Quelle: Swinburne University, SARAO, 3. Dezember 2024.

Hawthorn/Australien, 3. Dezember 2024 – Im Rahmen der Studie wurde auch der bisher größte Detektor für Gravitationswellen im galaktischen Maßstab gebaut und weitere Beweise für einen „Hintergrund“ von Gravitationswellen gefunden: unsichtbare, aber unglaublich schnelle Wellen im Weltraum, die dazu beitragen können, einige große Geheimnisse des Universums zu entschlüsseln.

Die drei heute veröffentlichten Studien bieten neue Einblicke in die größten Schwarzen Löcher des Universums, in die Art und Weise, wie sie das Universum geformt haben, und in die kosmische Architektur, die sie hinterlassen haben.

Dr. Matt Miles, Hauptautor von zwei der Arbeiten und Forscher bei OzGrav und Swinburne, sagt, dass die Forschung neue Wege zum Verständnis des Universums, in dem wir leben, eröffnet.

„Die Untersuchung des Hintergrunds ermöglicht es uns, das Echo kosmischer Ereignisse über Milliarden von Jahren hinweg zu verstehen“, erklärt Dr. Miles. „Es zeigt, wie sich Galaxien und das Universum selbst im Laufe der Zeit entwickelt haben.

Die wichtigsten Ergebnisse:

Noch nie dagewesenes Gravitationswellensignal
Die Studie lieferte weitere Hinweise auf Gravitationswellensignale, die von verschmelzenden supermassereichen schwarzen Löchern ausgehen, und erfasste ein Signal, das stärker war als bei ähnlichen globalen Experimenten, und das in nur einem Drittel der Zeit.

„Was wir hier sehen, deutet auf ein viel dynamischeres und aktiveres Universum hin, als wir erwartet haben“, so Dr. Miles. „Wir wissen, dass supermassereiche Schwarze Löcher da draußen verschmelzen, aber jetzt beginnen wir uns zu fragen: Wo sind sie und wie viele gibt es?“

Detaillierte Gravitationswellenkarten mit unerwarteten Hotspots

Mithilfe des Pulsar-Timing-Arrays erstellten die Forscher eine sehr detaillierte Gravitationswellenkarte, die die bisherigen Methoden verbessert. Diese Karte enthüllte eine verblüffende Anomalie – einen unerwarteten Hotspot im Signal, der auf eine mögliche Richtungsabweichung hindeutet.

Rowina Nathan, Hauptautorin einer der Studien und Forscherin bei OzGrav und an der Monash University, sagt, dass die Karte einen noch nie dagewesenen Einblick in die Struktur unseres Universums bietet.

„Das Vorhandensein eines Hotspots könnte auf eine eindeutige Gravitationswellenquelle hindeuten, etwa ein Paar schwarzer Löcher mit der milliardenfachen Masse unserer Sonne“, sagt sie. „Die Betrachtung des Aufbaus und der Muster von Gravitationswellen zeigt uns, wie unser Universum heute existiert und enthält Signale, die bis zum Urknall zurückreichen. Es gibt noch mehr zu tun, um die Bedeutung des von uns gefundenen Hotspots zu bestimmen, aber dies ist ein aufregender Schritt nach vorn für unser Gebiet.“

MeerKAT-Radioteleskop

Mit Hilfe des MeerKAT-Radioteleskops in Südafrika, einem der empfindlichsten und modernsten Instrumente der Welt, konstruierten die Forscher das MeerKAT Pulsar Timing Array, mit dem sie Pulsare beobachten und auf Nanosekunden genau messen konnten.

Pulsare – sich schnell drehende Neutronensterne – dienen als natürliche Uhren, und ihre gleichmäßigen Pulse ermöglichen es den Wissenschaftlern, winzige Veränderungen zu erkennen, die durch vorbeiziehende Gravitationswellen verursacht werden. Dieser Detektor im galaktischen Maßstab bietet die Möglichkeit, Gravitationswellen am gesamten Himmel zu kartieren und dabei Muster und Schwankungen aufzudecken, die bisherige Annahmen in Frage stellen.

Laut Nathan wird oft angenommen, dass der Gravitationswellenhintergrund gleichmäßig über den Himmel verteilt ist.

„Der Gravitationswellendetektor von galaktischer Größe, der aus dem MeerKAT-Pulsar-Timing-Array besteht, hat es uns jedoch ermöglicht, die Struktur dieses Signals mit noch nie dagewesener Präzision zu kartieren, was Aufschluss über seine Quelle geben könnte.“

Diese Messungen eröffnen spannende neue Fragen über die Entstehung massereicher Schwarzer Löcher und die Frühgeschichte des Universums. Weitere Beobachtungen mit dem MeerKAT-Array werden diese Gravitationswellenkarten verfeinern und möglicherweise neue, bisher verborgene kosmische Phänomene aufdecken. Die Forschung hat auch weitreichende Auswirkungen, da sie Daten liefert, die den Wissenschaftlern helfen könnten, die Entstehung und Entwicklung supermassereicher schwarzer Löcher, die Bildung von Galaxienstrukturen und möglicherweise sogar die frühesten Ereignisse in der Geschichte des Universums besser zu verstehen.

Kathrin Grunthal, Forscherin am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und Mitautorin einer der Studien, sagt, dass sie in Zukunft den Ursprung des Gravitationswellensignals aus den Datensätzen verstehen wollen.

„Indem wir nach Variationen im Gravitationswellensignal am Himmel suchen, sind wir auf der Suche nach den Fingerabdrücken der astrophysikalischen Prozesse, die unser Universum formen.“

Übersetzung: DeepL.com / Stefan Goth

Video: Ryan Shannon – First Results from the MeerKAT Pulsar Timing Array 

Weitere Informationen: The MeerKAT Pulsar Timing Array: the first search for gravitational waves with the MeerKAT radio telescope

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• Square Kilometre Array (SKA)

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 3. September 2024.

3. September 2024 – Dank der Zusammenstellung im Katalog konnte man den kosmischen Radiodipol messen, einen kosmologischen Effekt, der durch die Bewegung der Erde durch das Universum entsteht und einen wichtigen Test für Theorien der Kosmologie auf den größten Skalen darstellt. Die Messung unterstreicht den Wert der MeerKAT-Daten und zeigt, dass solche empfindlichen Daten äußerst wertvolle Einblicke in den Ursprung des kosmischen Dipoleffekts liefern können.

Betrachtet man den Himmel bei Radiowellenlängen, sieht man statt der gewohnten Sterne vor allem Galaxien in extrem großer Entfernung. Der Anblick des Radiohimmels bietet einen ungehinderten Einblick in die Entwicklung von Galaxien, Schwarzen Löchern und Gas im Universum und zeigt auch, wie das Universum auf den größten Skalen aussieht. Der „MeerKAT Absorption Line Survey“ (MALS), der auf der herausragenden Empfindlichkeit und Abbildungsgenauigkeit des MeerKAT-Radioteleskopnetzwerks in Südafrika beruht, hat extrem empfindliche Bilder erzeugt, die fast eine Million Radioquellen aus 391 Belichtungen mit dem Teleskop erfassen. Es ist der größte Katalog, der bisher von einer MeerKAT-Durchmusterung erstellt wurde, und einer der wenigen Radiokataloge mit einer Million oder mehr Quellen. Da der Schwerpunkt eher auf der Tiefe der Belichtung als auf der Himmelsabdeckung liegt, konnten viele Quellen zum ersten Mal entdeckt werden.

„Die Empfindlichkeit und der Umfang dieses Kontinuumskatalogs sind einzigartig unter den modernen Radiokontinuumsdurchmusterungen. Die Veröffentlichung wird es der Forschergemeinschaft ermöglichen, eine Vielzahl von Fragen zur Entwicklung von Galaxien und des Universums zu beantworten“, sagt Neeraj Gupta, Astronom am „Inter-University Centre for Astronomy and Astrophysics“ (IUCAA) in Indien, der Leiter des MALS-Projekts.

Um aus den großen Mengen an Rohdaten, die von MeerKAT erzeugt werden, diese empfindlichen Bilder zu erhalten, wird beim IUCAA in Indien eine hochentwickelte Verarbeitungspipeline und Datenspeichereinrichtung unterhalten. Die Bilder und Kataloge wurden am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Deutschland von Jonah Wagenveld, dem Hauptautor der hier vorgestellten Arbeit, weiter analysiert und für die Veröffentlichung vorbereitet. Der umfangreiche Katalog hat es dem MALS-Team ermöglicht, eine Messung des kosmischen Dipols durchzuführen – ein subtiler Effekt, der durch die Bewegung des Sonnensystems durch das Universum verursacht wird. Dieser Effekt führt dazu, dass die Quellen in Richtung dieser Bewegung zahlreicher und in der entgegengesetzten Richtung weniger zahlreich erscheinen, wie in der Abbildung unten dargestellt.

Die Richtung und das Ausmaß der Bewegung der Erde durch das Universum wurden bis jetzt durch Messungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds ermittelt. Die Größe des kosmischen Dipoleffekts, der in direktem Zusammenhang mit der Geschwindigkeit dieser Bewegung stehen sollte, erschien jedoch bei vielen Messungen viel größer als im Vergleich zur Vorhersage. Dies deutet darauf hin, dass der kosmische Dipol nicht nur durch die Geschwindigkeit der Bewegung verursacht wird, sondern durch einen echten Unterschied in der Dichte der Quellen in verschiedenen Richtungen am Himmel, was nach den kosmologischen Modellen nicht der Fall sein sollte. Überraschenderweise stimmt die neue MALS-Messung nun mit den Vorhersagen überein. Es ist zwar noch nicht bekannt, warum dies der Fall ist, aber es könnte mit dem Aufbau der Durchmusterung zusammenhängen, die kleine Himmelsbereiche bis zur sehr großen Empfindlichkeiten abdeckt, im Gegensatz zu den größeren, aber weniger empfindlichen Himmelsabdeckungen anderer Radiodurchmusterungen. Aus diesem Grund sind viele schwache „normale Galaxien“ in dem empfindlichen Katalog enthalten, was zweifellos die Messung des kosmischen Dipols beeinflusst.

„Die Messung des Dipols ist ein äußerst wichtiger Test für die Kosmologie und kann uns sagen, ob unsere grundlegenden Annahmen über die Struktur des Universums korrekt sind“, erklärt Jonah Wagenveld, Astronom am MPIfR und Hauptautor der Studie.

Das Rätsel ist jedoch noch lange nicht gelöst, und künftige größere Kataloge, entweder von MALS unter Ausnutzung des niederfrequenteres UHF-Bands von MeerKAT, oder von künftigen Observatorien, werden diese Ergebnisse analysieren und das Problem ggf. auflösen können.

„Die konsistente und automatisierte Verarbeitung war unerlässlich, um subtile Effekte in den Daten in den Griff zu bekommen, die die Genauigkeit unserer Messungen beeinträchtigen würden. Diese neue Durchmusterung ist ein Sprungbrett für zukünftige groß angelegte Radiodurchmusterungen mit dem Square Kilometre Array und dem Deep Synoptic Array“, sagt Hans-Rainer Klöckner, Forscher am MPIfR, der die Verwendung von MALS für die Dipolmessung initiiert hat.

Weitere Informationen
Der neue Katalog und die begleitenden wissenschaftlichen Ergebnisse dieser Studie sind in Wagenveld et al. (2024) beschrieben, angenommen zur Veröffentlichung in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“. Dies ist die zweite von mehreren Veröffentlichungen von Radiokontinuums- und Spektralliniendaten aus dem „MeerKAT Absorption Line Survey“ (MALS), basierend auf einer Teamleistung zur Veröffentlichung dieser Daten. Die MALS-Kataloge und -Bilder sind öffentlich zugänglich unter https://mals.iucaa.in. Das MALS-Team ist ein internationaler Zusammenschluss von Forschern aus der ganzen Welt, geleitet von Neeray Gupta (IUCAA, Indien).

Das MeerKAT-Teleskop ist eine Einrichtung der „National Research Foundation“ (NRF) in Südafrika und wird vom „South African Radio Astronomy Observatory“ (SARAO) betrieben. Die riesige Menge an Rohdaten (1,6 Petabyte), die von SARAO empfangen werden, ist beim IUCAA gespeichert und wird mit Hilfe einer automatisierten Pipeline verarbeitet, die vom IUCAA in Zusammenarbeit mit „Thoughtworks Technologies India Pvt Ltd.“ Betriebenwird. Sie nutzt in großem Umfang Werkzeuge und Aufgaben der Software „Common Astronomy Software Applications“ (CASA), die vom „National Radio Astronomy Observatory“ (NRAO) in den USA entwickelt wurde.

Das SKA-Observatorium (SKAO) ist eine zwischenstaatliche Organisation, die Nationen aus der ganzen Welt zusammenbringt. Aufbabe des SKAO ist der Bau und Betrieb hochmoderner Radioteleskope, die das Verständnis des Universums verändern und zum Nutzen der Gesellschaft durch globale Zusammenarbeit und Innovation beitragen soll. Das Observatorium ist weltweit tätig und besteht aus dem SKAO-Hauptquartier im Vereinigten Königreich, den beiden SKAO-Teleskopen an radioruhigen Standorten in Südafrika und Australien sowie den dazugehörigen Einrichtungen zur Unterstützung des Betriebs der Teleskope. Sobald das SKAO in Betrieb ist, wird es eine umfassende globale Sternwarte darstellen, die im Auftrag der Mitgliedstaaten und Partner zwei Teleskope auf drei Kontinenten betreibt.

Autoren der Veröffentlichung sind: J. D. Wagenveld, H-R. Klöckner, N. Gupta, S. Sekhar, P. Jagannathan, P. P. Deka, J. Jose, S. A. Balashev, D. Borgaonkar, A. Chatterjee, F. Combes, K. L. Emig, A. N. Gaunekar, M. Hilton, G. I. G. Józsa, D. Y. Klutse, K. Knowles, J.-K. Krogager, E. Momjian, S. Muller, and S. P. Sikhosana. Die ersten beiden Autoren, Jonah Wagenveld und Hans-Rainer Klöckner, sowie Gyula Józsa sind Mitarbeiter des MPIfR.

Originalpublikation:
J.D. Wagenveld et al.: The MeerKAT Absorption Line Survey 2: Wideband continuum catalogues and a measurement of the cosmic radio dipole, 2024, Astronomy & Astrophysics (zur Veröffentlichung angenommen)
arXiv-Preprint: https://arxiv.org/abs/2408.16619
pdf: https://arxiv.org/pdf/2408.16619

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• Square Kilometre Array (SKA)

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 16. Juli 2024.

16. Juli 2024 – Ein internationales Team unter der Leitung von Forschenden des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik, des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie und des National Radio Astronomy Observatory hat zehn schnell rotierende Neutronensterne im Kugelsternhaufen Terzan 5 entdeckt. Viele von ihnen befinden sich in ungewöhnlichen und seltenen Doppelsternsystemen, darunter möglicherweise ein rekordverdächtiger Doppelneutronenstern, ein Pulsar in einer extrem elliptischen Umlaufbahn und mehrere „Spinnensysteme“, in denen die Neutronensterne ihre Begleiter verdampfen. Diese Funde in den Daten des MeerKAT-Radioteleskops erhöhen die Anzahl der in diesem sehr dichten Sternhaufen bekannten Millisekunden-Pulsare um mehr als ein Viertel auf insgesamt 49. Das Team hofft, Pulsare in potenziell noch extremeren Doppelsternsystemen zu entdecken. Dazu sollen alle mit MeerKAT von Terzan 5 aufgezeichneten Daten durch Nutzung der enormen Rechenleistung des am MPI für Gravitationsphysik durchgeführten verteilten Rechenprojekts Einstein@Home auf weitere Pulsare durchsucht werden.

„Wir wissen, dass Kugelsternhaufen wie Terzan 5 viele schnell rotierende Neutronensterne beherbergen, und wir wissen auch, dass frühere Beobachtungen dieses Haufens wahrscheinlich einige übersehen haben. Trotzdem haben wir uns sehr gefreut, zehn bisher unbekannte Millisekunden-Pulsare zu entdecken, darunter einige in ungewöhnlichen und extremen Doppelsternsystemen“, sagt Prajwal Voraganti Padmanabh, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover. „Die Kombination von hochempfindlichen Beobachtungen mit MeerKAT, Archivdaten des Green-Bank-Teleskops aus fast zwei Jahrzehnten und cleveren und effizienten Datenanalysemethoden haben diese Entdeckungen und ihre vollständige Charakterisierung ermöglicht.“

Padmanabh ist Erstautor einer Studie, die kürzlich in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wurde. Er begann seine Forschungsarbeit an Pulsaren während seiner Tätigkeit am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn.

Neutronensterne sind kompakte Überreste von Supernova-Explosionen. Sie bestehen aus exotischer, extrem dichter Materie, sind schwerer als unsere Sonne und haben einen Durchmesser von nur etwa 20 Kilometern. Aufgrund ihrer starken Magnetfelder und schnellen Rotation senden sie wie ein kosmischer Leuchtturm gebündelte Radiowellen aus. Wenn die Rotation diese Strahlenbündel regelmäßig auf die Erde richtet, wird der Neutronenstern als pulsierende Radioquelle – als Radiopulsar – sichtbar. Einige dieser Radiopulsare sammeln in Doppelsternsystemen von ihrem Begleiter Materie ein, die sie auf Rotationsperioden von wenigen Millisekunden beschleunigt. Sie werden als Millisekundenpulsare bezeichnet.

Der Kugelsternhaufen Terzan 5 ist einer der Orte mit der höchsten Sternendichte in unserer Milchstraße. In seinem Kernbereich, wo diese Dichte millionenfach höher ist als in der Umgebung unserer Sonne, treffen sich die Sterne und interagieren viel häufiger als anderswo. Dies macht ihn zu einer sehr effizienten „Fabrik“ für Pulsare in außergewöhnlichen Doppelsternen. Vor dieser Studie waren bereits 39 Pulsare in Terzan 5 bekannt; nun kamen zehn weitere hinzu.

Die Forscherinnen und Forscher machten ihre Entdeckungen in Daten des MeerKAT-Radioteleskops. MeerKAT ist eine Anlage von 64 Antennen in der südafrikanischen Karoo mit einer beispiellosen Empfindlichkeit für Quellen am Südhimmel. Im Rahmen des „TRansients and Pulsars using MeerKAT (TRAPUM) Large Survey Project“ beobachtete das Team Terzan 5 zweimal für mehrere Stunden mit jeweils 56 MeerKAT-Antennen. Die Hardware für TRAPUM wurde vom MPIfR finanziert, entworfen und installiert.

„Mittels spezieller Hardware und Software haben wir die Daten der 56 einzelnen MeerKAT-Antennen zu einem virtuellen Teleskop kombiniert, das gleichzeitig fast 300 eng beieinander liegende Himmelspositionen im Bereich von Terzan 5 beobachtet hat“, so Dr. Padmanabh. „Das führt natürlich dazu, dass wir viel mehr Daten auswerten müssen als bei Beobachtungen mit einem einzelnen Teleskop. Aber es hilft uns auch, die Position jedes neuen Pulsars viel genauer zu bestimmen. Das ist bei Einzelteleskopen normalerweise der schwierige Teil, der Monate an zusätzlichen Beobachtungen erfordert.“

Das Team bereitete die Rohdaten vor und suchte dann an den 45 Positionen, die den Zentralbereich von Terzan 5 abdecken, nach Pulsaren. Ihr Arbeitspferd: der Großrechner Atlas am AEI Hannover, der rund 99.000 logische CPU-Kerne in fast 3.200 Servern sowie 400 Grafikkarten mit fast einer Million Kernen für die Datenanalyse bereitstellte. Mit dieser Suche konnten zehn neue Millisekunden-Pulsare aufgespürt werden.

Für jeden in den MeerKAT-Daten an einer genau definierten Himmelsposition gefundenen Pulsar wurde auf die Archivdaten des Green-Bank-Teleskops zurückgegriffen, um zu überprüfen, ob die Entdeckung dort bestätigt werden konnte. „Ohne das Archiv des Green-Bank-Teleskops wären wir nicht in der Lage gewesen, diese Pulsare zu charakterisieren und ihre Astrophysik zu verstehen“, sagt Scott Ransom, Astronom am National Radio Astronomy Observatory (NRAO). Dadurch war man in der Lage, für alle Entdeckungen sogenannte Timing-Modelle zu erstellen. Diese mathematischen Beschreibungen sagen die Ankunftszeit jedes einzelnen der mehreren hundert Milliarden Pulse über die gesamten 19 Jahre Beobachtungszeit präzise voraus.

Um diese Genauigkeit zu erreichen, müssen die Timing-Modelle viele astrophysikalische Eigenschaften berücksichtigen, die die Doppelsysteme mit Pulsaren beschreiben, einschließlich relativistischer Effekte, die sich aus Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ergeben. Das ermöglichte es den Forschern, die Neutronensterne, ihre Umlaufbahnen, ihre Begleiter und viele andere Eigenschaften genau zu untersuchen und zu überwachen.

„Alle zehn neu entdeckten Pulsare sind ungewöhnlich und besonders und helfen uns, Kugelsternhaufen und Neutronensterne besser zu verstehen und die allgemeine Relativitätstheorie zu testen. Aber einige von ihnen sind selbst in dieser Gruppe selten und speziell“, sagt Paulo Freire, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Forschungsabteilung „Radioastronomische Fundamentalphysik“ am MPIfR. „Diese Systeme sind nur die jüngsten Beispiele für die wunderbaren, exotischen Sternsysteme, die wir mit MeerKAT in diesen dichten Kugelsternhaufen gefunden haben. Zusammen mit jüngsten Beispielen wie dem Objekt NGC 1851E, das das erste Pulsar-Schwarzes-Loch-System darstellen könnte, zeigen uns die Ergebnisse, dass Kugelsternhaufen eine Goldmine voller Möglichkeiten darstellen.“

Vivek Venkatraman Krishnan vom MPIfR ist Mitautor der vorliegenden Arbeit. Er sucht im Rahmen des ERC Research Grants COMPACT („Understanding gravity using a comprehensive search for fast-spinning pulsars and compact binaries“) ebenfalls nach binären Pulsaren in Kugelsternhaufen. „Mit COMPACT werden wir ein maßgeschneidertes Suchsystem für Pulsare entwickeln und einsetzen, um noch extremere Versionen dieser Doppelsterne in Kugelsternhaufen zu entdecken“, sagt er.

Eine der Entdeckungen ist ein Doppelsternsystem, das möglicherweise aus zwei Neutronensternen besteht. Diese Doppelneutronensterne sind sehr selten – gerade einmal 20 von mehr als 3600 bekannten Pulsaren gehören zu dieser besonderen Spezies. Sollten zukünftige Beobachtungen diesen Verdacht bestätigen, wäre das Doppelsystem auch ein Rekordbrecher mit dem am schnellsten rotierenden Pulsar und der längsten Umlaufzeit solcher Objekte. Andererseits könnte es sich bei diesem System auch um einen massereichen Pulsar in Begleitung eines Weißen Zwergs handeln. Ein schwerer Pulsar könnte Aufschluss über die innere Zusammensetzung von Neutronensternen geben.

Die extrem elliptische Umlaufbahn eines anderen neuen Pulsars deutet auf eine Reihe von engen Begegnungen mit anderen Sternen in seiner Vergangenheit hin. Wenn im Gedränge im Zentrum von Terzan 5 Sterne an einem Doppelsternsystem vorbeiziehen, kann ihre Schwerkraft dessen Bahnen stören und sogar seine Komponenten herausschleudern oder deren Plätze einnehmen.

Nachdem das Team die Zahl der bekannten Pulsare in Terzan 5 schon um mehr als ein Viertel gesteigert hat, plant es bereits, weitere zu finden. Die Suche wird erweitert auf Pulsare in Doppelsystemen, deren Umlaufzeiten deutlich kürzer sind als die der bisher entdeckten. Die Forscher beabsichtigen, mit der Hilfe des verteilten freiwilligen Computerprojekts Einstein@Home alle mit MeerKAT gewonnenen Daten von Terzan 5 zu analysieren. Das Projekt, das von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern am AEI Hannover geleitet wird, hat bereits mehr als 90 neue Neutronensterne entdeckt. Mit MeerKAT soll der Kugelsternhaufen Terzan 5 auch bei höheren Radiofrequenzen beobachtet werden, was die Chancen auf neue Entdeckungen weiter erhöhen dürfte.

„Nach allem, was wir über Terzan 5 wissen, erwarten wir, dass er noch viele weitere extreme Doppelsternsysteme beherbergt, von denen jedes ein potenzielles Labor für die Überprüfung der Einsteinschen Relativitätstheorie ist“, schließt Prajwal Voraganti Padmanabh. „Wer weiß, vielleicht ist das nächste, was wir in diesem erstaunlichen Kugelsternhaufen finden, etwas so Exotisches wie ein Paar Millisekunden-Pulsare oder ein Millisekunden-Pulsar, der ein Schwarzes Loch umkreist?“

Hintergrundinformation
Das vom South African Radio Astronomy Observatory (SARAO) betriebene MeerKAT ist das größte Radioteleskop der südlichen Hemisphäre und eines von zwei Vorläuferinstrumenten des SKA-Projekts in Südafrika. Das in der Karoo-Wüste gelegene Radioteleskop wird demnächst durch eine zusätzliche Anzahl von Parabolantennen zum „MeerKAT+“ erweitert. Dieses wird später schrittweise in das SKAO-Teleskop für einen mittleren Frequenzbereich (SKA-MID) integriert, dessen Bau bereits begonnen hat und bis 2028 andauern wird. Die ersten wissenschaftlichen Beobachtungen von MeerKAT+ haben bereits 2023 während der Testphase des Teleskops begonnen.

TRAPUM (TRAnsients and PUlsars with MeerKAT) ist eines der Large Survey Proposals, die mit dem MeerKAT-Teleskop durchgeführt werden. Es handelt sich um ein internationales Kollaborationsprojekt, das von der Universität Manchester und dem MPIfR geleitet wird, und an dem Institutionen wie das INAF, das National Radio Astronomy Observatory (NRAO) und das South African Radio Astronomy Observatory (SARAO) beteiligt sind.

Das National Radio Astronomy Observatory ist eine Einrichtung der National Science Foundation, im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung von Associated Universities, Inc. Das Green Bank Observatory ist eine Einrichtung der National Science Foundation, die im Rahmen eines Kooperationsabkommens von Associated Universities, Inc. betrieben wird.

Autoren der Veröffentlichung sind P. V. Padmanabh, S. M. Ransom, P. C. C. Freire, A. Ridolfi, J. D. Taylor, C. Choza, C. J. Clark, F. Abbate, M. Bailes, E. D. Barr, S. Buchner, M. Burgay, M. E. DeCesar, W. Chen, A. Corongiu, D. J. Champion, A. Dutta, M. Geyer, J. W. T. Hessels, M. Kramer, A. Possenti, I. H. Stairs, B. W. Stappers, V. Venkatraman Krishnan, L. Vleeschower und L. Zhang. Paulo Freire, Ewan Barr, Weiwei Chen, David Champion, Arunima Dutta, Michael Kramer und Vivek Venkatraman Krishnan sind Mitarbeiter am MPIfR. Der Erstautor, Prajwal Voraganti Padmanabh, sowie Alessandro Ridolfi und Federico Abbate sind ebenfalls mit dem MPIfR affiliiert.

Originalveröffentlichung
Discovery and timing of ten new millisecond pulsars in the globular cluster Terzan 5
P. V. Padmanabh et al., Astronomy & Astrophysics (A&A), Volume 686, A166 (Juni 2024)
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2024/06/aa49303-24/aa49303-24.html

Discovery and timing of ten new millisecond pulsars in the globular cluster Terzan 5
P. V. Padmanabh et al., arXiv Preprint
https://arxiv.org/abs/2403.17799

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 21. Februar 2024.

Mittwoch, 21. Februar 2024: In einem feierlichen Rahmen wurde heute die erste MeerKAT+-Antenne in der Karoo-Region in Südafrika übergeben. Das markiert einen weiteren wichtigen Schritt in Richtung des Mittelfrequenzteleskops (SKA-MID) für das SKA-Observatorium (SKAO), in das die 14 Antennen der MeerKAT-Erweiterung in den nächsten Jahren integriert werden. Neben Vertretern der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), des South African Radio Astronomy Observatory (SARAO) und des Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), die diese 14 Antennen gemeinsam finanzieren, nahmen geladene Gäste der beteiligten Partnerländer und des SKAO an der Übergabezeremonie teil.

In ihren Begrüßungsansprachen betonten Angus Paterson, der Deputy CEO der National Research Foundation in Südafrika, Takalani Nemaungani, leitender Direktor für den Bereich Astronomie des südafrikanischen Ministeriums für Wissenschaft und Innovation, Enrico Brandt, stellvertretender Botschafter der deutschen Botschaft in Südafrika, und Michael Kramer, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, die Bedeutung der Veranstaltung für die Zukunft der Radioastronomie.

Gemeinsam mit Pontsho Maruping, der geschäftsführenden Direktorin des „South African Radio Astronomy Observatory“ (SARAO), sprach Michael Kramer über die Entwicklung der MeerKAT-Erweiterungs- (MeerKAT+) Antenne und die hervorragende Zusammenarbeit während des gesamten Prozesses. „Es ist unglaublich beeindruckend, was bereits jetzt mit dem MeerKAT-Teleskop erreicht wurde, und mit der Erweiterung wird in Zukunft noch Größeres gelingen“, so Kramer. Höhepunkt des Festaktes war schließlich die Fahrt zum Antennenfeld in der südafrikanischen Karoo-Halbwüste, wo die MeerKAT+-Antenne offiziell von Fabrice Scheid, Geschäftsführer des Standorts Mainz von OHB Digital Connect, übergeben wurde.

Mit dem Ausbau des MeerKAT-Teleskops wird die wissenschaftliche und technologische Zusammenarbeit weiter vertieft, die bereits durch die enge Zusammenarbeit zwischen SARAO und der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) in Deutschland im Rahmen von MeerKAT begonnen hat. „Das Projekt ist erst 2019 gestartet und es ist großartig zu sehen, dass die ersten Erfolge dieses gemeinsamen Projekts bereits sichtbar sind“, sagt Pontsho Maruping. „Das Ausbauprojekt MeerKAT+ wird die Empfindlichkeit, Winkelauflösung und Bildqualität des MeerKAT-Radioteleskops erheblich verbessern.“ Denn durch die Erweiterung der derzeit 64 Parabolantennen von MeerKAT um mindestens weitere 14 Antennen erhält man ein riesiges virtuelles Teleskop, das aus der Beobachtung schwacher Radioquellen detaillierte Radiobilder entstehen lässt.

Die Fähigkeiten des gesamten Teleskops werden noch weiter zunehmen, wenn die MeerKAT-Antennen zu einem Teil des riesigen SKA-MID-Teleskopnetzwerks mit einer Gesamtzahl von 197 Antennen werden, das derzeit am gleichen Standort gebaut wird.

„Die Erweiterung von MeerKAT erhöht die Empfindlichkeit der Empfangssysteme um ca. 50 % und ermöglicht damit nicht nur eine wesentlich schnellere Kartierung des Himmels, sondern auch den Nachweis von extrem schwachen astronomischen Quellen“, ergänzt Angus Paterson. Dennis Winkelmann, Geschäftsführer des Industriepartners OHB Digital Connect, ist mit dem Ergebnis zufrieden: „Wir haben bewiesen, dass das Design exzellent ist, dass es für den wissenschaftlichen Einsatz funktioniert und dass es für die Serienproduktion im industriellen Maßstab geeignet ist.“

„Dieses Projekt ist ein weiteres Beispiel für die hervorragende und vertrauensvolle Zusammenarbeit zwischen SARAO und MPIfR“, sagt Michael Kramer und fügt hinzu: „Es ist fantastisch zu sehen, dass damit die erste Antenne für MeerKAT+ fertiggestellt wurde. Dies ist eine Leistung von Partnern aus Wissenschaft und Industrie, national und international. Und ich kann es kaum erwarten, die ersten Daten von der Antenne zusammen mit dem Rest des Arrays zu sehen.“

Hintergrundinformation
MeerKAT: Gebaut und betrieben vom South African Radio Astronomy Observatory (SARAO) ist das MeerKAT-Teleskop mit 64 Antennen das größte Radioteleskop der südlichen Hemisphäre und eines von zwei SKA-Vorläuferinstrumenten in Südafrika. Das in der Karoo-Region gelegene Radioteleskop wird demnächst um eine zusätzliche Anzahl von Antennen im Rahmen des Projekts „MeerKAT+“ ergänzt, das 2019 gemeinsam von SARAO und der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) in Deutschland und ab 2020 mit dem Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) finanziert wird. Das Teleskop wird später schrittweise in das Mid-Teleskop von SKAO in Südafrika integriert.

SARAO: Das South African Radio Astronomy Observatory ist eine Einrichtung der National Research Foundation in Südafrika, zuständig für die Verwaltung aller Radioastronomie-Initiativen und -Einrichtungen in Südafrika, einschließlich des MeerKAT-Radioteleskops in der Karoo-Region und der Geodäsie- und VLBI-Aktivitäten an der HartRAO-Einrichtung. SARAO koordiniert auch das afrikanische Very Long Baseline Interferometry Network (AVN) für die acht SKA-Partnerländer in Afrika sowie den südafrikanischen Beitrag zur Infrastruktur und technischen Planung für das Square Kilometre Array Radio Telescope (SKA).

MPG: Die Max-Planck-Gesellschaft ist eine gemeinnützige Organisation mit 86 Instituten und Forschungseinrichtungen. Zu den Instituten der Gesellschaft gehört das Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn als wichtiger Akteur im Dish-Engineering-Konsortium des SKA. Gemeinsam mit deutschen Industriepartnern, wie dem Teleskopantennenspezialisten MT Mechatronics (MTM), und internationalen Partnern ist das Dish-Konsortium für das Design des SKA-Mittelfrequenz-Arrays (SKA-Mid) verantwortlich.

SKAO: Das SKA-Observatorium (SKAO) ist eine zwischenstaatliche Organisation, die Nationen aus der ganzen Welt zusammenbringt. Ihre Aufgabe ist es, hochmoderne Radioteleskope zu bauen und zu betreiben, um unser Verständnis des Universums zu verändern und Nutzen für die Gesellschaft zu bringen durch globale Zusammenarbeit und Innovation. Das Observatorium hat eine globale Ausrichtung und besteht aus dem SKAO-Hauptquartier im Vereinigten Königreich, den beiden SKAO-Teleskopen an radioruhigen Standorten in Südafrika und Australien sowie zugehörigen Einrichtungen zur Unterstützung des Betriebs der Teleskope. Sobald das SKAO in Betrieb ist, wird es ein globales Observatorium darstellen, das zwei Teleskopanlagen auf drei Kontinenten im Auftrag seiner Mitgliedsstaaten und Partner betreibt.

INAF: Das Istituto Nazionale di Astrofisica ist das wichtigste italienische Forschungsinstitut zur Erforschung des Universums und wurde 1999 gegründet. Das INAF finanziert und betreibt siebzehn separate Forschungseinrichtungen, die ihrerseits Wissenschaftler, Ingenieure und technisches Personal beschäftigen. Die von ihnen durchgeführten Forschungen decken die meisten Bereiche der Astronomie ab, von der Planetenforschung bis zur Kosmologie.

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• Square Kilometre Array (SKA)

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 25. Januar 2024.

25. Januar 2024 – Die Reise in das goldene Zeitalter der Radioastronomie wird fortgesetzt mit den Teleskopen des SKA-Observatoriums, die in den kommenden Jahren die größten Radioteleskop-Netzwerke der Erde werden. Das Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn hat in den vergangenen Jahrzehnten eine aktive Rolle bei der Entwicklung dieser Teleskope gespielt. Deutschland wird Anfang 2024 zum Vollmitglied des internationalen SKA-Observatoriums – der zwischenstaatlichen Organisation, die derzeit die Teleskope in Australien und Südafrika baut. Um Schlüsseltechnologien mit einzigartigem wissenschaftlichem Nutzen zu entwickeln, hat das MPIfR zusammen mit der OHB Digital Connect GmbH und dem „South African Radio Astronomy Observatory“ das SKA-MPIfR-Teleskop (SKAMPI) gebaut, eine Prototyp-Antenne für das SKA-Mid-Teleskop, für technische Inbetriebnahme und wissenschaftliche Nutzung. Hier berichten wir über erste Resultate („First Light“) und die wissenschaftliche Einsatzbereitschaft von SKAMPI.

Das SKA-MPIfR-Teleskop (SKAMPI) wurde Mitte 2018 am südafrikanischen SKA-Standort in der Karoo-Halbwüste vollständig aufgebaut. Erste Testbeobachtungen fanden im Dezember 2019 statt, und die technische Inbetriebnahme mit Systembewertung, Hochfrequenzstörungstests und Leistungstests dauerte bis Anfang 2022 und führte schließlich zur Veröffentlichung der entsprechenden Systemqualifikationsdokumente im Jahr 2022. Seitdem wurden Entwicklungen vorangetrieben, um eine Möglichkeit für einen ferngesteuerten und robotischen Betrieb von SKAMPI zu schaffen, den Betrieb des Teleskops mit der Frontend- und Backend-Steuerung zu integrieren und die Beobachtungen mit der Datenerfassung und automatischen Kalibrierung abzustimmen.

„SKAMPI verfügt über ein volldigitales Frontend mit zwei Empfangseinheiten, für Beobachtungen im S-Band bei Frequenzen zwischen 1,75 GHz und 3,5 GHz und im Ku-Band zwischen 12,0 GHz und 18,0 GHz“, sagt Gundolf Wieching, Leiter der Technischen Abteilung Elektronik am MPIfR. „Die Empfänger basieren auf dem für die MeerKAT-Teleskope konzipierten S-Band-System des MPIFR. Das Datenerfassungs- und -verarbeitungssystem, das sogenannte „Backend“, ist ein vom MPIfR entwickeltes Hochleistungsrechnersystem, das überwiegend Grafikprozessoren (GPUs) als Beschleunigerkarten für die Berechnung in handelsüblichen Servern nutzt.“ Das Backend-System kann dynamisch angepasst werden, um Beobachtungen zu verschiedenen wissenschaftlichen Fragestellungen wie bei Pulsaren, Spektropolarimetrie-Beobachtungen oder VLBI zu bedienen. Die Größe von SKAMPI mit einer projizierten Apertur von 15 m in Kombination mit einem vor Hochfrequenzstörungen geschützten Standort bietet eine seltene Kombination aus einem großen Sichtfeld und damit einer schnellen Himmelsabdeckung mit hervorragenden Polarisationseigenschaften, um Magnetfelder im Universum zu untersuchen.

„Wir haben mit SKAMPI die ersten Beobachtungen im S-Band bei Frequenzen zwischen 1,75 und 3,5 GHz durchgeführt und die spektralen und Pulsar-Fähigkeiten des Teleskops mit der Abbildung der Radioemission des Südhimmels und dem Nachweis des Vela-Pulsars demonstriert“, sagt Hans-Rainer Klöckner vom MPIfR, der Projektwissenschaftler für SKAMPI.

Die Radiostrahlung des Südhimmels in galaktischen Koordinaten ist in Abbildung 1 (oben links) dargestellt und zeigt die Qualität der Abbildungen mit SKAMPI. Der gesamte Himmel wurde in zwei aufeinanderfolgenden Nächten mit einer Fahrgeschwindigkeit von 2,5 Grad pro Sekunde am Himmel beobachtet. Obwohl die unkalibrierten Messungen noch durch Hochfrequenzstörungen, atmosphärische und systembedingte Schwankungen beeinflusst werden, zeigt das Bild bereits einen Großteil der charakteristischen Radiostrahlung unserer Milchstraße und externer Galaxien wie Centaurus A und verspricht, das Ziel zu erreichen, eine der empfindlichsten Himmelsdurchmusterungen erstellen zu können. „Dieses Bild ist ein wichtiger Schritt bei der Inbetriebnahme des Teleskops und demonstriert die Eignung des Teleskops und unseres Ansatzes für großflächige Kartierungen“, sagt Ferdinand Jünemann vom MPIfR, der die Daten für seine Doktorarbeit nutzt. „Wir haben im Moment noch 40 Mal mehr Beobachtungen zu verarbeiten, um eine erste vollständige Durchmusterung des Südhimmels im S-Band zu ermöglichen.“

Die Fähigkeit von SKAMPI zur Beobachtung von Radiopulsaren – schnell rotierenden Neutronensternen, die während ihrer Drehung intensive und stark gebündelte Radiostrahlung von oberhalb ihrer Magnetpole aussenden – wird mit der Erstbeobachtung des bekannten Vela-Pulsars demonstriert (Abbildung 2). Der Nachweis des Vela-Pulsars entspricht genau den Erwartungen aus der Literatur und setzt ein gutes Vorzeichen für künftige Langzeitstudien von hellen Pulsaren mit SKAMPI.

Die First-Light-Messungen geben einen guten Eindruck von der Datenqualität und den Fähigkeiten des Teleskops und lassen auf einzigartige wissenschaftliche Forschungsergebnisse hoffen. Der volle wissenschaftliche Betrieb wird bereits in diesem Jahr aufgenommen, und zu den speziellen Forschungsprogrammen gehören die Untersuchung der Natur variabler Quellen wie aktiver galaktischer Kerne oder schneller Radiobursts, die Beobachtung starker Pulsare im Hinblick auf Rotations- oder Magnetosphärenereignisse, die Untersuchung des Innenlebens von Strahlungsausbrüchen (Bursts), die mit dem FERMI-Satelliten als Teil eines kleinen VLBI-Teleskoparrays entdeckt wurden, und die Verbesserung unseres Verständnisses des galaktischen Vordergrunds.

Parallel zu den ersten wissenschaftlichen Programmen sind weitere technische Entwicklungen geplant, darunter weiterentwickelte Kalibrierungsstrategien und die Schaffung eines Konzepts, das SKAMPI in ein vollständig robotisches System verwandeln wird. In diesem Rahmen werden betriebliche, mechatronische und datenverarbeitende Informationen kombiniert und die Bewertung des gesamten Signalverarbeitungspfads bis hin zum endgültigen wissenschaftlichen Datenprodukt ermöglicht.

„Für SKAMPI haben wir unser Softwaresystem so erweitert, dass Rechenressourcen, die nicht für die Echtzeit-Signalverarbeitung der aktuellen Beobachtung benötigt werden, von Wissenschaftlern für erste automatisierte Analysen genutzt werden können“, erklärt Tobias Winchen, ebenfalls vom MPIfR. „Die Ergebnisse stehen bereits kurz nach den Beobachtungen zur Verfügung und liefern so ein schnelles Feedback zu den Beobachtungen und der Systemleistung. In Kürze werden wir beginnen, ein vollautomatisches System zu testen, das die Ergebnisse der automatisierten Analysen einbezieht, um dadurch die gesamten Beobachtungen eines wissenschaftlichen Programms zu verwalten.“

Obwohl ein großer Teil der Beobachtungszeit mit SKAMPI umfangreichen internen Wissenschaftsprogrammen gewidmet sein wird, steht das Teleskop für Beobachtungsanfragen südafrikanischer und deutscher Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler offen, und es wird auch die Möglichkeit bestehen, ein Bildungsprogramm für Schulen und Universitäten einzurichten.

Weitere Informationen
MeerKAT: Das vom „South African Radio Astronomy Observatory“ (SARAO) gebaute und betriebene MeerKAT ist mit 64 Parabolspiegeln das größte Radioteleskop der südlichen Hemisphäre und eines von zwei SKA-Vorläuferinstrumenten mit Standort Südafrika. Das in der Karoo-Halbwüste gelegene Radioteleskop wird demnächst im Rahmen des von SARAO und der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) in Deutschland gemeinsam finanzierten Projekts „MeerKAT+“ um eine zusätzliche Anzahl von Parabolspiegeln erweitert werden. Das MeerKAT-Teleskop wird später schrittweise in das SKAO-Mid-Teleskop in Südafrika integriert.

SKAO: Das SKA-Observatorium (SKAO) ist eine zwischenstaatliche Organisation, die Nationen aus der ganzen Welt zusammenbringt. Ihre Aufgabe ist es, hochmoderne Radioteleskope zu bauen und zu betreiben, um unser Verständnis des Universums zu verändern und der Gesellschaft durch globale Zusammenarbeit und Innovation Vorteile zu bringen. Das Observatorium ist weltweit tätig und besteht aus dem SKAO-Hauptquartier im Vereinigten Königreich, den beiden SKAO-Teleskopen an radio-ruhigen Standorten in Südafrika und Australien sowie den dazugehörigen Einrichtungen zur Unterstützung des Teleskopbetriebs. Sobald das SKAO seinen vollen Betrieb erreicht hat, wird es eine einzige globale Sternwarte darstellen, die im Auftrag ihrer Mitgliedstaaten und Partner zwei Teleskope auf drei Kontinenten betreibt.

SKAMPI: Das SKA-MPIfR-Teleskop wurde vom internationalen DISH-Konsortium der SKAO entwickelt, an dem Institutionen in 10 Ländern beteiligt sind, und von CETC54 in China und der OHB Digital Connect GmbH (früher MT-Mechatronics GmbH) hergestellt. Das Projekt wurde vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) und dem South African Radio Observatory (SARAO) realisiert und von der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) und SARAO finanziert. Die Leistungsfähigkeit der Antennenstruktur wurde von SARAO und MPIfR überprüft. SKAMPI wird am SARAO-Standort in Südafrika beherbergt. SARAO ist eine Einrichtung der „National Research Foundation“, einer Agentur des südafrikanischen Ministeriums für Wissenschaft und Innovation.

Mehrere der Teilsysteme von SKAMPI, darunter das „Dish Fibre Network“, der „Single Pixel Feed Controller“ und die Helium- und Vakuumdienste, wurden von SARAO entwickelt, geliefert und integriert. SARAO unterstützte die Aktualisierung und den Austausch des Kompressors von Sumoto Heavy Industrues (SHI), bei dem es sich um einen modifizierten Standardkompressor handelte, durch ein Produktionsmodell, den Oxford Cryo System (OCS) Kompressor. SARAO führt selbst keine vollen Wartungsarbeiten an diesem Teleskop durch, unterstützt aber die Kryogenik und die Vakuumsysteme.

Die Fähigkeiten von SKAMPI vermitteln einen Eindruck davon, was mit dem vollständigen SKA-Mid-Teleskop, bestehend aus 133 SKA-Parabolspiegeln und 64 MeerKAT-Parabolspiegeln, einmal möglich sein wird.

Acknowledgement: SKAMPI, das SKA-MPG-Prototypteleskop, ist eine Einrichtung der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) und wurde mit Unterstützung des „South African Radio Observatory“ (SARAO) errichtet. Es wird gemeinsam vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) und SARAO betrieben und gewartet. Diese Forschung wurde durch die Unterstützung des MPIfR und SARAO ermöglicht.

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 18. Januar 2024.

18. Januar 2024 – Ein internationales Team von Astronominnen und Astronomen unter der Leitung von Forschern des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie hat mit dem MeerKAT-Radioteleskop ein faszinierendes Objekt unbekannter Natur im Kugelsternhaufen NGC 1851 entdeckt. Es ist schwerer als die schwersten bekannten Neutronensterne und gleichzeitig leichter als die leichtesten bekannten Schwarzen Löcher und befindet sich in einer Umlaufbahn um einen sich schnell drehenden Millisekunden-Pulsar. Dies könnte die erstmalige Entdeckung eines Doppelsternsystems aus Radiopulsar und Schwarzem Loch sein, und damit einer Sternenpaarung, die neue Tests der allgemeinen Relativitätstheorie von Einstein ermöglichen würde.

Die Forschungsergebnisse werden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.

Neutronensterne, die ultradichten Überreste einer Supernova-Explosion, können nur eine bestimmte Maximalmasse erreichen. Sobald sie zu viel Masse angehäuft haben, zum Beispiel durch das Verschlucken eines anderen Sterns oder durch die Kollision mit einem anderen Neutronenstern, stürzen sie in sich zusammen. Was bei einem solchen Kollaps aus ihnen wird, ist Anlass für zahlreiche Spekulationen. Die vorherrschende Meinung ist jedoch, dass Neutronensterne zu schwarzen Löchern kollabieren, also zu Objekten, die ein so starkes Gravitationsfeld haben, dass nicht einmal Licht ihnen entkommen kann. Die Theorie, die durch Beobachtungen gestützt wird, besagt, dass die leichtesten schwarzen Löcher, die durch kollabierende Sterne entstehen können, etwa fünfmal mehr Masse haben als die Sonne. Dies ist erheblich mehr als die 2,2-fache Sonnenmasse, die für den Kollaps eines Neutronensterns erforderlich ist, was zu der so genannten Massenlücke bei Schwarzen Löchern führt. Die Art der kompakten Objekte in dieser Massenlücke ist bisher unbekannt. Eine detaillierte Untersuchung hat sich als schwierig erwiesen, da solche Objekte bisher nur durch Gravitationswellen aus dem fernen Universum entdeckt werden konnten.

Die Entdeckung eines Objekts in dieser Masselücke in unserer Milchstraße durch ein Team von Astronominnen und Astronomen der internationalen Kollaboration „Transients and Pulsars with MeerKAT“ (TRAPUM) könnte helfen, diese Objekte besser zu verstehen. Ihre Arbeit, die in dieser Woche in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wird, berichtet über ein massereiches Paar kompakter Sterne im Kugelsternhaufen NGC 1851 im südlichen Sternbild Columba (Taube). Durch den Einsatz des empfindlichen MeerKAT-Radioteleskops in Südafrika in Verbindung mit leistungsstarken Geräten, die von Ingenieuren des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn gebaut wurden, konnten sie schwache Impulse von einem der Sterne aufspüren und ihn als Radiopulsar identifizieren. Das ist eine Art Neutronenstern, der sich sehr schnell dreht und wie ein kosmischer Leuchtturm Radiosignale ins Universum sendet. Der neu entdeckte Pulsar mit der Bezeichnung PSR J0514-4002E dreht sich mehr als 170 Mal pro Sekunde um die eigene Achse, wobei jede Umdrehung einen rhythmischen Puls erzeugt, der dem Ticken einer Uhr gleicht. Das Ticken dieser Pulse erfolgt extrem regelmäßig. Durch die Messung kleiner Abweichungen, das sogenannte Pulsar-Timing, waren die Forscher in der Lage, äußerst präzise Bestimmungen der Orbitalbewegung des Pulsars vorzunehmen. „Stellen Sie sich vor, Sie könnten eine fast perfekte Stoppuhr in die Umlaufbahn eines fast 40.000 Lichtjahre entfernten Sterns bringen und dann die Zeit der Umläufe mit Mikrosekundengenauigkeit messen“, sagt Ewan Barr, der die Studie zusammen mit seiner Kollegin Arunima Dutta, Doktorandin am MPIfR, geleitet hat.

Dadurch war eine präzise Bestimmung der Position des Systems möglich. Es stellte sich heraus, dass das Objekt, das den Pulsar umkreiste, und das in den Bildern des Hubble-Weltraumteleskops von NGC 1851 nicht zu sehen ist, kein normaler Stern sein kann, sondern der extrem dichter Überrest eines kollabierten Sterns. Darüber hinaus zeigte die beobachtete zeitliche Veränderung des Punktes der größten Annäherung zwischen den beiden Sternen, dass der Begleiter eine Masse hat, die gleichzeitig größer als die jedes bekannten Neutronensterns und kleiner als die jedes bekannten Schwarzen Lochs ist. Damit fällt er genau in die Massenlücke des Schwarzen Lochs.

„Was auch immer dieses Objekt ist, es ist eine aufregende Nachricht“, sagt Paulo Freire, ebenfalls vom MPIfR. „Wenn es sich um ein Schwarzes Loch handelt, ist es das erste bekannte Pulsar-Schwarzes-Loch-System, dessen Entdeckung seit Jahrzehnten den Heilige Gral der Pulsarastronomie darstellt! Wenn es sich um einen Neutronenstern handelt, wird dies grundlegende Auswirkungen auf unser Verständnis des unbekannten Zustands der Materie bei diesen unglaublichen Dichten haben!“

Die Forscher gehen davon aus, dass die Entstehung des massereichen Objekts und seine anschließende Verbindung mit dem sich schnell drehenden Radiopulsar auf einer engen Umlaufbahn das Ergebnis eines eher exotischen Vorgangs ist (Abb. 3), die nur aufgrund der besonderen lokalen Umgebung möglich war. Das System befindet sich im Kugelsternhaufen NGC 1851, einer dichten Ansammlung alter Sterne, die viel dichter gepackt sind als die Sterne im übrigen Teil der Galaxis. Durch den geringen Abstand können die Sterne gegenseitig ihre Bahnen stören und im Extremfall sogar miteinander kollidieren. Aus einer solchen Kollision dürfte das jetzt entdeckte Objekt entstanden sein. Bevor jedoch der jetzige Doppelstern entstand, muss der Radiopulsar zunächst Material von einem Spenderstern in einem sogenannten massearmen Röntgendoppelsternsystem erhalten haben. Ein solcher „Recycling“-Prozess ist notwendig, um den Pulsar auf seine aktuelle Rotationsrate zu beschleunigen. Das Team glaubt, dass dieser Spenderstern dann in einem so genannten Austauschvorgang durch das heutige massereiche Objekt ersetzt wurde. „Dies ist der exotischste binäre Pulsar, der bisher entdeckt wurde“, sagt Thomas Tauris von der Universität Aalborg, Dänemark. „Seine lange und komplexe Entstehungsgeschichte stößt an die Grenzen unserer Vorstellungskraft.“

Die Wissenschaftler können noch nicht abschließend sagen, ob sie den massereichsten bekannten Neutronenstern, das leichteste bekannte Schwarze Loch oder gar eine neue exotische Sternvariante entdeckt haben. Sicher ist jedoch, dass sie ein einzigartiges Labor zur Erforschung der Eigenschaften von Materie unter den extremsten Bedingungen im Universum gefunden haben.

„Wir sind mit diesem System noch nicht fertig“, sagt Arunima Dutta. Sie führt weiterhin aus: „Die Aufdeckung der wahren Natur des Begleiters wird einen Wendepunkt in unserem Verständnis von Neutronensternen, Schwarzen Löchern und allem, was sonst noch in der Massenlücke des Schwarzen Lochs lauern könnte, darstellen.“

Weitere Informationen
MeerKAT: Das vom South African Radio Astronomy Observatory (SARAO) betriebene MeerKAT-Teleskop ist das größte Radioteleskop der südlichen Hemisphäre und eines von zwei Vorläuferinstrumenten für das SKA-Observatoriums (SKAO) in Südafrika. Das in der Karoo-Halbwüste gelegene Radioteleskop wird demnächst im Rahmen des von SARAO und der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) gemeinsam finanzierten Projekts „MeerKAT+“ um eine zusätzliche Anzahl von Parabolspiegeln erweitert werden. MeerKAT wird später schrittweise in das „Mid-Frequency“–Teleskop des SKAO in Südafrika integriert.

TRAPUM: „Transients and Pulsars with MeerKA“ (TRAPUM) ist ein laufendes Durchmusterungsprojekt mit dem Radioteleskop MeerKAT. Die Mitglieder des Projekts bilden eine internationale Kollaboration von Universitäten und Forschungsinstituten aus 10 Ländern unter der Leitung von Prof. Michael Kramer (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Deutschland) und Prof. Benjamin Stappers (University of Manchester, Großbritannien). Das Ziel der TRAPUM-Durchmusterung und der Zusammenarbeit ist die Beobachtung von Quellen von besonderem Interesse bei der Suche nach Radiopulsaren. Die Beobachtungen konzentrieren sich auf von Fermi-LAT entdeckte Gammastrahlenquellen, Kugelsternhaufen, Supernovaüberreste und nahe Galaxien. Bis heute wurden im Rahmen von TRAPUM und seiner Schwesterprojekte mehr als 200 Pulsare mit MeerKAT entdeckt.

Entstehungsgeschichte von NGC 1851E: Eine mögliche Geschichte der Entwicklung des NGC 1851E-Systems wird in Abbildung 3 dargestellt. Auf der linken Seite der Abbildung wird gezeigt, wie der Millisekunden-Pulsar PSR J0514-4002E (MSP) durch den Einfang von Materie aus einem stellaren Begleiter in einem massearmen Röntgendoppelstern (LMXB) ins Trudeln geriet. Was nach dem Stadium des massearmen Röntgendoppelsterns übrig bleibt, sind ein sich schnell drehender Pulsar und ein Weißer Zwerg, die einander umkreisen – eine typische Konfiguration, die in der gesamten Galaxis zu beobachten ist. Rechts wird die Entstehung des massereichen Begleitobjekts gezeigt. Hier sind zwei Neutronensterne im Orbit (NS + NS). Der Energieverlust durch die Emission von Gravitationswellen lässt diese Umlaufbahn mit der Zeit schrumpfen, was schließlich zu einer explosiven Neutronensternfusion führt. Das Ergebnis der Fusion ist ein isoliertes massearmes Schwarzes Loch (BH) oder möglicherweise ein supermassereicher Neutronenstern. Zu einem späteren Zeitpunkt treffen das Schwarze Loch und der Doppelstern aus Pulsar und Weißem Zwerg aufeinander. Dabei wird der leichteste der drei Sterne, in diesem Fall der Weiße Zwerg, aus der Umlaufbahn geschleudert. Das Ergebnis ist ein stabiles Pulsar-Schwarzes-Loch-System.

Autoren der Veröffentlichung sind Ewan D. Barr, Arunima Dutta, Paulo C. C. Freire, Mario Cadelano, Tasha Gautam, Michael Kramer, Cristina Pallanca, Scott M. Ransom, Alessandro Ridolfi, Benjamin W. Stappers, Thomas M. Tauris, Vivek Venkatraman Krishnan, Norbert Wex, Matthew Bailes, Jan Behrend, Sarah Buchner, Marta Burgay, Weiwei Chen, David J. Champion, C. -H. Rosie Chen, Alessandro Corongiu, Marisa Geyer, Y. P. Men, Prajwal V. Padmanabh und Andrea Possenti. Von den Autoren haben Ewan Barr, Arunima Dutta, Paulo Freire, Tasha Gautam, Michael Kramer, Alessandro Ridolfi, Thomas Tauris, Vivek Venkatraman Krishnan, Norbert Wex, Jan Behrend, Weiwei Chen, David Champion, Rosie Chen, Y. P. Men und Prajwal Padmanabh eine Zugehörigkeit zum MPIfR.

Originalveröffentlichung
A pulsar in a binary with a compact object in the mass gap between neutron stars and black holes
E. Barr et al., Science, 19. Januar 2024, Vol 383, Issue 6680, pp. 275-279, DOI: 10.1126/science.adg3005
https://www.sciencenews.org/article/enigma-pulsar-companion-mass-ticks

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 29. März 2023.

Bundesforschungsministerin Bettina Stark-Watzinger hat am 28. März 2023 zusammen mit Dr. Lindsay Magnus, Direktor von SKA-Mid in Südafrika und Prof. Michael Kramer, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn, das sich im Aufbau befindliche Superteleskop SKA-Observatorium (SKAO) in Südafrika besucht. Dort verkündete sie den Beitritt Deutschlands zu dem internationalen Projekt SKAO. Die Max-Planck-Gesellschaft stellt etwa 21 Millionen Euro für das Projekt zur Verfügung.

„Mit dem einzigartigen Superteleskop SKA-Observatorium (SKAO) brechen wir in eine neue Ära der Astronomie auf. Wir wollen damit Grenzen überwinden, des Wissens und auch von Ländern. Deshalb habe ich entschieden, dass Deutschland der internationalen Organisation SKAO beitreten wird“, erklärt die Bundesforschungsministerin. „Damit bringen wir über dreißig Jahre Verhandlungen, Planung und Entwicklung zu einem erfolgreichen Abschluss. Und wir ermöglichen neue Forschung und Entdeckungen zu Galaxien, Sternen, fernen Planeten und interstellarer Materie. Das befördert unsere exzellente Wissenschaft, aber auch Computing, Datenmanagement und die MINT-Ausbildung. Grundlagenforschung wird hier zum Technologietreiber.“

„Die Max-Planck-Gesellschaft begrüßt und unterstützt die Ankündigung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung, dem SKA-Observatorium beizutreten“, ergänzt der Präsident der Max-Planck-Gesellschaft, Prof. Martin Stratmann. „In Zusammenarbeit mit anderen deutschen Institutionen und der Industrie hat sich die Max-Planck-Gesellschaft in vielen Bereichen des SKAO engagiert – von der Wissenschaft bis hin zur technischen Realisierung – und hat einmal mehr bewiesen, dass sie ein international anerkannter und zuverlässiger Partner ist. Die MPG freut sich auf das nächste Kapitel der deutschen Beteiligung am SKAO.“

„Man muss sich nur auf dem Gelände des SKA-Mid-Teleskops in Südafrika umsehen, um zu sehen, wie viel die deutsche Gemeinschaft bereits jetzt zum Fortschritt des SKA-Projekts beigetragen hat“, sagt Prof. Philip Diamond, Generaldirektor des SKA-Observatoriums. „Ich bin begeistert, dass das Land eine Vollmitgliedschaft im SKAO anstrebt, um seinen Erfindungsreichtum innerhalb der Gemeinschaft der Mitgliedsländer weiter auszubauen.“

„Ich bin seit mehr als 20 Jahren am SKAO beteiligt und in dieser Zeit hat sich viel getan. Für das Max-Planck-Institut für Radioastronomie und die gesamte Radioastronomie-Gemeinschaft in Deutschland ist der deutsche Beitritt zum SKAO ein weiterer wichtiger Meilenstein. Die Mitgliedschaft im SKAO war eines der ausgemachten Ziele in der Denkschrift „Perspektiven der Astrophysik in Deutschland 2017-2030“ der Astronomischen Gesellschaft. Dies ist ein bedeutender und freudiger Moment für alle, die daran beteiligt sind“, schließt Prof. Michael Kramer, Direktor am MPIfR Bonn und Präsident der Astronomischen Gesellschaft.

Hintergrundinformation:
Das Square Kilometre Array Observatory (SKAO) ermöglicht exzellente Radioastronomie. Das Radioteleskop vernetzt zwei Standorte in Südafrika und in Australien mit über 3000 Kilometer Entfernung. Es ermöglicht dadurch Bilder in besonders hoher Auflösung. Dieses intelligente und weltweit führende Konzept beruht auf einer erfolgreichen internationalen Zusammenarbeit. Es vereint brillantes Know-how aus Südafrika, Deutschland und anderen Ländern mit dem Ziel einer herausragenden Wissenschaft, die neue Durchbrüche in der Forschung erzielt. Das Teleskop-Array wird eine neue Ebene der Astronomie mit neuen Details über Galaxien, Sterne und interstellare Materie ermöglichen.

Neben der Wissenschaft profitiert die Gesellschaft. Die Astronomie ist eine wichtige Triebkraft für neue technologische Lösungen – insbesondere in den Bereichen Ingenieurwesen, Optik, Feinmechanik und Computerwissenschaften. Dadurch setzt die Astronomie neue Akzente auch in der Ausbildung von MINT-Fachkräften.

Am SKAO sind neben den Standorten Südafrika und Australien sowie der Zentrale im Vereinigten Königreich bisher auch die Staaten China, Italien, Niederlande, Portugal und Schweiz als Mitglieder beteiligt. Beobachter sind Frankreich, Indien, Japan, Kanada, Schweden, Spanien und Südkorea.

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 30. Mai 2022.

30. Mai 2022 – Ein internationales Team von Wissenschaftlern, darunter auch Astronomen des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie in Bonn, hat einen ungewöhnlichen Neutronenstern entdeckt, der Radiostrahlung aussendet und sich alle 76 Sekunden um die eigene Achse dreht. Das Team, das von Mitgliedern der MeerTRAP-Gruppe („More Transients and Pulsars“) an der Universität Manchester geleitet wird, spricht von einer einzigartigen Entdeckung, da sich dieser Stern auf dem sogenannten Friedhof der Neutronensterne befindet, wo man überhaupt keine Pulsaraktivität erwartet. Die Entdeckung wurde mit dem MeerKAT-Radioteleskop in Südafrika gemacht.

Die Ergebnisse werden am 30. Mai 2022 online in der Fachzeitschrift „Nature Astronomy“ veröffentlicht.

Die Quelle wurde zunächst vom ERC-finanzierten MeerTRAP-Team entdeckt, bei gemeinsamen Beobachtungen einer Himmelsregion, die von einem anderen Team, ThunderKAT, geleitet wurden. Beide Forscherteams, MeerTRAP und ThunderKAT, arbeiteten daraufhin eng zusammen, um den Ursprung der Quelle zu enträtseln. Es war ihnen möglich, die Pulsationen mit Hilfe von 8-Sekunden-Bilder des Himmels zu bestätigen und die genaue Position der Quelle zu bestimmen, woraufhin detaillierte und empfindlichere Folgebeobachtungen durchgeführt werden konnten.

Neutronensterne sind extrem dichte Überreste von einer Supernova-Explosion eines massereichen Sterns. Derzeit sind den Wissenschaftlern etwa 3000 dieser Sterne in unserer Milchstraße bekannt. Der neu entdeckte Stern ist jedoch anders als die bisher gefundenen Neutronensterne. Das Team geht davon aus, dass er zu der bisher nur theoretisch postulierten Klasse von ultralanglebigen Magnetaren mit extrem starken Magnetfeldern gehören könnte.

Dr. Manisha Caleb, vormals Universität Manchester und jetzt an der Universität von Sydney, die das Forschungsprojekt leitete, sagt: „Es ist erstaunlich, dass wir von dieser Quelle nur während 0,5 % ihrer Rotationsperiode Radioemission feststellen können. Das bedeutet, dass es ein großer Zufall ist, dass sich der Radiostrahl mit der Erde kreuzt. Es ist daher wahrscheinlich, dass es in der Galaxis noch viel mehr solcher sehr langsam rotierenden Quellen gibt. Das hat wichtige Auswirkungen auf die Entstehung und das Altern von Neutronensternen.“

„Die meisten Pulsardurchmusterungen suchen nicht nach so langen Perioden, so dass wir keine Ahnung haben, wie viele dieser Quellen es insgesamt geben könnte. In diesem Fall war die Quelle hell genug, dass wir die einzelnen Pulse mit dem MeerTRAP-Instrument am MeerKAT nachweisen konnten“, ergänzt sie.

Der neu entdeckte Neutronenstern erhielt den Namen PSR J0901-4046 und weist Merkmale von Pulsaren, von (ultralangperiodischen) Magnetaren und sogar von schnellen Radiobursts auf. Während die ausgestrahlte Radioenergie auf einen Pulsar hinweist, erinnern die Pulse mit chaotischen Subpuls-Komponenten und die Polarisation der Pulse an Magnetare.

Obwohl die Spinperiode von PSR J0901-4046 mit einem Weißen Zwerg übereinstimmen könnte, sehen die Wissenschaftler keine Unterstützung für diese Annahme bei unterschiedlichen Wellenlängen. Es ist derzeit unklar, wie lange diese Quelle bereits im Radio emittiert. Sie wurde zwar in einem gut untersuchten Teil der Milchstraße entdeckt, doch wird bei Radiodurchmusterungen normalerweise nicht nach so langen Perioden oder Impulsen gesucht, die länger als ein paar Dutzend Millisekunden dauern.

„Die Radioemission dieses Neutronensterns ist anders als alles, was wir bisher gesehen haben“, erklärt Professor Ben Stappers von der Universität Manchester, der Leiter des MeerTRAP-Projekts. „Wir können ihn etwa 300 Millisekunden lang beobachten, was viel länger ist als bei den meisten anderen Neutronensternen, die Radiostrahlung aussenden. Es scheint mindestens sieben verschiedene Pulsarten zu geben, von denen einige eine stark periodische Struktur aufweisen, die als seismische Schwingungen des Neutronensterns gedeutet werden könnten. Diese Pulse könnten uns wichtige Einblicke in die Art des Emissionsmechanismus dieser Quellen geben.“

„Die Empfindlichkeit des MeerKAT-Teleskops kombiniert mit der ausgefeilten Suche im Rahmen des MeerTRAP-Projekts und der Fähigkeit, simultane Bilder des Himmels aufzunehmen, hat diese Entdeckung möglich gemacht. Selbst dann brauchte man noch die Augen eines Adlers, um zu erkennen, dass es sich um eine echte Quelle handelte, weil sie so ungewöhnlich aussah“, sagte Dr. Ian Heywood vom ThunderKAT-Team und der Universität Oxford, der an dieser Untersuchung beteiligt war.

Die Entdeckung ähnlicher Quellen ist eine große Herausforderung für die Beobachtung, was bedeutet, dass es möglicherweise eine größere unentdeckte Population von Radioquellen gibt, die darauf wartet, entdeckt zu werden. Diese neue Entdeckung erweitert die Möglichkeit der Existenz einer neuen Klasse von Radiotransienten, den ultralangperiodischen Neutronensternen, und deutet auf einen möglichen Zusammenhang mit der Entwicklung von hochmagnetisierten Neutronensternen, ultralangperiodischen Magnetaren und schnellen Radiostrahlungsausbrüchen (FRBs) hin.

Diese Entdeckung wurde in Zusammenarbeit mit Kollegen am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn gemacht. Das MPIfR hat eine hochentwickelte Rechenanlage entworfen, konstruiert und installiert, die es ermöglicht, den synthetisierten Strahl des MeerKAT-Arrays in viele hundert verschiedene Pixel zu unterteilen, die parallel analysiert werden. Dr. Ewan Barr, der diese Entwicklung leitete, erklärt: „Interferometer sind großartig, um Bilder zu machen. Mit ihnen nach Pulsaren oder schnellen Transienten zu suchen, ist nicht trivial. Unsere Hard- und Software hat MeerKAT in eine effektive Maschine zur Suche nach Pulsaren und Transienten verwandelt“. Weiwei Chen, Mitautor der Studie, stimmt dem zu: „Es ist großartig zu sehen, wie unsere Arbeit sich mit MeerTRAP ergänzt und wie unsere Kollegen es optimal nutzen.“

Prof. Michael Kramer, Direktor am MPIfR und Leiter der Forschungsabteilung „Radioastronomische Fundamentalphysik“, fasst zusammen: „Wir sind glücklich, Teil dieser sehr spannenden Entdeckung zu sein. Sie sagt uns viel über die Beziehung zwischen Pulsaren und Magnetaren, und sie war möglich, weil MeerTRAP in hervorragender Weise Synergien zwischen Bildgebung und Pulsarsuche mit dem MeerKAT-Teleskop schafft. Ich frage mich, wie viele außergewöhnliche Pulsare es noch gibt, die auf ihre Entdeckung warten!“

Zusätzliche Informationen
Das Projekt MeerTRAP wird vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizont 2020 der Europäischen Union (Forschungsgrant Nr. 694745) finanziert. Es arbeitet eng mit dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) zusammen und nutzt die vom MPIfR und der Max-Planck-Gesellschaft finanzierte und am MeerKAT-Teleskop installierte Strahlformungs- und Verarbeitungsinfrastruktur.

Das MeerKAT-Teleskop wird vom South African Radio Astronomy Observatory (SARAO) betrieben, einer Einrichtung der National Research Foundation, einer Agentur des Department of Science and Innovation (DSI).

ThunderKAT wird gemeinsam von den Universitäten Kapstadt und Oxford geleitet.

Drei der Autoren, Ewan Barr, Weiwei Chen und Michael Kramer, sind Mitarbeiter des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie.

Originalveröffentlichung
Discovery of a radio-emitting neutron star with an ultra-long spin period of 76 s
M. Caleb et al: 2022, Nature Astronomy, 30. Mai 2022 (DOI: 10.1038/s41550-022-01688-x).
https://www.nature.com/articles/s41550-022-01688-x

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

Eine internationale Gruppe von Astronomen unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn und der University of British Columbia (UBC) in Vancouver hat erste Ergebnisse eines groß angelegten Programms vorgestellt, bei dem Beobachtungen mit dem südafrikanischen MeerKAT-Radioteleskop dazu verwendet werden, die Theorien von Einstein mit noch nie dagewesener Genauigkeit zu testen. Das Programm mit dem Namen „Relativistic and Binary Pulsars“ (RelBin) und die ersten Ergebnisse werden in einem heute veröffentlichten Artikel in der Fachzeitschrift „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ beschrieben.

Die allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein gehört zu den bestuntersuchten Theorien der Physik und stellt die derzeit beste Beschreibung der Gravitation dar. Dennoch bleiben Fragen wie die nach der Natur der „Dunklen Materie“ oder der „Dunklen Energie“ unbeantwortet, und mögliche Abweichungen von der allgemeinen Relativitätstheorie werden nach wie vor untersucht. Hier bietet die Erforschung von Binärpulsaren, Sternen extrem hoher Dichte, die sowohl als kosmische Leuchttürme als auch als präzise Uhren fungieren, einzigartige Einblicke, die andere Experimente, etwa mit Gravitationswellendetektoren oder Satellitenmissionen, ergänzen.

Pulsare sind nur etwa 24 km groß und bestehen hauptsächlich aus Neutronen. Mit Massen bis etwa zweifacher Sonnenmasse sind sie die extremsten Objekte im beobachtbaren Universum. Durch die Verfolgung ihrer Bewegung um einen möglichen Begleiter, einen anderen Neutronenstern oder einen größeren „Weißen Zwerg“, den freigelegten Kern eines gewöhnlichen Sterns am Ende seines Lebens, können Radioteleskope wie MeerKAT in Südafrika ihre Position in der jeweiligen Umlaufbahn auf nur etwa 30 Meter genau bestimmen! Dies kann eine Reihe von relativistischen Effekten in der Umlaufbewegung aufdecken, wie die Emission von Gravitationswellen oder die Auswirkungen auf die Ausbreitung von Licht in ihren starken Gravitationsfeldern.

Das MeerKAT-Teleskop ist ein hervorragendes neues Radioteleskop, das vom „South African Radio Astronomy Observatory“ (SARAO) gebaut und betrieben wird. Es bietet eine hohe Empfindlichkeit durch die Kombination der Signale von 64 einzelnen 13-m-Antennen. Im Rahmen des „Large Survey Proposals“ MeerTime, das von Prof. Matthew Bailes von der Swinburne-Universität in Australien geleitet wird, war das Projekt „Relativistic and Binary Pulsars“ (RelBin) unter der Leitung von Prof. Michael Kramer, Direktor am MPIfR, Bonn, und Prof. Ingrid Stairs, University of British Columbia in Kanada, das am besten bewertete Wissenschaftsprogramm, das für MeerKAT vorgeschlagen wurde. Das internationale RelBin-Team mit Kollegen aus Afrika, Australien, Europa und Nordamerika präsentiert nun die ersten Ergebnisse aus diesem Programm.

RelBin konzentriert sich in erster Linie auf die Beobachtung von relativistischen Effekten in Pulsar-Binärsystemen, um Präzisionsmessungen der Massen von Neutronensternen und Tests von Gravitationstheorien zu ermöglichen. Auch wenn detaillierte Ergebnisse erst nach vielen weiteren Monaten der Beobachtung zu erwarten sind, kann das Team bereits jetzt zeigen, dass die Beobachtungen mit MeerKAT die vorhandenen Daten von anderen Teleskopen typischerweise um einen Faktor 2-3, manchmal sogar um eine ganze Größenordnung, verbessern. Michael Kramer ist begeistert: „Die Leistung von MeerKAT ist besser als wir erwartet haben! Wir können jetzt Experimente durchführen, die mit anderen Teleskopen nicht nur etwa 10 Jahre gedauert hätten, sondern wir können sie auch viel präziser durchführen.

Zu den untersuchten Quellen gehört das berühmte Doppelpulsar-System, in dem sich zwei Pulsare in nur 2,5 Stunden umkreisen. Die Co-Leiterin des Projekts, Ingrid Stairs, erklärt: „Wir können dieses System jetzt viel genauer untersuchen. Das System ändert seine Bahnkonfiguration aufgrund relativistischer Effekte ständig, und wir können diese Effekte für Tests der allgemeinen Relativitätstheorie sehr genau verfolgen.“

RelBin ist die bisher größte Studie von relativistischen Doppelpulsaren und zielt auch darauf ab, die Zahl präzise gemessener Massen von Neutronensternen zu erhöhen. Dr. Vivek Venkatraman Krishnan, Post-Doktorand am MPIfR und Mitorganisator der Arbeit, bringt dies auf den Punkt: „Die Masse von Neutronensternen gibt Aufschluss darüber, wie dicht wir die Materie im Universum packen können. Mit MeerKAT-Beobachtungen von relativistischen Effekten in der Bewegung von Neutronensternen in Binärsystemen können wir ihre Massen mit einer Genauigkeit von etwa 1% oder besser messen und damit möglicherweise eine Reihe von Modellen, die von Kernphysikern vorgeschlagen wurden, beweisen oder ausschließen.“

Das Team von Matthew Bailes an der Swinburne University of Technology hat die Supercomputer-Infrastruktur entwickelt, die täglich fast 300 Millionen Megabyte an Input vom Teleskop verdaut und in wissenschaftlich verwertbare Daten umwandelt. „MeerKAT ist ein perfektes Beispiel für ein global umfassendes Wissenschaftsprojekt, bei dem Experten aus der ganzen Welt zusammenkommen, um ein fantastisches Instrument zu bauen, das die Einsteinschen Gesetze auf Herz und Nieren prüft“, sagt er.

Das von SARAO betriebene MeerKAT-Teleskopnetzwerk ist das größte Radioteleskop der südlichen Hemisphäre und eines von zwei Vorläuferinstrumenten des SKA-Projekts, aufgebaut in Südafrika. Das in der Karoo-Wüste gelegene Radioteleskop wird demnächst von der Max-Planck-Gesellschaft in Zusammenarbeit mit SARAO und dem INAF in Italien um eine Anzahl zusätzlicher Reflektorantennen erweitert. Dieses Projekt unter der Bezeichnung „MeerKAT+“ wird die Fähigkeiten von MeerKAT verbessern. Das Teleskop soll später schrittweise in das Mid-Teleskop des SKAO integriert werden. Die ersten wissenschaftlichen Beobachtungen mit dem verbesserten MeerKAT-Teleskop könnten bereits im Jahr 2023 beginnen, noch während der Testphase des Teleskops.

„Wir möchten unseren südafrikanischen Kollegen einfach zu ihrer großartigen Leistung gratulieren. Wir sind stolz und dankbar, dass wir das Teleskop zusammen mit unseren afrikanischen Kollegen für unsere gemeinsamen Studien nutzen können. Bleiben Sie dran für viele weitere spannende Ergebnisse!“, schließt Michael Kramer.

Hintergrundinformation
Das vom „South African Radio Astronomy Observatory“ (SARAO) betriebene MeerKAT-Teleskopnetzwerk ist das größte Radioteleskop der südlichen Hemisphäre und eines von zwei Vorläuferinstrumenten des SKA-Projekts, das in Südafrika stehen wird. Das in der Karoo-Wüste gelegene Radioteleskop wird demnächst um weitere Parabolantennen zum Projekt „MeerKAT+“ erweitert. Das Teleskop wird später schrittweise in das SKA-Projekt integriert, dessen Bau demnächst beginnt und bis 2028 andauern wird. Die ersten wissenschaftlichen Beobachtungen mit MeerKAT+ könnten bereits im Jahr 2023 beginnen, während der Testphasen des Teleskops.

MeerTIME ist ein „Large Survey Proposal“, für das MeerKAT-Teleskopnetzwerk, geleitet von der „Swinburne University of Technology“ in Zusammenarbeit mit mehreren australischen Instituten sowie INAF, der University of Manchester, dem MPIfR, dem NRAO und dem SARAO.

„Relativistic and Binary Pulsars“ (RelBin) ist ein Wissenschaftsprogramm im Rahmen des „Large Survey Proposals“ MeerTime, zur systematischen Untersuchung von Pulsarbinärsystemen für Tests der Gravitation. Das Programm wird von Prof. Michael Kramer, Direktor am MPIfR in Bonn, und Prof. Ingrid Stairs von der University of British Columbia (UBC) geleitet. Das internationale Forschungsteam von RelBin umfasst Wissenschaftler aus Afrika, Australien, Europa und Nordamerika.

Das Forscherteam für die Veröffentlichung umfasst Michael Kramer, Ingrid H. Stairs, Vivek Venkatraman Krishnan, Paulo C. C. Freire, Federico Abbate, Matthew Bailes, Marta Burgay, Sandra Buchner, David J. Champion, Ismaël Cognard, Tasha Gautam, Marisa Geyer, Lucas Guillemot, Huanchen Hu, Gemma Janssen, Marcus E. Lower, Aditya Parthasarathy, Andrea Possenti, Scott Ransom, Daniel J. Reardon, Alessandro Ridolfi, Maciej Serylak, Ryan M. Shannon, Renée Spiewak, Gilles Theureau, Willem van Straten, Norbert Wex, Lucy S. Oswald, Bettina Posselt, Charlotte Sobey, Ewan D. Barr, Fernando Camilo, Benjamin Hugo, Andrew Jameson, Simon Johnston, Aris Karastergio, Michael Keith und Stefan Osłowski. Elf der Autoren (Kramer, Venkatraman Krishnan, Freire, Abbate, Champion, Gautam, Hu, Parthasarathy, Ridolfi, Wex and Barr) haben eine Affiliation mit dem MPIfR.

Originalveröffentlichung
The Relativistic Binary Programme on MeerKAT: Science objectives and first results
M. Kramer et al.,
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), Volume 504, Issue 2, June 2021, Pages 2094–2114),
DOI: doi.org/10.1093/mnras/stab375

The Relativistic Binary Programme on MeerKAT: Science objectives and first results
arXiv-Preprint (Kramer et al. 2021, MNRAS Volume 504, Issue 2, June 2021, Pages 2094–2114)

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

Die südafrikanische “National Research Foundation”, vertreten durch das “South African Radio Astronomy Observatory” (SARAO), und die Max-Planck-Gesellschaft (MPG) begrüßen das „Istituto Nazionale di Astrofisica“ (INAF) als weiteren Partner im MeerKAT-Erweiterungsprojekt (MeerKAT+).

Die von SARAO und MPG begründete MeerKAT+ Erweiterung ermöglicht eine Verbesserung sowohl der Empfindlichkeit als auch der räumlichen Auflösung des bereits in Betrieb befindlichen MeerKAT-Teleskopnetzwerks und wird damit ein sehr leistungsfähiges Instrument zur Untersuchung der Entstehung und Entwicklung von Galaxien in der Geschichte des Universums darstellen.

Das Erweiterungsprojekt MeerKAT+ umfasst den Ausbau des zur Zeit aus 64 Einzelantennen bestehenden MeerKAT-Teleskopnetzwerks um 20 zusätzliche Antennen als zunächst gemeinsam finanziertes Projekt von SARAO in Südafrika und der deutschen Max-Planck-Gesellschaft.

Die italienische INAF-Institution wird nun MeerKAT+ mit einem zusätzlichen Investment von sechs Millionen Euro unterstützen. Damit werden die wissenschaftlichen Möglichkeiten des Instruments weiter verbessert; dazu wird das Projekt auch von der Beteiligung der INAF-Wissenschaftler profitieren.

MeerKAT besteht im Moment aus insgesamt 64 Teleskopspiegeln. Durch die Erweiterung wird deren Gesamtzahl auf 84 erhöht. Ein wichtiger Aspekt dabei ist, dass durch die Erweiterung der maximale Abstand zwischen einzelnen Teleskopen auch von acht auf siebzehn Kilometer vergrößert wird. Beides zusammen führt dazu, dass einerseits die Empfindlichkeit von MeerKAT für das Aufspüren schwacher Radioquellen vergrößert wird, andererseits aber auch die Bildauflösung durch den größeren Abstand verbessert wird. Insgesamt werden durch diese Maßnahmen auch die Leistungsanforderungen für die Datenverarbeitung auf das Zehnfache ansteigen.

Insgesamt wird MeerKAT+ ein deutlich leistungsfähigeres Instrument zur Untersuchung der Entstehung und Entwicklung von Galaxien in der Geschichte des Universums darstellen.

Die MeerKAT-Erweiterung wird die Empfindlichkeit des Instruments um rund 50% verbessern und es damit ermöglichen, einerseits große Bereiche des Himmels schneller zu kartieren, andererseits aber auch extrem schwache Radioquellen aufzuspüren.

MeerKAT+ wird dann zu einem späteren Zeitpunkt in das SKA1-Mid-Teleskopnetzwerk integriert, die erste Ausbaustufe des SKA-Teleskops, die aus ingesamt 197 Einzelantennen bestehen wird.

Das MeerKAT+ Projekt wurde im Jahr 2019 angestoßen und mit gründlicher wissenschaftlicher Begutachtung und technischer Planung fortgesetzt. Größere Ausschreibungen für MeerKAT+ sind bereits auf dem Weg und erste Installationen am Standort selbst sind für Mitte 2021 vorgesehen. Die Vollendung des Aufbaus und die wissenschaftliche Inbetriebnahme sind für das Jahr 2023 vorgesehen.

Weitere Informationen
Das South African Radio Astronomy Observatory (SARAO), eine Einrichtung der „National Research Foundation“ in Südafrika, ist verantwortlich für die Organisation aller radioastronomischen Initiativen und Forschungseinrichtungen in Südafrika, darunter das MeerKAT-Radioteleskop in der Karoo-Halbwüste, sowie geodätische und VLBI-Aktivitäten am HartRAO (Hartebeesthoek). SARAO koordiniert außerdem das “African Very Long Baseline Interferometry Network” (AVN) für acht SKA-Partnerländer in Afrika und den südafrikanischen Beitrag zu Infrastruktur und Ingenieursplanung für das „Square Kilometre Array“-Radioteleskop (SKA).

Die Max-Planck-Gesellschaft (MPG) ist eine gemeinnützige Organisation mit insgesamt 86 Instituten und Forschungseinrichtungen, darunter das Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn als einem Hauptakteur im „Dish Engineering Consortium“ für das SKA. Zusammen mit Industriepartnern in Deutschland wie MT Mechatronics (MTM), einem Spezialisten für Teleskopantennen, sowie weiteren internationalen Partnern ist dieses Konsortium verantwortlich für den Aufbau des SKA-Teleskopnetzwerks für den mittleren Radiofrequenzbereich (SKA-Mid). Das MPIfR und die MPG haben in Partnerschaft mit dem SARAO bereits früher für eine Summe von 16 Millionen Euro ein hochmodernes Empfängersystem für alle 64 Antennen des MeerKAT-Teleskopnetzwerks bereitgestellt, das mit einem sogenannten Beamformer und einem leistungsfähigen Computercluster für die Entdeckung von Radiopulsaren und transienten Radioquellen eingesetzt wird und auch bei der SKA-Max-Planck-Dish-Demonstrator-Antenne zum Einsatz kommt.

Das Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), gegründet im Jahr 1999, stellt die hauptsächliche italienische Forschungseinrichtung zur Untersuchung des Universums dar. INAF finanziert und betreibt insgesamt 17 unterschiedliche Forschungseinrichtungen, in denen sowohl Wissenschaftler als auch Ingenieure und technisches Personal beschäftigt sind. Die Forschungsrichtungen umfassen die meisten Gebiete der Astronomie, von Untersuchungen im Sonnensystem bis zur Kosmologie.

Das Square Kilometre Array (SKA) ist ein internationales Projekt zum Aufbau des weltgrößten Radioteleskops mit einer Sammelfläche von einem ganzen Quadratkilometer (oder einer Million Quadratmetern). Das SKA-Teleskopnetzwerk wird an zwei Standorten errichtet, ein Teil in Afrika und ein Teil in Australien. Es wird eine bisher nicht erreichte Spannweite der Beobachtungen umfassen und eine Bildschärfe erreichen, die diejenige des Hubble-Weltraumteleskops um das Fünfzigfache übertrifft, wobei es auch möglich sein wird, großskalige Bereiche am Himmel gleichzeitig zu vermessen.

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• Square Kilometre Array (SKA)

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

Das MeerKAT-Erweiterungsprojekt (MK+) stellt eine erhebliche Verbesserung des MeerKAT-Radioteleskops in der Karoo-Halbwüste in Südafrika dar. Gegenwärtig besteht das Teleskop aus 64 Einzelantennen, die zu einem virtuellen Radioteleskop mit einem Durchmesser von 8 km elektronisch zusammengeschaltet werden. Im Rahmen dieses Projekts wird sowohl die Gesamtzahl von Antennen auf 84 vergrößert als auch der virtuelle Durchmesser auf 17 km erweitert. Dadurch ergibt sich ein deutlicher Zuwachs an Empfindlichkeit, Winkelauflösung und Bildqualität.

Die Erweiterung wird gemeinsam finanziert vom South African Radio Astronomy Observatory (SARAO) und von der Max-Planck-Gesellschaft in Deutschland.

Die von den deutschen und den südafrikanischen Partnern angestrebte wissenschaftliche Zielrichtung umfasst umfangreiche Kartierungen des südlichen Himmels in einer Reihe von Beobachtungsfrequenzen, die eine Fundgrube für zukünftige Untersuchungen in so unterschiedlichen Bereichen darstellen werden wie Pulsare und schnelle Radiostrahlungsausbrüche, Kosmologie und großskalige Strukturen im Universum, extragalaktische Objekte sowie Quellen in unserer Milchstraße.

Das MeerKAT-Radioteleskop stellt einen Vorläufer für das „Square Kilometre Array“ (SKA) dar, das Projekt eines Radioteleskops der nächsten Generation mit weltweiter Beteiligung und Teleskopstandorten im südlichen Afrika und in Australien. MeerKAT und die hier vorgestellte Erweiterung werden zu einem späteren Zeitpunkt in den im südlichen Afrika anzusiedelnden Teil des SKA integriert und werden als SKA-MID den mittleren zu beobachtenden Frequenzbereich des SKA umfassen.

Diese nächste Generation von Radioteleskopen wird erheblich verbesserte Untersuchungen in einer Vielzahl von Bereichen der Radioastronomie ermöglichen. Die Messung von extrem genau gehenden Pulsaruhren bietet eine einzigartige Möglichkeit, Verbiegungen der Raumzeit und damit extrem langwellige Gravitationswellen aufzuspüren. Die Erforschung von jungen Galaxien bei sehr großer Rotverschiebung könnte dabei helfen, der Natur der geheimnisvollen Dunklen Energie auf die Spur zu kommen. Karten der dreidimensionalen Verteilung von kosmischen Magnetfeldern führen zu einem besseren Verständnis ihrer Auswirkung auf Objekte im Universum. Ein Blick zurück ins sogenannte „Dunkle Zeitalter“, bevor das Universum im Licht von Sternen und Galaxien erstrahlte, gäbe Gelegenheit zu verstehen, wie Schwarze Löcher und Sterne sich gebildet haben. Und schließlich könnte die Erforschung von komplexen Molekülen in Richtung der Voraussetzungen für die Entstehung von Leben im Universum führen.

Mit der Erweiterung des MeerKAT-Teleskops wird die wissenschaftliche und technologische Kooperation weiter vertieft, die schon durch die enge Zusammenarbeit zwischen dem “South African Radio Astronomy Observatory” (SARAO) und der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) in Deutschland im Rahmen von MeerKAT begonnen wurde. Es wird zu einer Fundgrube neuer wissenschaftlicher Daten für die internationale astronomische Gemeinschaft führen und schließlich auch hinführen zum „Square Kilometre Array“ als dem großen Radioteleskop-Projekt der Zukunft.

Mit dem MK+ Projekt wird das bestehende MeerKAT-Observatorium durch die Integration von 20 weiteren Parabolantennen maßgeblich verbessert. Diese Erweiterung wird von SARAO und MPG gemeinsam finanziert.

MeerKAT umfasst zur Zeit 64 Parabolantennen. Diese Zahl wird durch MK+ auf 84 vergrößert. Wichtig dabei ist, dass durch die Erweiterung auch der maximale Abstand zwischen den Antennen von 8 auf 17 km heraufgesetzt wird. Dadurch wird sowohl die Empfindlichkeit des Teleskops für schwache Quellen als auch seine Fähigkeit zur Darstellung detaillierterer Radiobilder vergrößert. Die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Computer für die Datenanalyse werden mit der Erweiterung um einen Faktor 10 ansteigen.

Die südafrikanischen Partner sind verantwortlich für die Errichtung der Infrastruktur vor Ort, für einen Teil der Empfangssysteme und deren Kühlung sowie die Geräte für die Datenanalyse, während von den deutschen Partnern die neuen Teleskopantennen im Design der Parabolspiegel für das „Square Kilometre Array“ zur Verfügung gestellt werden, weiterhin Instrumentierung in Form von Empfängern und Systemen für Datenaufnahme und Datenverarbeitung für MK+. Beide Partnerländer beteiligen sich mit jeweils 20 Millionen Euro (bzw. 400 Millionen Rand) an dem Projekt.

Deutsche Forschungseinrichtungen und Industrieunternehmen stellen einen wesentlichen Anteil am Industrialisierungsprogramm für den südafrikanischen Teil des „Square Kilometre Array“ (SKA-MID) und sind in maßgeblicher Weise an den laufenden Designaktivitäten beteiligt. Im Konsortium für Entwurf und Fertigung der SKA-Antennen spielen beide eine Schlüsselrolle und sind zusammen mit internationalen Partnern für den Entwurf der Parabolantennen verantwortlich, die den mittleren Frequenzbereich des SKA abdecken. In diesem Rahmen hat die Max-Planck-Gesellschaft bereits den Bau einer Referenzantenne veranlasst („SKA-Max-Planck-Dish-Demonstrator“), die zur Zeit von einem südafrikanischen Team vor Ort in der Karoo-Region auf die nötigen Anforderungen hin getestet wird (siehe Abb. 1).

Dr. Molapo Qhobela, der Vorsitzende der National Research Foundation in Südafrika, erwartet, dass die MeerKAT-Erweiterung ein deutlich leistungsfähigeres Teleskop zur Untersuchung der Entstehung und Entwicklung von Galaxien im Verlauf der Geschichte des Universums darstellen wird. „Die Erweiterung von MeerKAT vergrößert die Empfindlichkeit der Empfangssysteme um ca. 50%, dadurch wird eine wesentlich schnellere Kartierung des Himmels möglich und der Nachweis von extrem schwachen astronomischen Quellen.“

MK+ ist eng verbunden mit dem Infrastrukturprojekt für die Umsetzung der ersten Phase des südafrikanischen Teils des SKA, welches für den mittleren zu beobachtenden Frequenzbereich aufgebaut wird. Unternehmen, die an diesem Erweiterungsprojekt beteiligt sind, hätten damit auch eine Expertise zur Beteiligung an dem Nachfolgeprojekt.

Die 20 zusätzlichen Parabolantennen des MK+-Projekts werden voraussichtlich zu einem späteren Zeitpunkt auch in die erste Phase für das „Square Kilometre Array“ integriert und werden einen Teil des insgesamt 197 Antennen umfassenden SKA-MID darstellen.

Das MK+-Projekt wurde im Jahr 2019 im Rahmen einer gründlichen wissenschaftlichen Bewertung und technischen Planung gestartet. Die wesentlichen Ausschreibungen für die Erweiterung sind auf dem Weg und erste Aktivitäten zum Aufbau vor Ort sind für Mitte 2021 vorgesehen. Die weiteren Schritte bis hin zur Vollendung und wissenschaftlichen Inbetriebnahme sollten bis 2023 abgeschlossen sein.

„Ich bin davon beeindruckt, was bis jetzt schon mit dem MeerKAT-Teleskop erreicht wurde und wir sind stolz darauf, mit unseren südafrikanischen Partnern bei der Erweiterung des Teleskops zu kooperieren“, schließt Prof. Martin Stratmann, der Präsident der Max-Planck-Gesellschaft, der den Standort von MeerKAT in Südafrika im January 2020 besucht hat (siehe Abb. 2). „Das muss man wirklich selbst erlebt haben – es ist ein sehr eindrucksvoller Anblick!“

Hintergrundinformationen:
Das South African Radio Astronomy Observatory (SARAO), eine Einrichtung der „National Research Foundation“, leitet alle radioastronomischen Aktivitäten und Anlagen in Südafrika, wie z.B. das MeerKAT-Radioteleskop in der Karoo-Halbwüste und den Geodäsie- und VLBI-Betrieb am HartRAO. SARAO koordiniert das “African Very Long Baseline Interferometry Network“ (AVN) für acht SKA-Partnerländer in Afrika sowie den südafrikanischen Beitrag zur Infrastruktur und technischen Planung für das Radioteleskop-Netzwerk des „Square Kilometre Array“ (SKA).

Die Max-Planck-Gesellschaft (MPG) in Deutschland ist eine gemeinnützige Organisation mit insgesamt 86 Instituten und Forschungseinrichtungen. Innerhalb der MPG spielt das Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) eine Schlüsselrolle im Konsortium für Entwurf und Fertigung der Antennen für das SKA („Dish Engineering Consortium“). Zusammen mit Industriepartnern in Deutschland wie MT Mechatronics (MTM, einem Spezialisten für den Bau von Teleskopantennen, und internationalen Partnern ist das Antennenkonsortium verantwortlich für den Entwurf des mittelfrequenten Teils das SKA (SKA-MID). Das MPIfR und die MPG haben in Partnerschaft mit SARAO bereits 16 Millionen Euro in MeerKAT investiert. Das ging einerseits in den Aufbau eines hochmodernen Empfangssystems im S-Band-Bereich ( 1,6 – 3,5 GHz) mit „Beamformer“ und leistungsfähigem Datenanalysesystem zur Entdeckung von Radiopulsaren und Kurzzeitphänomenen („transients“), andererseits in den „SKA-Max-Planck-Dish-Demonstrator“, der zur Zeit am Standort von MeerKAT in Betrieb genommen wird.

Das Square Kilometre Array (SKA) ist ein internationales Projekt zum Aufbau des größten Radioteleskops der Welt mit einer Sammelfläche von einem ganzen Quadratkilometer (oder einer Million Quadratmetern). Das SKA wird an zwei unterschiedlichen Standorten errichtet, für den niederfrequenten Bereich (SKA-LOW) in Australien und für einen mittleren Frequenzbereich (SKA-MID) im südlichen Afrika. Es wird einen bisher nicht erreichten Anwendungsbereich umfassen und die Bildqualität des Hubble-Weltraumteleskops um das 50fache übertreffen, mit der zusätzlichen Möglichkeit, auch ausgedehnte Bereiche des Himmels gleichzeitig zu erfassen.

Das MeerKAT-Teleskop in der Karoo-Halbwüste in Südafrika ist ein Radioteleskop-Netzwerk, das sich zur Zeit aus 64 Parabolantennen mit jeweils 13,5 m Durchmesser zusammensetzt. Der Name des Projekts wurde von dem früheren „Karoo Array Telescope“ (KAT) abgeleitet. Die Hinzunahme von zusätzlichen Teleskopantennen (also „meer KAT“) führte schließlich zu dem Namen „MeerKAT“, der in der Burensprache auch das Erdmännchen („meerkat“) bezeichnet. Die 64 Antennen bilden zusammengenommen ein virtuelles Radioteleskop mit einer maximalen Ausdehnung von 8 km. Damit wurden bereits in einer frühen Phase beeindruckende Ergebnisse erzielt – eine hochaufgelöste Radiokarte im Bereich des galaktischen Zentrums aus dem Jahr 2019 gibt ein schönes Beispiel. Mit dem MeerKAT-Erweiterungsprojekt (MK+) wird die Anzahl der Einzelantennen um 20 auf 84 erhöht und ebenfalls die maximale Ausdehnung von 8 auf 17 km vergrößert. MeerKAT ist der Vorläufer für den mittleren Frequenzbereich des SKA (SKA-MID) am dafür vorgesehen Ort und wird zu einem späteren Zeitpunkt in dieses insgesamt 197 Parabolspiegel umfassende Projekt integriert werden.

Interview: Das Square Kilometer Array (6. März 2015)

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• Square Kilometre Array (SKA)

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

Das „Square Kilometre Array“ (SKA) soll das größte Radioteleskop auf der Erde werden. Wissenschaftler der Universität Bielefeld und des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie in Bonn (MPIfR) haben mit internationalen Partnern das SKA-MPG Teleskop untersucht – einen Prototyp für den Teil des SKA, der Signale im mittleren Frequenzbereich empfängt. Die Studie, die heute (24. Juli 2019) in der Fachzeitschrift „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ erscheint, zeigt: Das gemeinsam vom MPIfR und der Firma MT-Mechatronics GmbH entwickelte Teleskop ist nicht nur ein Prototyp, um das Design für das SKA zu testen, sondern es kann auch als wissenschaftliches Instrument genutzt werden, mit dem bereits alleine Erkenntnisse über die Entstehung des Universums gewonnen werden können.

„Das SKA-MPG Teleskop in Südafrika wird uns dabei helfen, die kosmische Hintergrundstrahlung zu verstehen“, sagt Dr. Aritra Basu, Erstautor der Studie und Physiker in der Arbeitsgruppe Astroteil­chenphysi­k und Kosmologie der Universität Bielefeld. Die kosmische Hintergrundstrahlung ist Licht im Mikrowellenbereich, das kurz nach dem Urknall entstanden ist. Ihre Erforschung gibt Aufschluss über die Entstehung des Universums. „Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung werden jedoch von anderen Effekten im Vordergrund verzerrt – zum Beispiel durch ultraschnelle Elektronen im magnetischen Feld der Milchstraße. Um die kosmische Hintergrundstrahlung messen zu können, müssen wir daher die Details dieser Effekte kennen. In unserer Studie haben wir gezeigt, dass das neue Teleskop geeignet ist, die Vordergrundstrahlung zu untersuchen“, so Basu.

Das SKA-MPG Teleskop wurde gemeinsam vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn und der Firma MT-Mechatronics GmbH entwickelt. Das Kürzel „MPG“ steht für die Max-Planck-Gesellschaft, die das Teleskop finanziert. Das Radioteleskop hat einen Durchmesser von 15 Metern und kann Signale zwischen 1,7 und 3,5 Gigaherz empfangen. Momentan wird es in der südafrikanischen Karoo-Wüste aufgebaut. Einen ersten regulären Einsatz erwartet der Projektleiter für das Teleskop, Dr. Gundolf Wieching vom MPIfR, für Herbst 2019.

Das Radioteleskop ist in erster Linie als Prototyp für einen Teil des SKAs geplant, der Signale aus einem mittleren Radiofrequenzbereich empfängt. Bewährt sich der Prototyp in einer Reihe von Tests, werden etwa 200 solcher Teleskope für das SKA in Südafrika gebaut. Das SKA wird neben mittleren auch niedrige Radiofrequenzen beobachten. Dieses zweite Instrument soll aus tausenden kleinen Radioantennen bestehen, die miteinander kombiniert werden können und ein riesiges Radioteleskop simulieren. Die beiden Teile des SKA erstrecken sich dann über einen Quadratkilometer in Australien und Südafrika – daher der Name „Square Kilometre Array“. „Schon mit unserem Prototyp sind wir durch ein cleveres Design für das Teleskop und neue Entwicklungen in Empfänger- und Backendtechnologie in der Lage, tief in das Universum zu blicken.“, sagt Dr. Hans-Rainer Klöckner, Astrophysiker am MPIfR. „Ich bin gespannt, was wir erst entdecken werden, wenn 200 von diesen Teleskopen für das SKA synchronisiert werden.“ Mit dem SKA sollen zum Beispiel Gravitationswellen und Dunkle Energie erforscht sowie Einsteins Relativitätstheorie unter extremen Bedingungen getestet werden.

Das SKA wird die erste globale Wissenschaftsorganisation mit Standorten auf drei Kontinenten sein: Afrika, Australien und Europa. Hinzu kommen über die ganze Erde verteilte Datenzentren. Eine besondere Herausforderung liegt im Umgang mit dem riesigen Datenvolumen: Das SKA wird pro Jahr über 600 Petabyte Beobachtungsdaten sammeln, das entspricht der Speicherkapazität von mehr als einer halben Million Laptops.

Die deutschen Forschungseinrichtungen, die an den Vorarbeiten zum SKA beteiligt sind, haben sich im „German Long Wavelength Consortium“ zusammengeschlossen, darunter die Universität Bielefeld und das Max-Planck-Institut für Radioastronomie. Zu den Projekten des Konsortiums zählt auch D-MeerKAT, in dem der Prototyp SKA-MPG Teleskop evaluiert wird – zum Beispiel durch die nun veröffentlichte Studie. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert D-MeerKAT als Verbundforschungsprojekt. Professor Dr. Dominik Schwarz, Leiter der Bielefelder Arbeitsgruppe Astroteilchenphysik und Kosmologie, koordiniert D-MeerKAT. „Unsere Untersuchungen mit dem SKA-MPG Teleskop bilden einen eigenständigen wichtigen Beitrag zur modernen Kosmologie – mit viel Arbeit und ein bisschen Glück können wir ein neues Fenster zum Verständnis des Urknalls aufstoßen“, sagt Schwarz.

Das Max-Planck-Institut für Radioastronomie beteiligt sich an allen diesen Projekten, sowohl über den (S-Band) Empfängerbau für die MeerKAT-Teleskope als auch mit dem SKA-MPG-Prototyp-Teleskop in Hinblick auf das SKA.

Hintergrundinformation:

Das SKA-MPG-Teleskop wurde gemeinsam vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) und der Firma MT-Mechatronics GmbH entwickelt und von der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) finanziert. Die Oberfläche des Reflektors (Paneele) wurde von der chinesischen Firma CETC54 gefertigt. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert die Arbeiten zum SKA-MPG über ein Verbundforschungsprojekt, das von der Universität Bielefeld koordiniert wird.

Das SKA-MPG-Teleskop wird betreut vom „South African Radio Astronomy Observatory“, einer Einrichtung der „National Research Foundation“ als Teil des südafrikanischen „Department of Science and Innovation“.

Autoren der Veröffentlichung in „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ sind Aritra Basu, Dominik J. Schwarz, Hans-Rainer Klöckner, Sebastian von Hausegger, Michael Kramer, Gundolf Wieching und Blakesley Burkhart; dabei sind Hans-Rainer Klöckner, Michael Kramer und Gundolf Wieching vom MPIfR aus beteiligt.

Originalveröffentlichung:

Aritra Basu et al., in: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 24. Juli 2019: CMB foreground measurements through broad-band radio spectro-polarimetry: prospects of the SKA-MPG telescope

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