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    Die Öffnung des afrikanischen Radiohimmels

    Max-Planck-Institut in Bonn baut neuen Empfänger für das MeerKAT-Teleskop in Südafrika

    2. Dezember 2014

    Ein neues radioastronomisches Empfängerprojekt des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie wird über die Max-Planck-Gesellschaft komplett finanziert. Der wissenschaftlich begründete Frequenzbereich von 1,6 bis 3,5 Gigahertz kann mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg aufgrund der irdischen Störstrahlung selbst an diesem Standort nur mit erheblichem Empfindlichkeitsverlust beobachtet werden. Aus diesem Grund wurde das zur Zeit in Südafrika errichtete MeerKAT-Teleskop zum Einsatz dieses Empfangssystems ausgewählt. MeerKAT wird nach seiner Fertigstellung das empfindlichste Radioteleskop der Südhalbkugel für den Zentimeterwellenbereich darstellen. Aufgrund des einzigartigen Standorts in der südafrikanischen Karoo-Halbwüste ist MeerKAT nur sehr wenig von irdischer Störstrahlung betroffen. Das Empfängerprojekt mit einem Gesamtvolumen von 11 Millionen Euro gibt nicht nur Max-Planck-Wissenschaftlern den Zugang zu einem Weltklasseinstrument mit einem einzigartigen und nicht von Störstrahlung beschränkten Blick auf unsere Milchstraße, sondern erweitert auch den Frequenzbereich für alle Nutzer des MeerKAT-Teleskops und erhöht damit das wissenschaftliche Potential dieses Instruments.
    Radiobild des gesamten Himmels bei einer Frequenz von 408 MHz mit überlagerten Positionen von Pulsaren. Die meisten der bisher bekannten Pulsare (schwarze Punkte) liegen in der Ebene der Milchstraße (horizontale Achse). Die neuen Empfänger in Verbindung mit dem MeerKAT-Radioobservatorium werden es erlauben, den mit einem Kasten markierten Bereich speziell nach ungewöhnlichen Pulsarsystemen zu durchsuchen, die als Laboratorien für Fundamentalphysik dienen können. Bild vergrößern

    Radiobild des gesamten Himmels bei einer Frequenz von 408 MHz mit überlagerten Positionen von Pulsaren. Die meisten der bisher bekannten Pulsare (schwarze Punkte) liegen in der Ebene der Milchstraße (horizontale Achse). Die neuen Empfänger in Verbindung mit dem MeerKAT-Radioobservatorium werden es erlauben, den mit einem Kasten markierten Bereich speziell nach ungewöhnlichen Pulsarsystemen zu durchsuchen, die als Laboratorien für Fundamentalphysik dienen können.

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    Radioastronomie ermöglicht einen gegenüber dem sichtbaren Licht völlig unabhängigen Einblick in unser Universum. Sie erlaubt die Untersuchung von Objekten und Abläufen im Kosmos, die sonst nicht zugänglich sind; dadurch wird die Untersuchung eines weiten Spektrums von Fragen zur Astrophysik und Fundamentalphysik möglich. Eingegrenzt wird das Ganze durch die Empfindlichkeit der derzeitigen Radioteleskope, aber auch Faktoren wie Zugänglichkeit der Himmelsregionen, Zeit- und Frequenzauflösung, Datendurchsatz (bzw. Geschwindigkeit von Himmelskartierungen) und Komplementarität zu bereits bestehenden Einrichtungen spielen eine wichtige Rolle. Zur Zeit gibt es eine Reihe von Initiativen, Fortschritte bei allen diesen Faktoren zu erreichen. Eine Entwicklung an vorderster Front stellt dabei das MeerKAT-Radioobservatorium in Südafrika dar, das nach seiner Fertigstellung ein Weltklasseobservatorium darstellen wird.

    MeerKAT wird dabei sogar noch etwas empfindlicher sein als die größten beweglichen Einzelteleskope auf der Nordhalbkugel der Erde, das 100-m-Radioteleskop Effelsberg und das Green-Bank-Teleskop in West Virginia. Darüber hinaus wird es eine räumliche Auflösung haben, vergleichbar mit einem Radioteleskop von 8 km Durchmesser. Mit diesen Eigenschaften wird MeerKAT über ein enormes wissenschaftliches Potential verfügen.

    “Das MeerKAT-Empfängerprojekt an unserem Institut wird ein Empfangssystem bereitstellen, das in hervorragender Weise auf die Forschungsinteressen unserer Max-Planck-Wissenschaftler ausgerichtet ist“,  sagt Gundolf Wieching, Leiter der Elektronikabteilung am MPIfR, wo der neue Empfänger gebaut wird. „Dadurch wird es uns möglich, das volle Potential des Empfängers auszunutzen und es bringt die Max-Planck-Astronomen in eine optimale Position, sich zukünftige Forschungseinrichtungen nutzbar zu machen.“

    Das bereits finanzierte Empfangssystem für einen Radiofrequenzbereich von 1,6 bis 3,5 GHz ermöglicht wissenschaftliche Untersuchungen, die in ein zentrales Interessensgebiet des MPIfR fallen. „Unsere Forschungsinteressen liegen im Bereich Fundamentalphysik mit Tests von Theorien der Gravitation und dem Nachweis von Gravitationswellen über Pulsarbeobachtungen“, sagt Michael Kramer, Direktor am MPIfR und Leiter der Forschungsabteilung „Radioastronomische Fundamentalphysik“. „Von dem neuen Empfängerprojekt erwarten wir uns einen vielfältigen wissenschaftlichen Fortschritt bei den Pulsaren, aber auch in anderen Bereichen der Astronomie.“ Dies umfasst die Erforschung von dynamischen Veränderungen am Radiohimmel, z.B. mit der Entdeckung von kurzzeitigen Radiostrahlungsausbrüchen in kosmologischen Entfernungen, sowie hochempfindliche Molekülspektroskopie des interstellaren Mediums oder hochauflösende Bilder von Radioquellen mit „Very Long Baseline Interferometry“ (VLBI). Für jede dieser Forschungsrichtungen allein sind Beobachtungen mit MeerKAT schon extrem wünschenswert, zusammengenommen ergibt sich ein überzeugender Hintergrund für eine hervorragende Positionierung von Max-Planck-Astronomen in diesem hochaktuellen Forschungsbereich.

    Zusätzlich zur Bereitstellung des Frontends wird das komplette Empfängerprojekt auch Design und Aufbau eines modernen digitalen Backend-Systems beinhalten; dadurch MeerKAT  zu einer Entdeckungsmaschine für Pulsare und andere zeitabhängige Phänomene in der Astrophysik. Der Empfänger wird am MPIfR entworfen und aufgebaut, in Zusammenarbeit mit Kollegen von den Universitäten in Manchester und Oxford. „Dieses Projekt ist eine Bestätigung für die herausragende Qualität von MeerKAT und dem südafrikanischen Team, von dem das Teleskop entworfen und gebaut wurde“, schließt Bernie Fanaroff, der Direktor des SKA-Südafrika-Projekts. “Wir freuen uns über die starke und noch weiter wachsende Zusammenarbeit zwischen südafrikanischen und deutschen Forschern im Bereich Astronomie.”


    Eine MeerKAT-Radioantenne und der afrikanische Nachthimmel. Bild vergrößern
    Eine MeerKAT-Radioantenne und der afrikanische Nachthimmel.

    Der MPIfR-MeerKAT-Empfänger wird ein komplettes Empfangssystem darstellen, das aus einem Frontendsystem zur Datenaufnahme sowie einem Backendsystem zur Datenverarbeitung mit hoher Zeitauflösung bestehen wird. Die empfangenen Frequenzen liegen in einem Bereich zwischen 1,6 und 3,5 Gigahertz (GHz). Der Empfänger arbeitet in zwei Polarisationsebenen und weist eine Analog-Digital-Wandlerstabilität von weniger als einer Picosekunde auf (das sind 10-12 s, entsprechend einer Lichtstrecke von weniger als 0,3 mm). Die aufgenommene Datenrate von 5,5 TeraBit/sec (1 TeraBit = 1012 Bit) entspricht 147 komplett beschriebenen DVDs pro Sekunde oder einer halben Million DVDs pro Stunde. Bei einer derart gigantischen Datenmenge ist eine Online-Datenreduktion zwingend erforderlich; dafür wird eine Rechenleistung von einigen Peta-Operations (1015 Rechenschritte pro Sekunde) benötigt. Solche Ansprüche an die Technik führen zwangsläufig auch zu neuen technologischen Entwicklungen, die für zukünftige Instrumente auch über den Bereich der Radioastronomie hinaus eingesetzt werden können.

    MeerKAT ist ein komplett finanziertes Radio-Observatorium, das zur Zeit im nördlichen Teil von Südafrika errichtet wird. Es wird nach seiner Fertigstellung das größte und empfindlichste Radioteleskop auf der Südhalbkugel der Erde darstellen, bis Mitte des nächsten Jahrzehnts das „Square Kilometre Array“ (SKA) unter Integration von MeerKAT in Betrieb gehen wird. MeerKAT wird aus insgesamt 64 Einzelantennen mit jeweils 13,5 m Durchmesser bestehen. Die Teleskopspiegel arbeiten in einer Offset-Gregory-Konfiguration und wurden von der deutschen Firma Vertex entworfen. Eine solche Konfiguration ermöglicht eine gesteigerte Empfindlichkeit aufgrund der voll zur Verfügung stehenden Öffnung des Spiegels, aber auch eine exzellente Bildqualität sowie gute Abschirmung gegenüber ungewollter Störstrahlung von Satelliten oder irdischen Sendern. Nach seiner Fertigstellung wird MeerKAT nahezu fünfmal empfindlicher sein als das 64-m-Parkes-Radioteleskop, das zur Zeit größte Radioteleskop auf der Südhalbkugel.

     
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