Messprinzip

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 sichtbaren 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.

Abb. 1: Strahlengang im „klassischen” Radioteleskop Bild vergrößern
Abb. 1: Strahlengang im „klassischen” Radioteleskop
Abb. 2: Strahlengang im sogenannten „Phased Array” Bild vergrößern
Abb. 2: Strahlengang im sogenannten „Phased Array”
Abb. 3: Einzelne LOFAR Kreuzdipol-Antenne für den Frequenzbereich 10-80 MHz Bild vergrößern
Abb. 3: Einzelne LOFAR Kreuzdipol-Antenne für den Frequenzbereich 10-80 MHz
Abb. 4: Einzelne LOFAR Antenne für den Frequenzbereich 110-240 MHz Bild vergrößern
Abb. 4: Einzelne LOFAR Antenne für den Frequenzbereich 110-240 MHz

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 stellten 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 4). Das UKW (FM) Band (2,8 - 3,4 m Wellenlänge) wird vermieden, denn dort ist kein Durchkommen für kosmische Wellen möglich. Jede Station wird aus 96 Kreuzdipolen im Niederfrequenzband sowie aus 48 oder 96 Zellen aus jeweils 4x4 Kreuzdipolen 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 13 Stationen sind über die östlichen Niederlande verteilt. Dazu kommen mindestens 9 internationale Stationen. Mitte 2006 wurde die erste Station errichtet, und seit 2013 arbeiten 38 niederländische und 9 internationale Stationen. 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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