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: DESY 5. Oktober 2023.

5. Oktober 2023 – Mit dem H.E.S.S.-Observatorium in Namibia hat ein internationales Forschungsteam die bislang energiereichsten Gammastrahlen von einem Pulsar entdeckt, einem ausgebrannten, toten Stern. Die registrierte Strahlung hat rund zehn Billionen Mal so viel Energie wie sichtbares Licht. Die Beobachtung lässt sich nur schwer mit der gängigen Theorie zur Erzeugung solcher gepulsten Gammastrahlung vereinbaren, wie das internationale Team in der Zeitschrift „Nature Astronomy“ berichtet.

Pulsare sind die übrig gebliebenen Reste von Sternen, die spektakulär in einer Supernova explodiert sind. Die Explosion hinterlässt einen winzigen, toten Stern mit einem Durchmesser von nur etwa 20 Kilometern, der extrem schnell rotiert und mit einem enormen Magnetfeld ausgestattet ist. „Diese toten Sterne bestehen fast ausschließlich aus Neutronen und sind unglaublich dicht: Ein Teelöffel ihres Materials wiegt mehr als fünf Milliarden Tonnen, was etwa dem 900-fachen Gewicht der Großen Pyramide von Gizeh entspricht“, erklärt H.E.S.S.-Wissenschaftlerin Emma de Oña Wilhelmi von DESY, Mitautorin der Veröffentlichung.

Wie eine Art kosmische Leuchttürme senden Pulsare kreisende Strahlen ins All. Wenn ihr Strahl über unser Sonnensystem hinwegfegt, sehen wir in regelmäßigen Abständen Strahlungsblitze. Diese Blitze lassen sich bei zahlreichen Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums beobachten, von den Radiowellen bis zur Gammastrahlung. Nach der gängigen Theorie stammt die Strahlung von schnellen Elektronen, die von den starken Magnetfeldern des Pulsars beschleunigt und abgelenkt werden. Die Elektronen bewegen sich dabei von der Oberfläche des Pulsars nach außen bis zum Rand seiner Magnetosphäre. „Auf ihrer Reise nach außen nehmen die Elektronen Energie auf und setzen sie in Form der beobachteten Strahlung frei“, sagt Ko-Autor Bronek Rudak vom Astronomischen Zentrum Nikolaus Kopernikus (CAMK PAN) in Polen. Der Bereich, in dem dies geschieht, wird Lichtzylinder genannt.

Der Vela-Pulsar befindet sich am Südhimmel im Sternbild Vela (Segel des Schiffes). Er ist der hellste Pulsar im Radioband des elektromagnetischen Spektrums und die hellste anhaltende Quelle kosmischer Gammastrahlung im Giga-Elektronenvolt-Bereich. Er rotiert etwa elfmal pro Sekunde. Oberhalb einiger Giga-Elektronenvolt (GeV) endet seine Strahlung jedoch abrupt, vermutlich weil die Elektronen das Ende der Magnetosphäre des Pulsars erreichen und aus ihr entweichen.

Doch wie sich nun herausstellte, ist das noch nicht alles: H.E.S.S. hat eine neue Komponente der Strahlung bei noch höheren Energien registriert. Diese kosmischen Gammaquanten besaßen eine Energie von bis zu 20 Tera-Elektronenvolt (TeV). „Das ist etwa 200 Mal energiereicher als sämtliche Strahlung, die bisher von diesem Objekt gemessen wurde“, sagt Ko-Autor Christo Venter von der North-West University in Südafrika. Diese neu entdeckte Komponente tritt synchron zur Strahlung im GeV-Bereich auf. Um diese enormen Energien zu erreichen, müssten die Elektronen jedoch stärker beschleunigt werden als dies eigentlich in der Magnetosphäre möglich ist. Und dabei muss der Rhythmus der Emission intakt bleiben.

„Dieses Ergebnis stellt unser bisheriges Wissen über Pulsare in Frage und erfordert ein Überdenken der Theorie von der Funktionsweise dieser natürlichen Beschleuniger“, sagt Arache Djannati-Atai vom Astroteilchen- und Kosmologie-Labor APC in Frankreich, der die Forschung geleitet hat. „Das traditionelle Schema, wonach die Teilchen entlang der Magnetfeldlinien innerhalb oder leicht außerhalb der Magnetosphäre beschleunigt werden, kann unsere Beobachtungen nicht ausreichend erklären. Vielleicht sind wir Zeugen der Beschleunigung von Teilchen durch die sogenannte magnetische Rekonnexion jenseits des Lichtzylinders, bei dem das Rotationsmuster noch irgendwie erhalten bleibt? Aber selbst dieses Szenario tut sich schwer mit der Erzeugung solch extrem energiereicher Strahlung.“ Die Theoretikerinnen und Theoretiker müssen daher neue Modelle entwickeln.

Wie auch immer die Erzeugung der Strahlung abläuft, hält der Vela-Pulsar neben anderen Superlativen nun offiziell den Rekord als Pulsar mit der energiereichsten Gammastrahlung, die bislang von einem solchen Objekt entdeckt worden ist. „Diese Entdeckung öffnet ein neues Beobachtungsfenster für die Entdeckung anderer Pulsare im Bereich von einigen Dutzend Tera-Elektronenvolt mit aktuellen und zukünftigen empfindlicheren Gammateleskopen und ebnet damit den Weg für ein besseres Verständnis der extremen Beschleunigungsprozesse in stark magnetisierten astrophysikalischen Objekten“, sagt Djannati-Atai.

Über H.E.S.S.
Das High Energy Stereoscopy System (H.E.S.S.) ist eine Anordnung von fünf abbildenden atmosphärischen Cherenkov-Teleskopen zur Untersuchung kosmischer Gammastrahlen. Das Observatorium wird im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit betrieben. Die Teleskope befinden sich in Namibia, in der Nähe des Gamsbergs, in einer Region, die für ihre hervorragenden optischen Eigenschaften bekannt ist. Vier H.E.S.S.-Teleskope wurden 2002/2003 in Betrieb genommen, das wesentlich größere fünfte Teleskop mit der Bezeichnung H.E.S.S. II ist seit Juli 2012 in Betrieb und erweitert die Energieabdeckung in Richtung niedrigerer Energien und verbessert die Empfindlichkeit weiter. Mehr als 230 Forschende aus 41 Instituten in 15 verschiedenen Ländern sind an H.E.S.S. beteiligt.

Über DESY
Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY zählt mit seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen zu den weltweit führenden Zentren in der Forschung an und mit Teilchenbeschleunigern. Die Mission des Forschungszentrums ist die Entschlüsselung von Struktur und Funktion der Materie, als Basis zur Lösung der großen Fragen und drängenden Herausforderungen von Wissenschaft, Gesellschaft und Wirtschaft. Dafür entwickelt, baut und betreibt DESY modernste Beschleuniger- und Experimentieranlagen für die Forschung mit hochbrillantem Röntgenlicht und unterhält internationale Kooperationen in der Teilchen- und Astroteilchenphysik und in der Forschung mit Photonen. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands, und wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.

Originalveröffentlichung
Discovery of a Radiation Component from the Vela Pulsar Reaching 20 Teraelectronvolts; The H.E.S.S. collaboration; „Nature Astronomy“, 2023; DOI: 10.1038/s41550-023-02052-3, https://www.nature.com/articles/s41550-023-02052-3.

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