LOFAR in Hamburg

LOFAR, das „LoFrequency Array”, ist ein neuartiges, digitales Radioteleskop, das sich über sechs europäische Länder erstreckt und seinen Kern in den Niederlanden hat. Die Universitäten Hamburg und Bielefeld beteiligen sich daran gemeinsam mit einer LOFAR Empfangsstation in Norderstedt. LOFAR ist das erste einer neuen Generation von Radioteleskopen und Vorläufer des „Square Kilometre Array” (SKA). Es arbeitet in dem bisher weitgehend unerforschten Frequenzbereich zwischen ~10 MHz und ~240 MHz. Dieser Bereich entspricht Wellenlängen zwischen 1,2 und 20 Metern. Die Radioastronomie-Gruppe an der Hamburger Sternwarte um Prof. Marcus Brüggen nutzt LOFAR intensiv für ihre Untersuchungen von Galaxien-Haufen.
 
Das LOFAR-Radioteleskop liefert Bilder vom Himmel, in dem es die von tausenden von einfachen, unbeweglichen Dipolantennen empfangenen schwachen Radiosignale in einem Supercomputer überlagert. Es besteht aus 50 Stationen (Stand: 2016), die jeweils zwei Antennenfelder umfassen. Diese Antennenfelder bestehen für den Frequenzbereich 10-80 MHz aus 96 Antennen mit 2 Dipolen und für den Bereich 120-240 MHz entweder aus 48 x 16 oder 96 x 16 Antennen (mit jeweils 2 Dipolen).
 

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Links: Standorte der LOFAR-Empfangstationen. Die Antennenfelder des International LOFAR Telescope (ILT) bestehen aus 37 Stationen in den Niederlanden und 13 internationalen Stationen in weiteren 6 europäischen Staaten. Knapp die Hälfte der internationalen Stationen hat Deutschland beigetragen. Stand: August 2017. Rechts: Die sechs zentralen Stationen des LOFAR Core in den Niederlanden. Sie sind auf einer Warft ("Superterp") mit einem Durchmesser von 320 m  untergebracht. (Bilder: ASTRON/NL)
 

Mit 37 Stationen befindet sich das Zentrum des Radioteleskops in den Niederlanden. Die übrigen Stationen stehen in Deutschland, Polen, Grossbritannien, Frankreich, Irland und Schweden. Die erste deutsche Station wurde 2009 auf dem Gelände des 100-m-Radioteleskops Effelsberg in der Eifel in Betrieb genommen. Bis 2015 wurden dann weitere 5 Stationen fertiggestellt. Die Station DE609 Norderstedt bildete den Abschluss. Reguläre Beobachtungen wurden Ende 2012 mit den dann bestehenden niederländischen und fünf deutschen Stationen, sowie den beiden Stationen in Großbritannien und Frankreich begonnen.

 

Beobachtungen mit LOFAR bedeuten eine erhebliche Steigerung der Empfindlichkeit und der Winkelauflösung. Im LOFAR-Frequenzbereich sind die Radiobilder von konkurrenzlosem Detailreichtum und unvergleichlicher Bildschärfe. Diese langwellige Radiostrahlung stammt von niederenergetischen Elektronen, die bei spiralförmigen Bewegungen in Magnetfeldern ausgesandt wird und Kunde von längst vergangenen Prozessen aus der Frühzeit des Universums bringt. Auch sollen Signale von weit entfernten Wasserstoffwolken aus der „Epoche der Re-Ionisation” rund 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall aufgespürt werden. Sie stammen aus der "Dunklen Ära" bevor die ersten Sterne und Galaxien zu leuchten begannen. Weitere Einsatzgebiete sind die Beobachtungen der regelmässig auftretenden Sonneneruptionen, und die Vermessung der bisher weitgehend unbekannten aber vermutlich breit verbreiteten Magnetfeldern im Kosmos.


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LOFAR-Empfangstation DE609 in Norderstedt. Links: Low-Band Antennen für den Empfang von Radiostrahlung mit Frequenzen unterhalb von 80 MHz (Wellenlängen >3,7m). Rechts: High-Band Antennen für den Frequenzbereich >120 MHz. Je 16 Antennen sind in einer quadratischen Box untergebracht und mit Plane gegen Wettereinflüsse geschützt. (Bilder: D. Engels, Hamburger Sternwarte)
 
Die Forschungsgruppe  an der Hamburger Sternwarte in Bergedorf untersucht weit ausgedehnte Gebiete diffuser Radiostrahlung, die vermutlich bei der Kollision von Haufen von Galaxien entstanden sind. Diese Gebiete können eine scheinbare Ausdehnung von einer halben Mondscheibe haben. Da die Galaxien-Haufen sich in grosser Entfernung von der Erde befinden, müssen die Radiogebiete extrem gross sein. Sie bilden wichtige Baussteine für die Entwicklung von Theorien, wie die grossräumigen Strukturen im Universum entstanden sind.
 
Mit dem Bau der LOFAR-Empfangsstation DE 609 in Norderstedt haben die Forscher in Hamburg einen privilegierten Zugang zu solchen Aufnahmen bekommen. Die Station selbst liegt an einem strategisch wichtigem Punkt, der für die Qualität der Radiobilder von grosser Bedeutung ist. Sie besteht aus zwei Feldern mit den Low-Band und High-Band Antennen, welche auf einer Fläche von ca. 200x100 m verteilt sind. Die Signale aller Antennen werden per Kabel laufend an elektronische Speicherkarten übertragen, welche in einem Container neben dem Antennenfeld untergebracht sind. Die Karten bereiten die Signale auf und übertragen sie per Glasfaserleitung zum zentralen Auswerterechner, einem Supercomputer in Groningen in den Niederlanden. Dort werden die Signale mit den Signalen der anderen Stationen zusammengeführt und die Radiobilder erzeugt. Ein Beispiel ist die optisch unscheinbare Galaxie 3C 31 (s. Abbildung weiter unten), die mächtige Materie-Jets aussendet, die nur im Radiobereich sichtbar werden können.
  
 
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LOFAR-Empfangstation DE609 in Norderstedt.  Links: Blick auf die Kabelschächte während der Bauphase. Die Gesamtlänge der Verbindungskabel zwischen Antennen und den Anschlüssen im Container beträgt mehrere Dutzend Kilometer, Mitte: Container. Die enthaltene Elektronik sammelt die Daten, verarbeitet sie und leitet sie über Glasfasernetz zum Zentralrechner in Groningen. Rechts: Blick ins Innere des Containers mit den an elektronischen Speicherkarten angeschlossenen Antennenkabeln. (Bilder: D. Engels, Hamburger Sternwarte) 
 
 
LOFAR unterscheidet sich von den klassischen Radioteleskopen, die wie grosse Satellitenschüsseln aussehen, durch eine andere Baukonzeption. LOFAR ist ein Interferometer, welches mit über viele hundert Kilometer verteilten kleinen Empfangsanlagen die kosmische Strahlung empfängt. Diese Anlagen sind mechanisch relativ einfach und kostengünstig zu errichten. Die Innovation steckt in den Anforderungen an die Datenübertragung und an die Signalverarbeitung in der zentralen Grossrechenanlage, dem Supercomputer. Die Leitungen müssen pro Sekunde mehrere Gigabit Daten transportieren und der Rechner muss die Daten von allen Stationen in Echtzeit verarbeiten. Und dies im Dauerbetrieb. LOFAR ist deshalb ein echtes Kind des heutigen digitalen Zeitalters.
 

Die Radiosignale aus dem Universum sind extrem schwach. Um sie zu empfangen, müssen die vom Menschen erzeugten Radiosignale herausgefiltert werden. Solche Radiosignale werden z.B. für die Übertragung von Radio und Fernsehen und für den Mobilfunk benutzt. Für die LOFAR-Stationen ist es wichtig, dass in ihrer Nähe so wenig wie möglich Radiostrahlung erzeugt wird. Ihre Antennen haben allein die Aufgabe ins Weltall zu lauschen und strahlen selber keine Signale ab. Dies tun sie rund um die Uhr. Ausser während gelegentlicher Reparatur- und Wartungsarbeiten misst die mit einem Holzzaun umgebene LOFAR-Station ohne menschliche Anwesenheit vollautomatisch. Besucher sind willkommen: Am Eingang zur Station stehen zwei Schautafeln, die über LOFAR informieren.

 

 

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LOFAR-Bilder. Links: Erstes mit der Empfangsstation DE609 Norderstedt aufgenommenes Bild des Radiohimmels bei 120 MHz. Das Bild umfasst den ganzen von Norderstedt sichtbaren Himmel zum Zeitpunkt der Aufnahme. Die drei dominierenden Radioquellen in dem Bild sind (von oben nach unten): Cas A, der Überrest einer Sternexplosion; Cyg A, eine Radiogalaxie; und die Milchstrasse in der Nähe des Galaktischen Zentrums. Rechts: Radiogalaxie 3C 31. Solche hochaufglösten Bilder eines winzigen Ausschnitts des Radiohimmels erzeugt man mit Hilfe aller Empfangsstationen des LOFAR Radioteleskops. Das eigentliche Radiobild (ausgedehnte rötlich-gelbe Gebiete) ist einer optischen Aufnahme überlagert. Im Zentrum der Radiostruktur befindet sich eine optisch unscheinbare Galaxie die zwei Materiestrahlen aussendet ('Jets'). Diese Strahlen sind optisch unsichtbar, verraten sich aber durch ihre Radiostrahlung. Die von den Jets erzeugten 'Radiofahnen' sind tausendfach ausgedehnter als die eigentliche Galaxie selbst. Die Kombination von parallelen Untersuchungen in mehreren Wellenlängenbereichen ist heute ein unentbehrliches Werkzeug astrophysikalischer Forschung. (Bilder: ASTRON/NL; V. Heesen, Hamburger Sternwarte)

 

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