LOFAR – eine neue Generation von
Radioteleskopen
LOFAR – A New
Generation of Radio Telescopes
Beck,
Rainer; Reich, Wolfgang
Max-Planck-Institut
für Radioastronomie, Bonn
Arbeitsbereich
– Radiokontinuum, Die Milchstrasse und Galaxien, Magnetfelder
Korrespondierender Autor: Beck, Rainer
E-Mail: rbeck at mpifr-bonn.mpg.de
Zusammenfassung
LOFAR, das Low Frequency Array, ist das erste
Radioteleskop einer neuen Generation und Vorläufer des Square Kilometre Array. Es arbeitet in dem bisher weitgehend unerforschten
Frequenzbereich zwischen 30 und 240 MHz. Die Bilder werden in einem
Supercomputer aus den digitalen Signalen einer großen Zahl von einfachen,
unbeweglichen Dipolantennen erzeugt. LOFAR wird aus 77 Stationen in den Niederlanden und mindestens 12 Stationen in
Deutschland bestehen, die jeweils aus 192 Dipolen bestehen. Die erste deutsche
Station wird 2006 neben dem 100-m Radioteleskop Effelsberg gebaut. LOFAR wird
eine Steigerung der Empfindlichkeit und Winkelauflösung von mehr als einem
Faktor 100 bringen. Hoch rotverschobene Signale von
Wasserstoffwolken aus der „Epoche der Re-Ionisation“ rund 100 Millionen Jahre
nach dem Urknall sollen aufgespürt werden. Langwellige Radiostrahlung stammt
außerdem von niederenergetischen Elektronen, die eine lange Lebensdauer haben
und Kunde von längst vergangenen Explosionsvorgängen bringen. Auch die Sonnenphysik
wird erheblich von LOFAR profitieren.
Abstract
LOFAR,
the Low Frequency Array, is a new
radio telescope under construction by ASTRON in the
Das Radiofenster wird erweitert
Radiostrahlung
entsteht im Kosmos auf vielfältige Weise,
durch thermische Prozesse (Frei-Frei-Strahlung, Rekombinationslinien,
Moleküllinien) oder nichtthermische Prozesse (Zyklotron- und
Synchrotron-Strahlung). Frei-Frei-Strahlung und nichtthermische Radiostrahlung
sind kontinuierlich, d.h. sie sind nicht auf ein bestimmtes Frequenzband
begrenzt. Synchrotron-Strahlung wird von sehr energiereichen Elektronen der
Kosmischen Strahlung ausgesendet, wenn sie nahezu lichtschnell auf Spiralbahnen
um Magnetfeldlinien laufen. Die Kosmische Strahlung stammt zum Großteil aus den
Überresten von Supernova-Explosionen. Der Ursprung der kosmischen Magnetfelder
ist eines der großen ungelösten Rätsel der Astrophysik, dem sich auch Projekte
am MPIfR Bonn widmen [1].
Nicht alle
Radiowellen gelangen bis zur Erdoberfläche. Unterhalb von einigen Millimetern
Wellenlänge absorbieren die Moleküle der Erdatmosphäre die meiste
Radiostrahlung. Oberhalb von etwa 10m Wellenlänge wird die Ionosphäre
undurchlässig, abhängig vom Ionisationsgrad der Ionosphäre, der durch
hochenergetische Sonnenstrahlung bestimmt wird. Daher nimmt die größte
Wellenlänge des Radiofensters mit zunehmender Sonnenaktivität ab.
Zur
Erweiterung dieses begrenzten Radiofensters hat das MPIfR
Bonn eine Doppelstrategie eingeschlagen: Bei kurzen Wellenlängen steht jetzt
das neue Teleskop APEX in der Höhenlage der chilenischen Wüste Atacama zur Verfügung, wo die Absorption der Atmosphäre
viel geringer ist (s. Bericht in diesem Jahrbuch). Auch bei den langen
Radiowellen wird es bald ein neues Teleskop geben.
Die
Auflösung eines Teleskops sinkt proportional zur Wellenlänge. Das 100-m
Radioteleskop Effelsberg hätte bei 10m Wellenlänge nur noch eine Auflösung von
7 Grad am Himmel, völlig unzureichend, um kosmische Objekte aufzuspüren.
Radioteleskope bei langen Wellenlängen bestehen daher aus vielen Einzelspiegeln.
Die zur Zeit größte Anlage, das Giant Meterwave Radio Telescope
(GMRT), steht im Westen Indiens und kann bis 2m Wellenlänge messen. Die
Störungen durch irdische Radio- und Radarsender sind erheblich, so dass nur
kleine Wellenlängenbereiche nutzbar sind. Empfindlichkeit und Winkelauflösung
des GMRT reichen für viele neue Projekte nicht aus.
Abhilfe kann
ein Teleskop schaffen, das eine wesentlich größere Sammelfläche hat und
Störungen effektiver ausblenden kann. Um die Kosten in vertretbarem Rahmen zu
halten, muss technologisches Neuland beschritten werden.
LOFAR: das erste voll digitale
Teleskop der Welt
Klassische
Radioteleskope sammeln – wie optische Teleskope - Strahlung durch parabolförmige Reflektoren. 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 die digitalen Signale aller Dipole aufnimmt und kombiniert. 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. Es 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: 30 - 80 MHz (10 – 3,8 m) und 110 - 240 MHz (2,7 –
1,2m), für die zwei verschiedene Dipoltypen konstruiert wurden (Abb. 1). Das
UKW (FM) Band (2,8 – 3,4m Wellenlänge) wird vermieden, denn dort ist kein
Durchkommen für kosmische Wellen möglich. Jede Station wird aus 2 x 96 Dipolen
auf einer Fläche von 110 x 60m bestehen. Störungen durch künstliche
Radiosignale werden an Ort und Stelle digital herausgefiltert. Der Kern von 23
Stationen wird bei Exloo (Westfriesland) stehen, und
weitere 45 Stationen werden spiralförmig über die Niederlande verteilt. Mitte
2006 wird die erste Station errichtet, und bis 2009 sollen alle 77 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 500 Gb/s, die ständig von den
Stationen eingeht, direkt zu Radiobildern verarbeiten zu können. Ein
Datenspeicher von 1 Petabyte (1015 Byte)
erlaubt es, die Signale auch nachträglich auswerten zu können. Das LOFAR-Datennetz soll auch für Detektoren in anderen
Wissenschaftsdisziplinen (Geophysik, Biologie, Meteorologie) genutzt werden.
(weitere Informationen: www.lofar.org)
Abb. 1: Einzelne LOFAR Dipol-Antenne für die
Frequenzbereiche 30-80 MHz (links) und 110-240 MHz (rechts).
(Copyright:
ASTRON Dwingeloo/Niederlande)
LOFAR in Deutschland
Um mit LOFAR
eine Winkelauflösung von einer Bogensekunde und besser zu erreichen, ist die
Ausdehnung der Niederlande zu klein. Seit 2004 finden Gespräche mit deutschen
Instituten statt, um LOFAR nach Deutschland zu erweitern. Bisher 13 deutsche
Institute (darunter das MPIfR Bonn und das MPA
Garching) wollen sich an LOFAR beteiligen. Sie haben sich im GLOW (German Long Wavelength
Consortium) zusammengeschlossen, um ein
eigenständiges deutsches LOFAR zu betreiben und ein Wissenschafts-Netzwerk zu
bilden. Die wissenschaftlichen Ziele wurden 2005 in einem White Paper
zusammengefasst (Abb. 2).
Abb. 2:
German LOFAR White Paper (Copyright: MPIfR Bonn)
Die erste
deutsche LOFAR-Station wird 2006 in unmittelbarer
Nähe des 100-m Radioteleskops Effelsberg in Zusammenarbeit zwischen ASTRON und
dem MPIfR Bonn aufgebaut. Ende 2006 wird eine eigene,
schnelle Glasfaserverbindung (10 Gb/s) zwischen
Effelsberg und Bonn zur Verfügung stehen. Über das Forschungszentrum
Informationstechnik (GMD) in Sankt Augustin gibt es dann Anschluss an das
Deutsche Forschungsnetz (DFN) und das internationale GÉANT. Weitere 7 deutsche LOFAR-Stationen sind in Planung (Abb. 3). Das Ziel sind 12
deutsche Stationen bis zum Jahr 2012. Damit wird LOFAR zur größten über
Datenleitungen vernetzten Teleskopanlage der Welt. Institute in Frankreich,
Polen, Schweden und Großbritannien haben ebenfalls Interesse geäußert, so dass
eine europaweite Ausdehnung von wahrscheinlich ist. Die mit LOFAR gewonnenen
Erfahrungen bestimmen das Design des internationalen Radioteleskop Square Kilometre Array (www.ska.org), das ab 2010 unter wesentlicher Beteilung Europas gebaut
und zwischen 100 MHz und 25 GHz beobachten soll.
Abb. 3: Standorte der ersten 8
geplanten LOFAR-Stationen in Deutschland sowie des LOFAR-Kerns bei Exloo in den
Niederlanden.
(Copyright: AIP Potsdam, Grafik: D. Lehmann, AIP)
Blick in das junge Universum
Der
langwellige (keinesfalls langweilige!) Radiobereich ist ein bisher nur wenig
erforschtes Fenster zum Universum, in dem sich noch viele Geheimnisse
verbergen. Das Hauptinteresse der an LOFAR beteiligten Wissenschaftler ist die sogenannte Epoche der
Re-Ionisation, rund 100 Millionen Jahre nach dem Urknall, als die ersten
Sterne in den ersten Galaxien das neutrale Gas ihrer Umgebung aufheizten und
ionisierten. Die Gebiete mit neutralem Gas schrumpften und verschwanden
schließlich ganz. Dadurch entstanden die ersten Strukturen im Gas des jungen
Universums, die heute der Beobachtung zugänglich sind, denn der neutrale
Wasserstoff (HI) sendet eine starke Radiolinie bei der Wellenlänge von 21cm
aus. Diese Strahlung aus dem jungen Universum wurde allerdings auf dem Weg zu
uns durch die Expansion des Kosmos um einen Faktor zwischen 10 und 20 rotverschoben, sollte also jetzt irgendwo zwischen 2m und
4m Wellenlänge aufzufinden sein. LOFAR wird nach diesen Signalen suchen, die
sich als Fluktuationen des schwachen Hintergrundes bemerkbar machen sollten.
Der Nachweis und die Messung der Rotverschiebung sind von erheblicher
Bedeutung, um die heutigen kosmologischen Modelle testen und verbessern zu
können. Einzig die langwellige
Radioastronomie ist dazu in der Lage.
Alternde Elektronen
Die
Wellenlänge der Synchrotron-Strahlung hängt von der Energie der Elektronen und
der Magnetfeldstärke ab. Langwellige Radiostrahlung aus Galaxien stammt von
relativ niederenergetischen Elektronen der Kosmischen Strahlung. Da diese
geringere Energieverluste erleiden, haben sie eine längere Lebensdauer als
hochenergetische Teilchen. Strahlung bei z.B. 50 MHz (6m Wellenlänge) stammt
von Elektronen mit rund 800 MeV Energie in einem Magnetfeld von 5 Mikrogauss, die eine Lebensdauer von rund 500 Millionen
Jahren haben. Damit können sie sich weit von ihren Entstehungsorten,
Supernova-Überresten oder Galaxienkernen, entfernen und Magnetfelder
„beleuchten“, die sich in großen Entfernungen befinden. Abb. 4 (oben) zeigt
einen riesigen Radio-Sporn (den Nordpolarsporn),
der aus der Milchstraßenebene herausragt und einer Supernova zugeschrieben
wird, die vor einigen 10000 Jahren in nur wenigen 100 Lichtjahren Entfernung
von der Sonne explodierte. Noch gewaltiger sind Explosionen in den Zentren von
Galaxien, die schnelle, geladene Teilchen und Magnetfelder bis in
Hunderttausende von Lichtjahren Entfernung hinaus schleudern. Noch nach langer
Zeit können diese über ihre langwellige Radiostrahlung aufgespürt werden.
Kenntnis
über die Dichte der Kosmischen Strahlung in Sonnennähe könnte sogar von
unmittelbarer Bedeutung für die Erde sein, denn ein Einfluss auf das Erdklima
wird für möglich gehalten. Das Sonnensystem trifft bei der Bahn durch die
Milchstraße auf Dichteschwankungen, die zu Klimaveränderungen
auf der Erde führen könnten.
Abb. 4: Karte des
Radiohimmels bei 45 MHz (6,7m Wellenlänge) mit 5° Auflösung, kombiniert aus
Messungen des Nordhimmels mit einem Radar-Teleskop in Japan [2] und des Südhimmels
mit dem Maipu-Array in Chile [3]. Die Darstellung ist
in galaktischen Koordinaten, d.h. die Zentralebene unserer Milchstrasse
verläuft in der Bildmitte von links nach rechts. Im unteren Rechteck ist der
Radio-Spektralindex („Radiofarbe“) zwischen 45 MHz und 408 MHz in einem Gebiet
von 20° nördlich und südlich der galaktischen Ebene dargestellt (P. Reich, MPIfR Bonn). Grüne und blaue Regionen zeigen Absorption von
Synchrotronstrahlung in vorgelagertem thermischen Gas.
(Copyright:
MPIfR Bonn)
Heißes Gas
Der
langwellige Radiobereich ist auch zum Nachweis von heißem Gas in Galaxien von
Bedeutung, da dieses Gas die dahinter liegende langwellige Synchrotronstrahlung
absorbiert (Abb. 4 unten). Dadurch kann auch Gas nachgewiesen werden, das eine
relativ geringe Temperatur (einige 1000 K) und eine geringe Dichte (wenige
Teilchen pro cm3) hat und daher kaum thermische Radiostrahlung
aussendet. Solches Gas könnte einen bisher unterschätzten Anteil an der
Gesamtmasse des interstellaren Mediums ausmachen.
Heißes,
ionisiertes Gas lässt sich auch über den Effekt der Faraday-Rotation nachweisen. Dabei wird die Polarisationsrichtung
der Radiostrahlung in ionisiertem Gas in Abhängigkeit von der Magnetfeldstärke
gedreht. Da die Faraday-Rotation mit dem Quadrat der Wellenlänge zunimmt,
könnte mit LOFAR bei langen Wellenlängen erstmals auch Gas nachgewiesen werden,
das extrem dünn ist (weniger als ein Teilchen pro dm3).
Auch die
Sonnenphysik wird von LOFAR profitieren. Erstmals wird es möglich sein, die
langwellige Radiostrahlung von solaren Bursts in der
äußeren Korona mit hoher räumlicher Auflösung zu untersuchen.
Magnetfelder
Abgesehen
von schwachen, hoch rotverschobenen HI-Linien (s.o.) ist der langwellige Radiobereich die Domäne der
Synchrotronstrahlung und zeigt uns daher, wo sich niederenergetische Elektronen
(s.o.) und Magnetfelder befinden. Sind die
Magnetfelder gleichmäßig ausgerichtet, so ist die Radiostrahlung teilweise
linear polarisiert. Die Polarisationsrichtung zeigt (nach Korrektur der
Faraday-Rotation) die Magnetfeldrichtung an [4]. Mittels langer Radiowellen
können bei hoher Winkelauflösung schwache, ausgedehnte Magnetfelder in den
Halos von Galaxien, zwischen den Galaxien eines Galaxienhaufens oder in den
gealterten Blasen der Radiogalaxien nachgewiesen werden, was nur in
Ausnahmefällen bei kurzen Wellenlängen gelingt (Abb. 5).
Abb. 5: Radiostrahlung der Galaxie NGC 4569,
gemessen bei 6cm Wellenlänge mit dem 100-m Teleskop Effelsberg des MPIfR Bonn. Die Striche zeigen die Magnetfeldrichtungen,
abgeleitet aus der polarisierten Radiostrahlung [5].
(Copyright: MPIfR Bonn)
Literatur
[1] R. Beck,
Kosmische Magnetfelder, MPG-Jahrbuch 2003
[2] K. Maeda, P. Reich, et al., Astronomy &
Astrophysics Suppl. Ser. 140, S. 145 - 154 (1999)
[3] H. Alvarez et al., Astronomy & Astrophysics Suppl. Ser.
124, S. 205 - 253 (1997)
[4] R. Beck, in:
Cosmic Magnetic Fields, Hrsg. R. Wielebinski & R. Beck, Springer-Verlag,
S. 43 – 68 (2005)
[5] C. Chyzy, R. Beck, et al., eingereicht bei Astronomy
& Astrophysics
(Weitere beteiligte Wissenschaftler
am MPIfR Bonn: A. Lobanov,
A. Roy, W.A. Sherwood, A. Zensus)