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LOFAR: das erste voll digitale
Teleskop der Welt Klassische Radioteleskope sammeln - wie optische Teleskope - Strahlung durch parabolförmige Reflektoren (Abb. 1). Computergesteuerte Motoren bewegen den Spiegel entlang der scheinbaren Bahn einer Radioquelle am Himmel. Die neue Generation von Radioteleskopen benötigt dagegen keine beweglichen Teile und Motoren. Das Teleskop besteht aus einer großen Zahl von Dipolantennen, die fest am Boden montiert und in Stationen angeordnet sind. Die Blickrichtung und die Größe des Gesichtsfeldes werden durch einen zentralen Supercomputer (Korrelator) festgelegt, der auch die digitalen Signale aller Dipole aufnimmt und kombiniert (Abb. 2). Das digitale Korrelationssignal entspricht dem Muster bei der Interferenz optischer Strahlung. Die Auflösung des Gesamtteleskops wird durch den Abstand der äußersten Dipole bzw. Stationen bestimmt. Das digitale Teleskop kann im Prinzip den gesamten Himmel gleichzeitig beobachten, was jedoch zur Zeit durch die begrenzte Rechenleistung und Kapazität der Datenspeicher noch nicht möglich ist. Immerhin kann das digitale Teleskop in mehrere Richtungen gleichzeitig beobachten, also mehrere Astronomen gleichzeitig mit Daten versorgen.
Das Prinzip des digitalen Radioteleskopes (oder Phased Array) ist seit langem bekannt, aber erst jetzt erlauben preiswerte Elektronik, Superrechner und gigantische Datenspeicher die Realisierung. Das radioastronomische Institut ASTRON bei Dwingeloo in den Niederlanden arbeitet seit einigen Jahren am Projekt LOFAR (Low Frequency Array). 2005 stellte die niederländische Regierung und die Provinzen Nord-Niederlande die Mittel zur Verfügung, um mit dem Bau beginnen zu können. LOFAR arbeitet in zwei Frequenzbereichen: 10 - 80 MHz (30 - 3,8 m) und 110 - 240 MHz (2,7 - 1,2 m), für die zwei verschiedene Dipoltypen konstruiert wurden (Abb. 3) und (Abb. 4). Das UKW (FM) Band (2,8 m - 3,4 m Wellenlänge) wird vermieden, denn dort ist kein Durchkommen für kosmische Wellen möglich. Jede Station wird aus 96 Dipolen im Niederfrequenzband sowie aus 48 oder 96 Zellen aus jeweils 4x4 Dipolen im Hochfrequenzband auf einer Fläche von 110 x 60 m bestehen. Störungen durch künstliche Radiosignale werden an Ort und Stelle digital herausgefiltert. Der Kern von 24 Stationen steht bei Exloo (Westfriesland), und weitere 16 Stationen sind über die östlichen Niederlande verteilt. Dazu kommen mindestens 9 internationale Stationen. Mitte 2006 wurde die erste Station errichtet, und bis 2012 sollen 40 niederländische und 9 internationale Stationen in Betrieb gehen. Der Zentralrechner Blue Gene/L, einer der schnellsten Rechner der Welt, steht bereits in der Universität von Groningen. Seine Rechenleistung von 27 Teraflops reicht aus, um die gewaltige Datenrate von 300 Gb/s, die ständig von den Stationen eingeht, direkt zu Radiobildern verarbeiten zu können. Zwei Datenspeicher am Forschungszentrum Jülich und in den Niederlanden von jeweils 1 Petabyte (1015 Byte) erlauben es, die Signale auch nachträglich auswerten zu können. Das LOFAR-Datennetz soll auch für Detektoren in anderen Wissenschaftsdisziplinen (Geophysik, Biologie, Meteorologie) genutzt werden. |
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Erläuterung der verwendeten Begriffe Beam, deutsch Antennenkeule: gibt den Raumwinkelbereich an, in dem die Antenne Radiostrahlung sammelt. Die Halbwertsbreite ist der doppelte Winkel vom Maximum der Empfindlichkeit (Antennengewinn) bis zur halben (3 dB) Empfindlichkeit. Der Beam einer Hornantenne auf einer optischen Achse eines Parabolspiegels hat ungefähr die Form einer zweidimensionalen Gaußkurve. Der elektronisch erzeugte Beam eines Focal Plane Arrays oder einer Station von Phased Arrays (s.u.) wie bei LOFAR kann erheblich von der Form einer Gaußkurve abweichen. Bei einem Interferometer-Teleskop bestimmt der Beam des einzelnen Spiegels bzw. des Stations-Beams eines Phased Arrays das Gesichtsfeld des Gesamtteleskopes. Die Auflösung innerhalb dieses Gesichtsfeldes wird durch Korrelation der Signale von allen Teleskopen bzw. Stationen im zentralen Computer erreicht. Focal Plane Array (FPA) oder Radio-Kamera: Eine Anordnung von Halbleiterelementen in der Brennebene eines Radioteleskops. Ähnlich wie mit einem CCD-Chip für den optischen Bereich kann somit ein großes Himmelsgebiet gleichzeitig gemessen werden. Vorläufer des FPAs sind die Mehrfachhorn-Systeme, die z.B. seit vielen Jahren sehr erfolgreich im 100 m-Teleskop Effelsberg eingesetzt werden. Jedes Horn hat jedoch eine feste Blickrichtung relativ zum Teleskop, ähnlich wie ein Pixel einer CCD-Kamera, während das Gesichtsfeld und der Beam eines FPA wie beim Phased Array digital gesteuert werden können. Phased Array oder Aperture Array: Digitales Radioteleskop, das aus einer großen Zahl von einfachen Elementen besteht, fest auf dem Boden montiert ist und völlig ohne bewegliche Teile auskommt. Der Beam wird elektronisch durch Phasenverzögerungen zwischen den Elementen erzeugt. Dieses Prinzip ähnelt dem Radio-Interferometer oder (genauer) Syntheseteleskop, das aber nur einen Beam in der Richtung der Einzelteleskope bildet. Mit dem Phased Array kann in mehreren Richtungen gleichzeitig und völlig unabhängig voneinander beobachtet werden. Bei niedrigen Frequenzen (unterhalb von etwa 100 MHz) besteht ein Phased Array (wie bei LOFAR) aus einem Feld von einfachen Dipolantennen aus Metalldraht oder Metallstangen. Jeder Dipol empfängt Radiostrahlung des gesamten Himmels. Die Beams einer Station werden elektronisch in der Stations-Zentraleinheit erzeugt und vom Zentralrechner des Gesamtteleskops gesteuert. | ||||||||||||
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| Abb. 5: Beams der Station eines Phased Arrays: Ein einzelner Dipol sieht den gesamten Radiohimmel (grau); die Zentraleinheit der Station bildet aus den Signalen aller Dipole mehrere Stationbeams (rot) und (gelb); der Zentralrechner des Gesamtteleskops berechnet aus allen Stationbeams Radiokarten mit hoher Winkelauflösung, den synthetisierten Beams (hellblau) © ASTRON Dwingeloo / MPIfR Bonn |
