischen Wanderwege, Planetenweg, Milchstraßenweg und Galaxienweg, die nahezu die komplette kosmische Entfernungsskala von unserem Sonnensystem bis zu den fernsten Galaxien in Abständen von Milliarden von Lichtjahren abbilden.

„Der Eifelverein Bad Münstereifel gratuliert dem Radioteleskop Effelsberg zum 50. Geburtstag und ist stolz, neben den beiden schon bestehenden Eifelschleifen von Bad Münstereifel zum Teleskop und rund um Effelsberg, nun einen weiteren attraktiven und informativen Wanderweg, in Zusammenarbeit mit den anderen Kooperationspartnern, umgesetzt zu haben“, sagt Bernhard Ohlert, der Vorsitzende der OG Bad Münstereifel des Eifelvereins.

„Der Freundeskreis Sahrbachtal e.V. sendet Glückwünsche zum 50-jährigen Bestehen des meisterhaft in die Natur des Ahrgebirges eingebettete Radioteleskops Effelsberg. Mit diesem stets weiterentwickelten wissenschaftlich genutzten Instrument konnten bedeutende Ergebnisse der Grundlagenforschung in der Astronomie erzielt werden“, ergänzt Walter Brüggemann, der Vorsitzende des Freundeskreises Sahrbachtal e.V. „Der Freundeskreis Sahrbachtal e.V. begrüßt die Jubiläumseröffnung des neuen Zeitreiserundweges als weiteres Informations- und Erlebnisangebot für interessierte Wanderer. Wir freuen uns auf die Fortführung unserer „historisch gewachsenen“ guten Kooperation mit dem MPIfR und danken für die ausgezeichnete Zusammenarbeit sowie touristischen Impulse.“

„Mit dem Zeitreiseweg haben wir ein attraktives Ensemble von astronomischen Wanderwegen am Radioteleskop Effelsberg“, schließt Norbert Junkes, der Pressereferent des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie, auf den die Konzeption der vier Wanderwege zurückgeht. „In Zukunft möchten wir das System von virtuellen Verbindungsstationen zwischen unseren Wanderwegen noch weiter ausbauen, das den Planetenweg mit der Station „Sirius“ am APEX-Teleskop in Chile schon jetzt zum längsten astronomischen Wanderweg der Erde macht.“

Weitere Informationen
Im folgenden eine kurze Beschreibung der 20 Stationen des Zeitreisewegs Effelsberg (vgl. Tabelle in Abb. 3):

1. Die erste Station des Weges stellt die Eröffnung des Radioteleskops nach rund dreijähriger Bauzeit am 12. Mai 1971 dar. Bereits am 23. April 1971 wurde der Supernova-Überrest HB21 als erste erfolgreiche Messung („First Light“) mit dem Effelsberger Radioteleskop beobachtet.

2. Station Nr. 2 markiert am 1. August 1972 den Beginn des vollen Messbetriebs mit dem Radioteleskop Effelsberg und den Empfängern der ersten Generation. Im gleichen Jahr wurden die ersten Pulsarmessungen bei einer Wellenlänge von 2,8 cm durchgeführt, der bis zu diesem Zeitpunkt kürzesten Wellenlänge für Pulsarbeobachtungen.

3. 1973 wurde das Radioteleskop Effelsberg erstmals in ein weltweites Netzwerk von Radioteleskopen („Very Long Baseline Interferometry“, VLBI) integriert. Die ersten Messungen mit transatlantischen Basislinien fanden statt, ermöglicht durch die Verbindung des 100-m-Teleskops mit Radioteleskopen in den USA.

4. Ein Jahr später, 1974, wurde das Radioteleskop Effelsberg sechs Monate lang tagsüber als Empfangsstation für die Sonnensonde HELIOS genutzt. HELIOS war das erste Großprojekt der deutschen Raumfahrt. Im gleichen Jahr wurde die erste vollständige Kartierung der Radiostrahlung der Andromedagalaxie M31 bei 11 cm Wellenlänge veröffentlicht.

5. Aufgrund seiner hohen Empfindlichkeit ist das Radioteleskop Effelsberg ideal für die Messung extrem schwacher Radiosignale geeignet. Mit dem 100-m-Teleskop konnten erstmals Spektrallinien von Wasser H₂O (1977 in M33) und Ammoniak NH₃ (1979 in IC342) in anderen Galaxien in mehreren Millionen Lichtjahren Entfernung nachgewiesen werden.

6. Nach etwa zehn Jahren Messungen mit den drei damals größten voll beweglichen Radioteleskopen der Erde (Effelsberg: 100 m, Jodrell Bank: 76 m, Parkes: 64 m Durchmesser) konnte 1982 eine Karte der Radiostrahlung des gesamten Himmels bei 73 cm Wellenlänge in hoher Auflösung veröffentlicht werden.

7. Beobachtungen einer ganzen Reihe von spektroskopischen Linien des Ammoniakmoleküls NH₃ mit dem Radioteleskop Effelsberg führten zur Einführung eines kosmischen Thermometers zur Bestimmung der Temperatur von Molekülwolken, den Geburtsstätten von neuen Sternen.

8. Mit dem Radioteleskop Effelsberg wurde die Kurzzeitvariabilität („intraday Variability“, IDV) in den Kernen von extragalaktischen Radioquellen entdeckt. In den Zentralregionen von extrem weit entfernten aktiven Galaxien (z.B. 0917+624 in neun Milliarden Lichtjahre Entfernung) findet man Helligkeitsschwankungen innerhalb weniger Stunden und kann damit Strukturen von der Größe unseres Sonnensystems erkennen.

9. Der Zeeman-Effekt ist die Aufspaltung von Spektrallinien in Magnetfeldern (Nobelpreis für Pieter Zeeman 1902). Der Nachweis dieses Effekts im Weltraum wurde erstmals mit dem Radioteleskop Effelsberg für das Wassermolekül H₂O erbracht. Dies ermöglicht die Untersuchung von Magnetfeldern in Molekülwolken.

10. Eine kreisförmige Schiene mit 64 m Durchmesser trägt das komplette Gewicht des Radioteleskops Effelsberg. Nach 25 Jahren Betrieb musste diese Schiene komplett ausgetauscht werden. Dazu wurde das Teleskop mit seinem Gesamtgewicht von 3200 Tonnen für die Zeit des Schienenwechsels „aufgebockt“.

11. Einsteins allgemeine Relativitätstheorie sagt eine kontinuierliche Richtungsänderung der Drehachse eines Pulsars (geodätische Präzession) voraus, wenn er sich im Gravitationsfeld eines Begleitsterns bewegt. Mit dem Effelsberger Radioteleskop konnte dieser Effekt erstmals nachgewiesen werden, und zwar für den Pulsar PSR 1913+16.

12. Eine systematische Untersuchung der Magnetfelder von Galaxien und unserer Milchstraße erfolgte durch Beobachtungen der polarisierten Radiostrahlung mit dem Radioteleskop Effelsberg. Ein schönes Beispiel ist eine detaillierte Karte zur Untersuchung des Magnetfeldes unserer Nachbargalaxie M31 bei 6 cm Wellenlänge.

13. Der Subreflektor des Radioteleskops Effelsberg mit einem Durchmesser von 6,50 m befindet sich nahe dem Brennpunkt an der Spitze der vier Standbeine. Am 5. Oktober 2006 wurde ein neuer, verbesserter Subreflektor mit 100 motorisch gesteuerten aktiven Oberflächenelementen installiert, der die Leistung des Radioteleskops weiter erhöht.

14. Die erste deutsche Station des europäischen Niederfrequenz-Radioteleskops LOFAR wurde auf dem Gelände des Radio-Observatoriums Effelsberg errichtet. Die LOFAR-Stationen sind über mehrere Länder in Europa verteilt und über schnelle Datenleitungsverbindungen direkt miteinander verbunden.

15. Am Radioteleskop Effelsberg laufen spezielle Messprogramme zum Auffinden neuer Pulsare. PSR J1745+10 ist der erste Millisekunden-Pulsar, der in Effelsberg entdeckt wurde. Es handelt sich um einen sogenannten „Schwarze-Witwe-Pulsar“, bei dem die hochenergetische Strahlung des Pulsars seinen Partner mit der Zeit fast vollständig verdampft.

16. Ein Pulsar mit einem extrem starken Magnetfeld, ein so genannter Magnetar, wurde mit dem Radioteleskop Effelsberg in unmittelbarer Nähe des Milchstraßenzentrums entdeckt. Er bewegt sich in einer Umlaufzeit von etwa 500 Jahren um das supermassive Schwarze Loch im Zentrum (Sgr A* mit mehr als 4 Millionen Sonnenmassen).

17. Im Rahmen des Projekts „Effelsberg-Bonn-HI-Survey“ (EBHIS) wurde mit dem Radioteleskop Effelsberg der komplette Nordhimmel im Licht der 21-cm-Spektrallinie des neutralen Wasserstoffs (HI) beobachtet.

18. Bei der Untersuchung der Spektrallinien von Wassermasern in der Galaxie NGC 4258 in einem Space-VLBI-Netzwerk, das das Weltraumteleskop RadioAstron mit einer Reihe von erdgebundenen Radioteleskopen einschließlich des 100-m-Teleskops verbindet, konnte die höchste Winkelauflösung in der Astronomie mit einem Wert von 11 Mikrobogensekunden erreicht werden.

19. Das „Global Millimeter VLBI Array“ (GMVA) wird eingesetzt, um Details in den Zentralregionen von Galaxien wie Perseus A, Cygnus A, M87 und Sgr A* (Zentrum der Milchstraße) mit sehr hoher Winkelauflösung zu untersuchen. Bei einer Wellenlänge von nur 3,5 mm stößt das partizipierende 100-m-Radio Effelsberg an seine Grenzen.

20. Im Jahr 2021 hat das Radioteleskop Effelsberg die ersten 50 Jahre seines Lebens vollendet. Aus diesem Anlass hat die Deutsche Post eine Jubiläumsmarke „50 Jahre 100-m-Radioteleskop Effelsberg“ herausgegeben. Die Beobachtungen und Forschungsprogramme mit dem 100-m-Teleskop werden fortgesetzt.

Der Zeitreiseweg am Radioteleskop Effelsberg ergänzt die drei bereits vorhandenen astronomischen Themenwege, Planetenweg, Milchstraßenweg und Galaxienweg, die die komplette astronomische Entfernungsskala von unserem Sonnensystem bis zu den fernsten Galaxien in Milliarden von Lichtjahren Entfernung abbilden.

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• Geschichte der Astronomie/ Historisches

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Quelle: Forschungszentrum Jülich.

Die Karte enthüllt Hunderttausende unbekannter Galaxien und wirft ein neues Licht auf Forschungsgebiete wie Schwarze Löcher, interstellare Magnetfelder und Galaxienhaufen. Eine Sonderausgabe der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ widmet sich den ersten 26 Forschungsarbeiten, in denen die Ergebnisse beschrieben werden.

LOFAR (Low Frequency Array) ist ein riesiges europäisches Netzwerk von Radioteleskopen, die über ein Hochgeschwindigkeits-Glasfasernetz miteinander verbunden sind und deren Messsignale zu einem einzigen Signal kombiniert werden. Leistungsstarke Supercomputer verwandeln 100.000 Einzelantennen in eine virtuelle Empfangsschüssel mit einem Durchmesser von 1.900 Kilometern. LOFAR arbeitet in den bisher weitgehend unerforschten Frequenzbereichen zwischen etwa 10 bis 80 Megahertz (MHz) und 110 bis 240 MHz. Es wird von der Forschungseinrichtung ASTRON in den Niederlanden gesteuert und gilt als das weltweit führende Teleskop seiner Art.

„Diese Himmelskarte ermöglicht eine unglaubliche Zahl von wissenschaftlichen Entdeckungen von bleibendem Wert. Der hohe Aufwand und die eingegangenen Risiken bei der Entwicklung von LOFAR werden durch diese Ergebnisse reichlich belohnt“, sagt Dr. Carole Jackson, Generaldirektorin von ASTRON. In Deutschland befinden sich sechs Messstationen, die von verschiedenen wissenschaftlichen Einrichtungen betrieben werden. Eine davon befindet sich südöstlich vom Forschungszentrum Jülich und wird vom Forschungszentrum und der Ruhr-Universität Bochum gemeinsam betreut.

Hier sind die wichtigsten Ergebnisse in sechs Punkten:

Die neue Himmelskarte
Mit Hilfe von LOFAR haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun eine neue Himmelskarte erstellen können. Viele der dort abgebildeten Galaxien waren bisher unbekannt, da sie extrem weit entfernt sind und ihre Radiosignale Milliarden von Lichtjahren zurücklegen müssen, um die Erde zu erreichen. Zudem ermöglichen Radiowellen kosmische Phänomene zu erforschen, die im für Menschen sichtbaren Wellenlängenbereich nicht beobachtet werden können.

Schwarze Löcher
Wenn Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit einem Radioteleskop den Himmel beobachten, ist hauptsächlich Strahlung aus der Umgebung von Schwarzen Löchern zu sehen, die Millionen Mal schwerer sind als die Sonne. „Mit LOFAR wollen wir herausfinden, welchen Einfluss die Schwarzen Löcher auf die Galaxien haben, in denen sie sitzen“, sagt Prof. Dr. Marcus Brüggen, Astrophysiker von der Universität Hamburg. Prof. Dr. Huub Röttgering von der Universität Leiden und wissenschaftlicher Leiter der Himmelsdurchmusterung ergänzt, „Und wir wollen herausfinden, woher diese Schwarzen Löcher kommen.“

Wenn Gas auf Schwarze Löcher fällt, stoßen sie Materialstrahlen ‒ sogenannte Jets ‒ aus, die bei Radiowellenlängen sichtbar sind. Aufgrund der bemerkenswerten Empfindlichkeit von LOFAR konnten die wissenschaftlichen Teams jetzt zeigen, dass diese Jets in jeder riesigen Galaxie vorhanden sind und dass Schwarze Löcher ständig wachsen.

Magnetfelder
Mit der Radiostrahlung, die LOFAR empfängt, können zudem kosmische Magnetfelder gemessen werden. So haben die Forscherinnen und Forscher aus Deutschland die Magnetfelder innerhalb von Galaxien vermessen und auch zwischen diesen nachgewiesen. Dabei konnten sie zeigen, dass sich zwischen Galaxien enorme magnetische Strukturen befinden. Dies bestätigt theoretische Vermutungen, konnte bislang aber nicht nachgewiesen werden.

Galaxienhaufen
Durch die Verschmelzung zweier Galaxienhaufen werden Radioemissionen ‒ sogenannte Radiohalos ‒ mit einer Größe von Millionen von Lichtjahren erzeugt, wie Dr. Amanda Wilber von der Sternwarte der Universität Hamburg erläutert: „Radiohalos werden von extrem schnellen Elementarteilchen hervorgerufen. Mit LOFAR können wir erforschen, welche kosmischen Beschleuniger diese Teilchen erzeugen und was diese antreibt.“

Dr. Matthias Hoeft von der Thüringer Landessternwarte Tautenburg fügt hinzu: „Wenn Galaxienhaufen verschmelzen, entstehen riesige Stoßwellen. Mit LOFAR können wir deren Radioemission aufspüren und lernen dadurch viel über das Gas am Rand der gigantischen Galaxienhaufen.“

Qualitativ hochwertige Bilder
Die Erstellung von Radiohimmelskarten mit niedriger Frequenz bedarf sowohl beträchtliche Teleskop- als auch Rechenzeit und erfordert die Analyse der Daten durch große Teams. „LOFAR produziert gigantische Datenmengen ‒ wir müssen das Äquivalent von zehn Millionen DVDs verarbeiten. Dies stellt höchste Ansprüche an Soft- und Hardware und ist nur durch ein internationales und interdisziplinäres Team möglich“, sagt Prof. Dr. Dominik Schwarz von der Universität Bielefeld und Repräsentant Deutschlands beim Steuerungsgremium von LOFAR.

„Wir haben in Deutschland mit dem Forschungszentrum Jülich zusammengearbeitet, um die riesigen Datenmengen effizient in qualitativ hochwertige Bilder umzuwandeln. Diese Bilder sind nun öffentlich und werden Astronominnen und Astronomen die Möglichkeit geben, die Entwicklung von Galaxien in bisher unerreichter Detailgenauigkeit zu untersuchen“, ergänzt Prof. Dr. Ralf-Jürgen Dettmar von der Ruhr-Universität Bochum.

Das Forschungszentrum Jülich beherbergt nahezu 15 Petabyte an LOFAR-Daten. „Dies ist fast die Hälfte aller LOFAR-Daten, eine der größten astronomischen Datensammlung der Welt. Die Verarbeitung dieser gigantischen Datensätze stellt eine große Herausforderung dar. Was normalerweise auf herkömmlichen Computern Jahrhunderte gebraucht hätte, konnte durch die Verwendung von innovativen Algorithmen und extrem leistungsfähiger Computer auf ein Jahr reduziert werden“, sagt Prof. Dr. Dr. Thomas Lippert, Institutsleiter vom Jülich Supercomputing Centre. Jülich ist eins der drei Datenzentren des LOFAR-Projekts. Außerdem managt das Jülich Supercomputing Centre den Daten-Netzwerkverkehr zwischen den deutschen LOFAR-Stationen und zum zentralen LOFAR-Rechner in Groningen.

Ausblick
Die 26 nun in einer Sonderausgabe von Astronomy & Astrophysics veröffentlichten Arbeiten basieren auf nur etwa zwei Prozent der mit LOFAR geplanten Beobachtungen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wollen nun die gesamte nördliche Himmelskugel kartieren. Sie erwarten schließlich rund 15 Millionen Radioquellen zu finden.

LOFAR in Deutschland
Deutschland ist neben den Niederlanden mit sechs Stationen der größte internationale Partner bei LOFAR. Die Radio-Teleskop-Stationen werden von der Ruhr-Universität Bochum, der Universität Hamburg, der Universität Bielefeld, dem Max-Planck Institut für Radioastronomie in Bonn, dem Max-Planck Institut für Astrophysik in Garching, der Thüringer Landessternwarte, dem Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam und dem Forschungszentrum Jülich betrieben. Diese Institutionen sind im GLOW (German Long Wavelength) Konsortium zusammen geschlossen. Gefördert wird LOFAR in Deutschland von der Max-Planck-Gesellschaft, dem Bundesministerium für Bildung und Forschung, den jeweiligen Bundesländern und von der Europäischen Union.

Originalveröffentlichung:

• „LOFAR Surveys“, 26 Fachartikel als Sonderausgabe der Fachzeitschrift „Astronomy and Astrophysics“ 2019

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• Radioteleskop LOFAR

Der Beitrag Himmelskarte aus LOFAR-Daten veröffentlicht erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: DESY.

Mit dem Radioteleskop LOFAR hat ein internationales Forscherteam überraschende Strukturen von Gewitterblitzen in der Erdatmosphäre entdeckt. Diese „Nadeln“ können Gewitterwolken wieder aufladen, so dass sie sich nach kurzer Zeit ein zweites Mal entladen. Das Team unter Leitung von Brian Hare und Olaf Scholten von der Universität Groningen in den Niederlanden stellt das bisher unbekannte Phänomen im Fachblatt „Nature“ vor. An der Arbeit sind auch deutsche Forscherinnen und Forscher unter anderem von DESY beteiligt.
Das Low Frequency Array LOFAR ist ein dezentrales Radioteleskop, das aus tausenden einfachen Antennen besteht. Zugehörige Antennenfelder befinden sich in vielen europäischen Ländern, in Deutschland etwa am Forschungszentrum Jülich und in Norderstedt bei Hamburg. Diese Antennen sind über Glasfasernetze miteinander verbunden und an Hochleistungsrechner angeschlossen. Diese Verbindung erlaubt es, die Antennen zusammenzuschalten und als ein riesiges, virtuelles Teleskop zu nutzen.

LOFAR dient in erster Linie zu astronomischen Beobachtungen. Allerdings ist die Anlage sehr flexibel, so dass sie sich auch zur Messung von Blitzen eignet. „Wir messen Frequenzen von 30 bis 80 Megahertz, liegen also genau zwischen dem Kurzwellen- und dem Ultrakurzwellenbereich“, berichtet Hare. „Mit diesen weltweit einzigartigen Daten konnten wir zum ersten Mal Blitze so genau auflösen, dass einzelne physikalische Prozesse sichtbar wurden. Durch die Benutzung von Radiowellen konnten wir auch ins Innere der Gewitterwolken schauen, wo sich die spannenden Prozesse abspielen.“

Blitze entstehen, wenn innere Turbulenzen verschiedene Teile großer Cumulonimbus-Wolken gegeneinander elektrisch aufladen. Der Effekt ist vergleichbar mit der aus dem Alltag bekannten statischen Aufladung. Wird der Spannungsunterschied zwischen positiven und negativen Wolkenteilen zu groß, kommt es zu einer plötzlichen Entladung, die wir als Blitz sehen können. Dabei entsteht zunächst in einem kleinen, punktförmigen Bereich ein Plasma, also ein elektrisch leitfähiges Gas, das sich dann zu Kanälen ausbreiten kann. Die Spitze eines solchen Plasmakanals kann positiv oder negativ geladen sein. Es war bekannt, dass negative Kanäle besonders viele Radiowellen an der Spitze aussenden, wohingegen positive Kanäle dies an der Spitze kaum tun.

LOFAR erlaubt es, die Radiowellen, die ein Blitz aussendet, in ihrer ursprünglichen Form unverarbeitet zu speichern. Dies wiederum ermöglicht es, neue bildgebende Verfahren zu entwickeln, die aus den Rohdaten ein dreidimensionales Bild eines Blitzes zeichnen können – zehnmal besser als bisherige Messungen, bis zu einem Meter genau und dank Radiowellen innerhalb einer Wolke, die vom Teleskop bis zu 20 Kilometer entfernt sein kann.

„Die Messungen stammen ursprünglich aus unserer Forschungsgruppe, die sich mit kosmischer Strahlung beschäftigt“, berichtet Ko-Autorin Anna Nelles von DESY. „An der Schnittstelle zwischen Teilchenphysik und Astronomie war dieses Gebiets bereits recht exotisch für ein Radioteleskop. LOFAR wurde ja vor allem für die Astronomie gebaut. Dass wir nun das beste Blitz-Interferometer der Welt sind, kam für alle überraschend und zeigt, welche spannenden Möglichkeiten sich durch Grundlagenforschung mit herausragender Infrastruktur ergeben können.“

Die Beobachtungen enthüllen bisher unbekannte, nadelförmige Strukturen. Wenn Blitze sich ausbreiten, entladen sie die Gewitterwolken nur an einigen Stellen. Die nun entdeckten Nadeln erlauben, dass elektrische Ladungen gespeichert werden, und ermöglichen damit, dass eine Gewitterwolke an der gleichen Stelle mehrfach entladen werden kann. „Unsere Erkenntnisse stehen im Widerspruch zum bisherigen Verständnis von Blitzen, in dem Ladung entlang von Plasmakanälen von einer Wolke zur anderen fließt“, berichtet Scholten. „Nur durch die unübertroffen genauen Messungen mit LOFAR konnten wir zeigen, dass sich entlang der positiven Kanäle kleine Seitenkanäle bilden, die besonders helle Radiowellen aussenden, was bedeutet, dass dort Ladung fließt.“

„In diesen Nadeln sammelt sich Ladung, die dann anschließend nicht wie erwartet in die negativen Kanäle fließt, sondern über die Nadeln in die Wolke zurückgepumpt wird. Dadurch lädt sich die Wolke erneut auf,“ ergänzt Hare. „Wir sehen eine immense Anzahl an Nadeln in unseren Beobachtungen. Dies wiederum zeigt uns, wie sich Wolken nach einer Blitzentladung so schnell wieder aufladen können. Daher kommt es aus einer Wolke zu wiederholten Blitzeinschlägen auf dem Boden, und Gewitter liefern nicht nur einen Blitz, sondern viele spektakuläre, aber auch gefährliche Entladungen.“

Animationen:
Entwicklung des Blitzes in ZeitlupeIn Echtzeit wäre die Animation kürzer als 0,2 Sekunden. Der gezeigte Blitz hat eine Ausdehnung von fünf Kilometern in alle Richtungen. Die gelben Punkte illustrieren die neuendeckten Signale. Nach ihrem Aufleuchten bleiben sie weiß, um die Struktur des Blitzes zu zeigen. Die nach oben wachsenden positiven Plasmakanäle blinken, während sich die negativen Kanäle kontinuierlich ausbreiten. Ein negativer Kanal schlägt in den Boden ein. Animation: Stijn Buitink (Vrije Universiteit Brussel) und Brian Hare (Rijksuniversiteit Groningen)

Vergrößerung des positiven Plasmakanals

In Echtzeit wären dies 0.1 Sekunden und 400 Meter. Zu Beginn ist fast keine Aktivität zu sehen. Erst nach einiger Zeit beginnen sich Nadeln zu bilden, eine besonders große Nadel ist zur besseren Sichtbarkeit rot gefärbt. Jede der Nadeln leuchtet unregelmäßig, sie blinkt. Schließlich versiegt die Aktivität in diesem Kanal. Animation: Stijn Buitink (Vrije Universiteit Brussel) und Brian Hare (Rijksuniversiteit Groningen)

Originalpublikation:

• Needle-like structures discovered on positively charged lightning branches; Brian Hare, Olaf Scholten et al.; „Nature“, 2019; DOI: 10.1038/s41586-019-1086-6

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• Radioteleskop LOFAR

Der Beitrag Warum Gewitterwolken mehrfach blitzen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Roman van Genabith. Quelle: RN Interview.

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.

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.

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.

ExkursMit 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.

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 Pulsar Timings.

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.

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.

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.

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. Dominik 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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