Um welche Frequenzen geht es in der Radioastronomie?



    Folgende Grafik zeigt das gesamte elektromagnetische Spektrum in einem Wellenlängenbereich zwischen 10km (Radiowellen) und 0,1pm (Gammastrahlung). Längenmaße: 1pm (Pikometer) entspricht 10-12m oder einem Billionstel Meter. Lang-/ Mittelwellen gehören ebenfalls zu den Radiowellen, allerdings werden diese an den oberen Schichten der Erdatmosphäre (in der so genannten Ionosphäre) reflektiert und gelangen so nicht bis zum Erdboden. Das Radiofenster geht vom Kurzwellenbereich über den UKW-/ Dezimeterwellenbereich bis in den Zentimeterbereich. Man kann aber sehr gut sehen, dass es auch noch Radiostrahlung im Millimeter-/, Submillimeterbereich gibt, allerdings kommt sie nicht mehr ungehindert durch die Atmosphäre, da sie durch verschiedene Moleküle (vor allem Wasserdampf) absorbiert wird. Nun folgt der klassische Zugang zum Universum, das optische Fenster, in dem man mit den verschiedensten Teleskopen das Weltall im Bereich des sichtbaren Lichts erforscht. In diesem Wellenlängenbereich strahlen die Sterne am hellsten. Die restlichen drei Bereiche (Ultraviolett-, Röntgen- und Gammastrahlung) sind für die Erforschung des Weltraums vom Erdboden aus nicht zugänglich. Diese Wellen werden zum Teil schon in großer Höhe in der Atmosphäre absorbiert und man kann sie nur von außerhalb der Atmosphäre mit Weltraum-Teleskopen empfangen.

    Elektromagnetisches Spektrum. Bild vergrößern
    Elektromagnetisches Spektrum.

    Wie man an dieser Grafik erkennen kann, geht der Radiowellenbereich von den Langwellen bis zu den Submillimeterwellen, wo er mit dem Infrarotbereich überlappt. Diesen Bereich nennt man auch das "Radiofenster". Nun möchte ich Ihnen am Beispiel des 100m-Radioteleskopes Effelsberg in Deutschland erklären, welche Bereiche des Radiospektrums besonders interessant sind (z.B. wegen Atomen und Molekülen, die genau dort Radiostrahlung aussenden). Das 100m- Teleskop arbeitet innerhalb eines Wellenlängenbereichs von ca.3mm bis 70cm. Das entspricht einer Frequenz von ungefähr 0,4GHz bis 95GHz. Dieser Bereich wird allerdings nicht komplett erfasst. Die Empfänger, die am Radioteleskop Effelsberg zum Einsatz kommen, arbeiten zu einem guten Teil in für die Radioastronomie geschützten Frequenzen. In den Bereichen dazwischen, die für die verschiedensten Zwecke auf der Erde genutzt werden, ist es meist gar nicht möglich, die schwache Radiostrahlung aus dem Weltall zu empfangen, aufgrund mancher Probleme durch künstliche Radiosignale, auf die ich später noch näher eingehen will.

    Bevor ich dazu ein paar Beispiele bringe, möchte ich kurz zwei weitere Radioteleskope erwähnen, an denen das MPIfR beteiligt ist und die den Frequenzbereich des 100-m-Teleskops in beide Richtungen erweitern. Zum einen LOFAR -LOw Frequency ARray- dieses Teleskop besteht aus vielen Einzelantennen in verschiedenen Ländern Europas. Es arbeitet im UKW-Bereich, aber um den für UKW-Rundfunk genutzten Bereich von 87,5 bis 108MHz, herum, das heißt: von 30 bis 80MHz und von 110 bis 240MHz. Zum anderen das APEX (Atacama Pathfinder EXperiment), welches im Submillimeterbereich arbeitet. Bei den Beobachtungen mit APEX spielt vor allem die Durchlässigkeit der Atmosphäre eine Rolle. Allerdings möchte ich mich im folgenden nur auf das 100m-Radioteleskop beschränken.

    Hier ein paar Beispiele aus der Liste für Frequenzbereiche, in denen Empfänger am Radioteleskop Effelsberg eingesetzt werden. In der dritten Spalte steht ein wichtiges Molekül bzw. Atom, das Radiowellen innerhalb des jeweiligen Frequenzbereichs aussendet. Eine wesentlich umfangreichere Liste von Spektrallinien in radioastronomischen Frequenzen wird von CRAF, dem europäischen "Committee for Radio Astronomy Frequencies", bereitgestellt.

    Wellenlänge Frequenz in GHz Substanz
    18-21cm 1,3-1,7 Wasserstoff (H)
    18-21cm 1,3-1,7 Hydroxyl (OH)
    5cm 5,75-6,75 Methanol (CH4O)
    1,3cm 21,7-24,4 Wasser (H2O)
    1,3cm 21,7-24,4 Ammoniak (NH3)

    Schemabild einer Welle. Bild vergrößern
    Schemabild einer Welle.

    Doch was versteht man eigentlich unter der Wellenlänge und wie hängen Wellenlänge und Frequenz zusammen? Erst einmal zur Wellenlänge. Unter der Wellenlänge λ versteht man den Abstand zwischen zwei im "Wellenbild" gleich positionierten Punkten (siehe Abbildung).

    Die nachfolgende Formel zeigt, wie bei elektromagnetischen Wellen Wellenlänge λ und Frequenz f über die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle, nämlich die Lichtgeschwindigkeit c, miteinander zusammenhängen.

    c = λ · f

    So, nun zu den Radiowellen. Radiowellen werden z.B. für die drahtlose Übertragung von Sprache, Bildern und anderen Daten wie Zeitzeichen, für den Rundfunk, zur Ortung/Geländeabtastung (Radar) und Navigation (GPS,Funkpeilung) verwendet. Zu den kosmischen Objekten, von denen wir Radiowellen empfangen können, gehören z.B. Riesensterne, Pulsare, oder die sogenannten aktiven Galaxien und Quasare.

    Dabei lassen sich auch verschiedene Arten von Radiostrahlung unterscheiden: Kontinuumsstrahlung erstreckt sich über einen größeren Frequenzbereich, während Linienstrahlung (Spektroskopie) als Strahlung von Atomen und Molekülen bei ganz bestimmten Frequenzen auftritt.

     
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