51 Stationen, verteilt über Nordeuropa und verknüpft über Glasfasern, bilden die riesige virtuelle Empfangsantenne des Radioteleskops LOFAR. Mit ihm haben Astronomen seit 2010 Hunderttausende Galaxien entdeckt und zahllose wissenschaftliche Erkenntnisse gewonnen.
LOFAR, Vorreiter einer neuen Art von Radioteleskop, nutzt statt einer einzigen großen Empfangsschüssel viele Tausend miteinander vernetzte kleine Antennen. Sie sind in 51 sogenannte Stationen gruppiert: Felder mit Hunderten von einfachen, höchstens 1,7 Meter hohen Antennen. Die Stationen befinden sich in den Niederlanden, Deutschland, Frankreich, Schweden, Großbritannien, Polen und Irland. Die Station DE605 schließt sich südöstlich an das Forschungszentrum Jülich an.
Die Messsignale aller Stationen werden über schnelle Glasfaserverbindungen zu Supercomputern transportiert. Diese sortieren die Signale aller Einzelantennen und verbinden die Antennen so zu einer virtuellen Empfangsschüssel mit einem Durchmesser von 1.900 Kilometern. Mit ihr lassen sich auch schwache Signale unterscheiden, die sehr nahe beieinander auf die Erde treffen. Bei den Messungen fallen Unmengen von Daten an. Deren Verarbeitung würde auf herkömmlichen Rechnern Jahrhunderte brauchen, dank Supercomputern sowie innovativen Algorithmen gelingt es in einem Jahr.
Die Messsignale aller Stationen werden über schnelle Glasfaserverbindungen zu Supercomputern transportiert. Diese sortieren die Signale aller Einzelantennen und verbinden die Antennen so zu einer virtuellen Empfangsschüssel mit einem Durchmesser von 1.900 Kilometern. Mit ihr lassen sich auch schwache Signale unterscheiden, die sehr nahe beieinander auf die Erde treffen. Bei den Messungen fallen Unmengen von Daten an. Deren Verarbeitung würde auf herkömmlichen Rechnern Jahrhunderte brauchen, dank Supercomputern sowie innovativen Algorithmen gelingt es in einem Jahr.
Im All gibt es neben dem sichtbaren Licht der Sterne auch andere Formen der elektromagnetischen Strahlung, darunter Radiowellen. Radiosignale durchdringen im Gegensatz zu Licht auch Staub- und Nebelwolken zwischen den Sternen. Radioteleskope auf der Erde können diese Signale empfangen, die wertvolle Informationen über nicht sichtbare Gebiete im Weltall liefern. Je größer die Auffangfläche ist, umso besser kann das Teleskop die Details der Signale auflösen. Das Radioteleskop LOFAR (kurz für „Low Frequency Array“) misst Radiowellen in einem Wellenlängenbereich, der zuvor weitgehend unerforscht war: von 1 bis 10 Metern.
Petabyte LOFAR-Daten beherbergt das Forschungszentrum Jülich. Das ist rund ein Drittel aller LOFAR-Daten und entspricht etwa 15 Milliarden Handy-Fotos
Ein internationales Wissenschaftler-Team hat die Radiosignale, die LOFAR empfangen hat, in sichtbare Bilder umgewandelt. Das kostete enorm viel Teleskop- und Rechenzeit. Mithilfe von Supercomputern – unter anderem in Jülich – erzeugten die Forscher daraus eine neue, öffentlich zugängliche Himmelskarte mit vielen bisher unbekannten Galaxien, die oft Milliarden von Lichtjahren entfernt sind. Mit ihr können Astronomen die Entwicklung von Galaxien in bisher unerreichter Detailgenauigkeit untersuchen. Und das ist erst der Beginn: Die aktuelle Karte deckt lediglich zwei Prozent des Himmelbereichs ab, der mit LOFAR erfasst werden soll.
Die LOFAR-Daten zeigen, dass in den allermeisten Galaxien im Zentrum ein massereiches Schwarzes Loch existiert. Es verrät sich durch Materiestrahlen – sogenannte Jets –, erzeugt von Magnetfeldern rund ums Schwarze Loch. „Wir können mit LOFAR die Zahl der supermassiven Schwarzen Löcher im All zählen und ihre kosmische Entwicklung verfolgen“, erläutert Prof. Ralf-Jürgen Dettmar von der Ruhr-Universität Bochum, einer der beteiligten Astronomen. Die Wissenschaftler hoffen daher, künftig auch klären zu können, woher die Schwarzen Löcher kommen und welchen Einfluss sie auf die Galaxien haben, in denen sie sitzen. Die Forscher konnten anhand der LOFAR-Daten bereits zeigen, dass Schwarze Löcher ständig wachsen.
„Die LOFAR-Daten sind eine der größten astronomischen Datensammlungen der Welt.“
Prof. Thomas Lippert, Direktor des Jülich Supercomputing Centre, eines von drei LOFAR-Datenzentren
Astronomen aus Deutschland haben mithilfe von LOFAR festgestellt, dass Magnetfelder nicht nur in, sondern auch zwischen Galaxien existieren. Das war zuvor zwar vermutet worden, konnte aber bislang nicht nachgewiesen werden. LOFAR lieferte sogar Hinweise darauf, dass der gesamte Raum zwischen den Galaxien magnetisch sein könnte.
Mit LOFAR lassen sich zudem Pulsare, Galaxienhaufen und die Sonnenaktivität untersuchen. Das Teleskop empfängt aber auch Radiosignale irdischen Ursprungs: Mit seiner Hilfe haben Forscher beispielsweise neue Prozesse beim Ausbilden von Blitzen entdeckt.
Texte: Frank Frick
Die von Heesen et al. (2018) mit LOFAR beobachtete Radiogalaxie 3C31 ist in Rot über einem optischen Bild dargestellt. LOFAR zeigt, dass die Radiogalaxie eine Größe von mehr als 3 Millionen Lichtjahren hat.
Quelle: Volker Heesen und das LOFAR Surveys Team
Die Radioquelle B3 0157+405A aus der LoTSS-Durchmusterung. Komplexe Strukturen in den Radioblasen deuten auf großflächige turbulente Strukturen innerhalb ihrer Magnetfelder hin.
Quelle: Maya Horton und das LOFAR Surveys Team
Die Spiralgalaxie M51 in der HETDEX-Region.
Quelle: Tim Shimwell und das LOFAR Surveys Team
Dieses Bild verdeutlicht, wie das Radioteleskop LOFAR einen neuen Blick auf das Universum eröffnet. Das Bild zeigt den Galaxienhaufen Abell 1314. In Grautönen ist ein Teil des Himmels zu sehen, wie wir ihn im sichtbaren Licht kennen. Die Orangetöne zeigen die radioemittierende Strahlung im gleichen Teil. Das Radiobild sieht völlig anders aus und verändert unsere Annahmen darüber, wie Galaxien entstehen und sich entwickeln. Diese Objekte sind etwa 460 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. In der Mitte jeder der Galaxien befindet sich ein schwarzes Loch. Wenn Materie in sie hineinfällt, wird eine unvorstellbare Menge an Energie freigesetzt und Elektronen fontänenartig herausgeschleudert. Diese beschleunigten Elektronen erzeugen Radioemissionen, die sich über gewaltige Entfernungen erstrecken können und bei optischen Wellenlängen nicht sichtbar sind.
Quelle: Rafaël Mostert/LOFAR Surveys Team/Sloan Digital Sky Survey DR13
Der Galaxienhaufen Abell 1314 liegt etwa 460 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Großer Bär. In ihm befinden sich massive Radioemissionen, die auf die Verschmelzung mit einem anderen Galaxienhaufen zurückzuführen sind. Die mit dem LOFAR-Teleskop erfasste nicht-thermische Radioemission wird rot und pink und die mit dem Chandra-Teleskop erfasste thermische Röntgenemission grau dargestellt, überlagert auf einem optischen Bild.
Quelle: Amanda Wilber/LOFAR Surveys Team
Die nahegelegene Spiralgalaxie M106 in einem optischen Bild, mit überlagerter LOFAR-Radioemission. Die hellen Radiostrukturen im Zentrum der Galaxie sind eigentlich keine echten Spiralarme, sondern werden als Ergebnis der Aktivität des supermassereichen schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie gewertet.
Quelle: Cyril Tasse und das LOFAR Surveys Team
Dieses Bild zeigt M51, auch bekannt als Whirlpool-Galaxie. Sie ist 15-35 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt und hat einen Durchmesser von etwa 60.000 Lichtjahren. Im Zentrum der Spiralgalaxie befindet sich ein supermassereiches schwarzes Loch. Die LOFAR-Daten (Gelb- und Rottöne) zeigen, dass die Spiralgalaxie und ihr Begleiter über eine Emissionsbrücke, die sie verbindet, interagieren.
Quelle: Sean Mooney/LOFAR Surveys Team/Digitized Sky Survey
Bild: Feaspb/shutterstock.com
