Hier entsteht das größte Radioteleskop der Welt

BLOG: RELATIV EINFACH

… aber nicht einfacher
RELATIV EINFACH

Im vorigen Blogbeitrag hatte ich eines der Vorzeigeprojekte der südafrikanischen Astronomie vorgestellt: das Teleskop SALT (Southern African Large Telescope), ein Großteleskop der 10-Meter-Klasse. Der ganze Stolz der hiesigen Astronomen ist SALT aber spätestens seit einem Jahr nicht mehr. Da wurde nämlich bekannt gegeben, dass Südafrika den Zuschlag für große Teile des Square Kilometer Array erhält: des größten Radioteleskops der Welt. Das SKA soll ein riesiges Verbund-Radioteleskop aus Antennen mit einer Gesamtfläche von einem Quadratkilometer werden – daher der Name -, das 2024 fertiggestellt sein soll. Deutschland hatte vor einem Jahr bekanntgegeben, der SKA-Organisation beitreten zu wollen. Eine Schlüsselrolle kommt dabei von der wissenschaftlichen Seite her den Kollegen vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie zu.

Zurück zum aktuellen Anlass: Wir sind, wie hier etwas näher beschrieben, auf einem Austauschprojekt mit einigen deutschen Lehrern und Schülern in Südafrika, im Rahmen des deutsch-südafrikanischen Wissenschaftsjahrs 2012/2013. Und für heute, Montag, steht so etwas wie eine Expedition an: Wir besuchen den zukünftigen Standort der südafrikanischen SKA-Teleskope. Derzeit steht dort bereits das Test-Teleskop KAT-7, und es laufen Baumaßnahmen für seinen Nachfolger MeerKAT, der bereits Bestandteil des SKA sein soll.

Aber zu den Details später mehr. Zuerst müssen wir überhaupt zu dem vorgesehenen Teleskopstandort gelangen, und das ist gar nicht so einfach. Er befindet sich rund 90 km von der kleinen Stadt Carnarvon entfernt (benannt nach dem Vater des Ägyptologen, der Tut-Anch-Amuns Grab fand; besagter Vater war zwischenzeitlich britischer Kolonialminister). Die wiederum liegt rund 300 Kilometer von Sutherland entfernt, dem Standort des afrikanischen Nationalobservatoriums SAAO, Ausgangspunkt unserer Fahrt.

400 Kilometer mag in Deutschland mit seinem Autobahnnetz nicht viel scheinen. Aber wir sind hier in der Karoo-Halbwüste. Ein Großteil der Fahrt geht über Schotterpisten. Das Protokoll, das es vor unserer Abfahrt mit einem Kleinbus des SAAO zu beachten gilt, deutet schon an, dass dies keine Spazierfahrt ist. Wir müssen zur Sicherheit zwei Fahrer dabei haben, die mit Schotterpisten Erfahrung haben. Einer davon ist gleichzeitig Automechaniker — falls etwas passiert. Der Kleinbus selbst wird mit Checkliste überprüft. Und weil es auf weiten Teilen unserer Strecke keinen Handyempfang gibt, melden wir uns vor der Abfahrt bei einer Koordinationsstelle an, die dann weiß, wann wir in etwa wo sein werden — und Hilfe schicken kann, wenn wir überfällig sind.

Die Schotterpisten sind ein Erlebnis eigener Art. Sie sehen zunächst eigentlich ganz harmlos aus:

alt

Aber das Fahren darauf hat es in sich: Wie beim Wellenreiten schlängelt sich der Fahrer hin und her, um die schlimmsten Schlaglöcher zu vermeiden. Manchmal gelingt das nicht, und der Bus tut einen Sprung, der vom Fahrgefühl her eher an eine Achterbahn erinnert denn an Autofahren. Jedes entgegenkommende Fahrzeug kündigt sich schon von weither durch eine Staubwolke an. Die Landschaft bietet trockene, flache Büsche, genügsame Schafe, und immer einmal wieder eine Farm. Wo Grün zu sehen ist, findet man mit ziemlicher Sicherheit auch ein Windrad, das eine Pumpe antreibt.

Nach fünfeinhalb Stunden Fahrt ist in der Ferne unser erstes Ziel zu sehen: KAT-7, dessen sieben Antennen als weiße Striche vor dem Hintergrund der Bergketten aufscheinen:

alt

An der Zufahrt zum Gelände findet sich dann ein deutlicher Hinweis darauf, warum wir überhaupt so fernab aller größeren Ansiedlungen unterwegs sind:

alt

Radioteleskope fangen Radiowellen aus dem Kosmos auf. Aber wir Menschen produzieren nun einmal eifrig künstliche Radiowellen. Je nachdem, bei welchen Frequenzen man beobachtet und wie schwach die kosmischen Radioquellen, die man anpeilt, kann diese künstliche Strahlung die astronomischen Beobachtungen mehr oder weniger behindern oder sogar unmöglich machen.

Das “Radioreservat”, das wir gerade betreten haben, liegt in dieser Hinsicht sehr günstig. Es wird durch Berge gegen das nur dünn besiedelte umliegende Land abgeschirmt. Es liegt weit weg von größeren Städten. Und die südafrikanische Regierung hat das ihre dazu getan, die Bedingungen zu verbessern: Der Handyempfang in der weiteren Umgebung ist stark eingeschränkt; die Standorte von Handy-Übertragungsantennen sind streng reglementiert.

Nach einer kurzen Erfrischungspause machen wir uns zusammen mit dem Astronomen Nadeem Oozeer, der uns die Anlagen zeigt, direkt auf dem Weg zu KAT-7. Hier ist das Antennenfeld im Überblick zu sehen:

alt

Jede der Antennen hat eine Schüssel mit 12 Metern Durchmesser, die Radiostrahlung auf einen Empfänger fokussiert:

alt

Der Empfänger ist an vier Streben im Brennpunkt der Schüssel angebracht. Bei allem astronomischen Interesse: Für uns ist angesichts der hohen Temperaturen und der Sonne auch wichtig, dass die Antennenschüsseln uns etwas Schatten spenden.

Die Antennen sind beweglich und können in jede Richtung am Himmel zeigen:

alt

Ebenso enthusiastisch wie, was unsere Nachfragen angeht, geduldig, erklärt Nadeem unserer Gruppe alle Details.

alt

Die weißen Steine rund um die Basis jeder der Antennen zeigen übrigens an, wo man sein Auto parken kann, ohne befürchten zu müssen, dass es von einer Antenne angefahren wird.

In der Säule jeder Antenne befindet sich ein Vorverstärker und ein Wandler, der das aufgefangene Radiosignal in ein optisches Signal umwandelt und per Glasfaserkabel weiterschickt.

Die Signale landen rund 4 Kilometer weiter im Kontrollzentrum. Für KAT-7 sind das zwei Container mit Elektronik, die so abgeschirmt sind, das sie ihrerseits keine künstliche Radiostrahlung nach außen dringen lassen:

alt

Hinter der offenen Tür des linken Containers kann man die massive Stahltür sehen, die das Innere elektromagnetisch abschirmt. Dahinter werden die Signale so kombiniert, dass sich Rückschlüsse auf die Struktur der Quelle ziehen lassen, salopp: dass eine Radio-Abbildung der Quelle entsteht — und zwar mit einer Detailgenauigkeit, wie man sie mit einer einzigen Schüssel nur erreichen würde, wenn diese Schüssel 185 Meter Durchmesser hätte. Diese 185 Meter entsprechen dem größten Abstand zweier der KAT-7-Antennen. Das Zusammenschalten macht KAT-7 zu einem sogenannten Radiointerferometer. Und die erhöhte Detailgenauigkeit, ohne dass gleich eine Riesenschüssel nötig wäre, ist der entscheidende Grund, solche Verbundteleskope aus mehreren Einzelantennen zu bauen.

KAT-7 ist vor allem eine Testanlage. Es ist kein Zufall, dass es von vorne bis hinten in Südafrika entworfen und konstruiert wurde: Mit KAT-7 haben die südafrikanischen Astronomen und die heimische Industrie demonstriert, dass sie so etwas komplexes wie ein großes Radiointerferometer selbst bauen können. Das war entscheidende Voraussetzung dafür, dass sich Südafrika erfolgreich als SKA-Standort bewerben konnte.

Besonders stolz sind die Kollegen auf die ROACH-Boards, wie sie bei KAT-7 im Computercontainer zu finden sind:

alt

ROACH-Boards sind flexibel konfigurierbare Datenverarbeitungseinheiten, die direkt auf die hohen Anforderungen der Radioastronomie zugeschnitten sind und, allgemeiner, analoge Signale mit hoher Geschwindigkeit weiterverarbeiten und digitalisieren können. Diese Boards sind nicht nur hier, sondern mittlerweile weltweit in rund 300 Forschungseinrichtungen im Einsatz. Die ROACH-Boards sind im Zusammenspiel mit internationalen Partnern vom SKA-Südafrika-Team entwickelt worden und werden auch im Lande hergestellt – solche Entwicklungen sind entsprechend wichtig für ein Land, das sich und der Welt überhaupt erst einmal beweisen muss, dass es bei dieser Art von Hochtechnologie international mithalten kann.

Die KAT-7-Antennen sehen so aus, wie man sich ein Radioteleskop vorstellt, wenn man z.B. Jodie Foster in Contact oder typische Fernsehsendungen gesehen hat, in denen Astronomen ihre Schüsseln gen Himmel richten. Am gleichen Standort gibt es aber noch ein weiteres Teleskop, das deutlich anders aussieht. Das ist PAPER, eine Sammlung von 64 Dipolantennen – hier eine einzelne davon:

alt

Auch bei PAPER sind die 64 Antennen zu einem Interferometer zusammengeschaltet. Hier sieht man die Verbindungskabel, im Hintergrund weitere PAPER-Antennen:

alt

PAPER fängt die charakteristische 21-cm-Strahlung auf, mit der atomarer Wasserstoff seine Anwesenheit verrät. In diesem Falle kommt die Strahlung aus einer Zeit rund 400 bis 800 Millionen Jahre nach dem Urknall. Daraus, wie diese Strahlung fluktuiert, soll PAPER Rückschlüsse darauf ziehen, zu welcher Zeit und in welcher Form im frühen Universum die ersten hellen Sterne entstanden sind.

Unübersehbar war, dass die Anlagen, die wir gesehen haben, nur der Anfang sind – an mehreren Stellen auf dem Gelände wird gebaut, und in regelmäßigen Abständen treffen wir auf Schwerlaster oder Bulldozer. Nächster Schritt ist der Nachfolger von KAT-7 der, mit 64 Antennen deutlich umfangreicher, zurecht MeerKAT heißt. MeerKAT, das heißt auf Afrikans nicht nur wörtlich “mehr KAT”, also mehr Antennen, sondern Meerkat ist auch die Bezeichnung für die hier in der Halbwüste ansässigen Erdmännchen. In einer Comic-Serie des SKA-Teams, die Kinder über die hier geplanten Radioteleskope informieren soll, spielen die Erdmännchen denn auch eine wichtige Rolle. Uns sind sie auf unserer Anfahrt einmal quer vor dem Auto über den Weg gelaufen, aber leider zu schnell, als dass ich ein Foto hätte machen können.

So sollen die MeerKAT-Antennen später einmal aussehen (Bild: SKA Africa):

alt

Wer sich an Satellitenantennen erinnert fühlt, liegt richtig. Genau wie jene sind auch die MeerKAT-Antennen  Offset-Antennen, mit einem relativ zum Zentrum verschobenen Reflektor, der die Radiowellen auf mehrere Empfänger konzentriert. Im Gegensatz zu einer Satellitenantenne haben diese Schüsseln allerdings Durchmesser von 13,5 Metern.

Derzeit werden gerade die Fundamente für die erste Antenne vorbereitet:

alt

Und auch die Signale für MeerKAT werden dann nicht mehr in einem Container zusammengeführt, sondern es entsteht ein neues, großes Kontrollzentrum:

alt

Von den Antennen ist die Elektronik, die hier einzieht, unter anderem durch einen riesigen, neu aufgeschütteten Erdwall elektromagnetisch abgeschirmt. MeerKAT soll 2014 bis 2015 in Betrieb genommen werden und dann ab 2016 mit voller Kraft wissenschaftlich arbeiten. Der größte Antennenabstand zwischen zwei MeerKAT-Schüsseln wird 20 Kilometer betragen – das bestimmt wiederum die Detailschärfe des Verbundteleskops: um die gleiche Detailschärfe mit einem einzigen Teleskop zu erreichen, müsste jenes eben eine 20 Kilometer große Schüssel haben!

Sobald MeerKAT fertiggestellt ist, soll es hier auch schon mit dem eigentlichen SKA losgehen, dem “Square Kilometer Array”. Das wird, wie schon erwähnt, das größte Radioteleskop der Welt, mit einer Gesamt-Sammelfläche für Strahlung von rund einem Quadratkilometer, aufgeteilt auf tausende von einzelnen Antennen. In der ersten Phase ab 2016 werden hier an diesem Standort 190 weitere Schüsseln aufgestellt, deren Design wahrscheinlich ähnlich ausfällt wie bei MeerKAT. Auch die MeerKAT-Schüsseln selbst werden dabei einbezogen. Und das sind dann erst rund 10 Prozent des angestrebten Endzustands des SKA. Parallel werden auch in Australien knapp 100 SKA-Schüsseln errichtet.

Aus dieser ersten Phase wollen die Forscher und Ingenieure dann lernen, um die nächsten Ausbaustufen des SKA in Angriff zu nehmen. Dann wird die Halbwüste hier geradezu von Schüsseln überzogen sein. Ausläufer werden sich bis in andere afrikanische Staaten ziehen, und insgesamt werden die entferntesten Schüsseln 3000 Kilometer auseinanderliegen – das wiederum bestimmt die enorme Detailschärfe des Teleskops.

In Australien wird dann auch im großen Stil SKA gebaut: die Niedrigfrequenz-Komponente des SKA mit Dipolantennen vergleichbar denen von PAPER.

Einen Gesamteindruck der Anlage vermittelt dieses YouTube-Video. Es ist zwar von den Australiern produziert, aber soviel anders dürfte die südafrikanische Version nicht aussehen:

Das Sparse Aperture Array – die schon erwähnte Niedrigfrequenzkomponente – kommt beim jetzigen Planungsstand nach Australien, das Dense Aperture Array (mit seinen Elementen mit 60 Meter Durchmesser) und die meisten Schüsseln kommen nach Südafrika. Dass der Film diese drei verschiedenen Konzentrationen direkt nebeneinander packt, stammt noch aus der Zeit, als es so aussah, als würde das SKA entweder ganz in Südafrika oder ganz in Australien gebaut.

Was für ein Projekt der Superlative das SKA werden wird, zeigt vielleicht am prägnantesten die Faktensammlung auf der SKA-Webseite: Knapp eine Milliarde Gigabyte an Rohdaten pro Tag. Glasfaserkabel, die, hintereinander gehängt, zweimal um die Erde reichen würden. Eine Durchsatzrate alleine für die Schüsseln, die dem Zehnfachen des gesamten heutigen Internetverkehrs entspricht. Noch zehnmal soviel an Datenfluss für die weiteren Antennenfelder. Ein Zentralcomputer mit der Rechenleistung von hundert Millionen heutigen PCs. Eine Empfindlichkeit, mit der man Flughafenradar auf einem bis zu 50 Lichtjahre entfernten Planeten nachweisen könnte.

Gerade was Datenverarbeitung und Speichermöglichkeiten angeht, sind das Mooresche Gesetz (nach dem sich die Rechenleistung von Computerprozessoren in etwa alle anderthalb Jahre verdoppelt) und seine Entsprechungen für Speicherplatz und Datenübertragung bei der Projektplanung voll und ganz eingerechnet. Sprich: Sollte das Entwicklungstempo im Computerbereich einknicken, könnte das SKA Probleme bekommen. Umgekehrt stellt es einen beachtlichen Anreiz da, die entsprechende Technologie weiter zu entwickeln!

Wissenschaftlich gesehen haben erst MeerKAT und später das SKA natürlich auch entsprechend Großes vor. Für mich persönlich sind die Präzisionstest der Allgemeinen Relativitätstheorie mit am interessantesten, die dort geplant sind: Mit Hilfe von Pulsaren, also sehr kompakten, rotierenden Sternleichen (Neutronensternen), lassen sich nicht nur direkte Effekte der Theorie (wie die Lichtablenkung) mit großer Genauigkeit nachweisen. Es sollte mit dem SKA sogar möglich sein, anhand leichter Verzögerungen und Verfrühungen der Signale, die uns von Pulsaren erreichen, nachzuweisen, wie sogenannte Gravitationswellen den Raum verzerren. Deren direkter Nachweis sollte, bis das SKA in Betrieb geht, zwar schon anderen Detektoren gelungen sein. Aber die arbeiten in anderen Frequenzbereichen. Die niederfrequenten Gravitationswellen, die das SKA finden könnte, sind den anderen Detektoren nicht zugänglich.

Die 21 cm-Linie des Wasserstoffs hatte ich oben im Zusammenhang mit PAPER bereits kurz erwähnt. Erst mit MeerKAT und später mit dem SKA wollen die Astronomen diese Strahlung verwenden, um zu rekonstruieren, wie atomarer Wasserstoff im Kosmos verteilt ist – und wie sich diese Verteilung im Laufe der kosmischen Geschichte verändert hat. So entstünde eine Art dreidimensionaler Film der Entwicklung großräumiger Strukturen im Universum. Auch zu den Eigenschaften der noch weitgehend unverstandenen Dunklen Energie, die unser Universum beschleunigt expandieren lässt, sollten sich hier Informationen finden lassen.

Eine Vielzahl neuer Erkenntnisse erhoffen sich die Forschung auch über die großräumigen Magnetfelder im Kosmos, deren Eigenschaften, Entstehung und Einfluss auf Galaxien- und Sternentstehung noch größere Rätsel bergen. Die Magnetfelder im intergalaktischen Raum lassen sich indirekt durch den Faraday-Effekt nachweisen: dadurch, wie sie die Schwingungsebene (Polarisationsebene) der Radiowellen ferner Objekte beeinflussen. Bislang gelingt das nur bei sehr hellen Objekten. Mit der Empfindlichkeit des SKA soll auf diese Weise eine regelrechte kosmische Magnetfeldkarte entstehen.

Weitere Vorhaben sind geplant: Die Suche nach komplexen Molekülen (als Voraussetzung für Leben) in den Staubscheiben, in denen Planeten entstehen etwa, und die Suche nach seltenen Ereignissen wie Supernova-Explosionen oder Gammastrahlenausbrüchen. Detailinformationen gibt’s, wenn auch (wie so oft) auf Englisch, auf den SKA-Seiten.

Auch wenn vieles von dem, was hier in der Karoo-Halbwüste radioastronomisch passieren wird noch weit in der Zukunft liegt: Für uns war es jetzt schon ein einzigartiges Erlebnis und die netto 11 Stunden Ruckelfahrt mehr als wert. Man darf gespannt sein, wie es weiter geht. Ich hoffe sehr, dass ich die SKA-Schüsseln dann auch noch einmal in Betrieb erleben darf.

 


 

Lesetipp: Die Hintergründe der südafrikanischen SKA-Entwicklung und ganz besonders die gesellschaftlichen Auswirkungen und Begleitumstände hat die südafrikanische Journalistin Sarah Wild in ihrem Buch Searching African Skies: The Square Kilometre Array and South Africa’s Quest to Hear the Songs of the Stars (Jacana Media, ISBN 978-1431404728) beschrieben.

Alle Artikel zur Südafrikareise:

  1. SciFest Africa!
  2. Zu Besuch in drei Township-Schulen
  3. Beobachtungsnacht mit einem 10-Meter-Teleskop
  4. Hier entsteht das größte Radioteleskop der Welt
  5. Spaziergang am Südhimmel
Avatar-Foto

Markus Pössel hatte bereits während des Physikstudiums an der Universität Hamburg gemerkt: Die Herausforderung, physikalische Themen so aufzuarbeiten und darzustellen, dass sie auch für Nichtphysiker verständlich werden, war für ihn mindestens ebenso interessant wie die eigentliche Forschungsarbeit. Nach seiner Promotion am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam blieb er dem Institut als "Outreach scientist" erhalten, war während des Einsteinjahres 2005 an verschiedenen Ausstellungsprojekten beteiligt und schuf das Webportal Einstein Online. Ende 2007 wechselte er für ein Jahr zum World Science Festival in New York. Seit Anfang 2009 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, wo er das Haus der Astronomie leitet, ein Zentrum für astronomische Öffentlichkeits- und Bildungsarbeit. Pössel bloggt, ist Autor/Koautor mehrerer Bücher, und schreibt regelmäßig für die Zeitschrift Sterne und Weltraum.

Schreibe einen Kommentar