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Himmelskarte aus Radiowellen

Nachthimmel in neuem Licht – unentdeckte Galaxien offenbart

| Autor/ Redakteur: Dr. Regine Panknin* / Christian Lüttmann

Einen Sternenhimmel, wie ihn das menschliche Auge nie sehen wird: Astronomen haben Radiowellen aus dem All analysiert und daraus eine neue Himmelskarte erstellt. Die Daten erlauben neue Erkenntnisse über Schwarze Löcher, verschmelzende Galaxien und die Entwicklung von Sternensystemen.

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Abb. 1: Die Radiogalaxie 3C31 ist mehr als 3 Millionen Lichtjahre groß.
Abb. 1: Die Radiogalaxie 3C31 ist mehr als 3 Millionen Lichtjahre groß.
(Bild: Volker Heesen and the LOFAR surveys team / CC BY 3.0 / CC BY 3.0)

Jülich – Der Blick in den Sternenhimmel hat seit jeher die Menschen fasziniert. Doch das, was wir in der Nacht am Firmament sehen, ist nur der Teil des sichtbaren Spektrums. Mit anderen Augen wäre der Himmel ein gänzlich anderer.

Solche Augen besitzt das Teleskopnetzwerk LOFAR (Low Frequency Array), ein riesiges europäisches Netzwerk von Radioteleskopen, die über ein Hochgeschwindigkeits-Glasfasernetz miteinander verbunden sind und deren Messsignale zu einem einzigen Signal kombiniert werden.

Leistungsstarke Supercomputer verwandeln 100.000 Einzelantennen in eine virtuelle Empfangsschüssel mit einem Durchmesser von 1.900 Kilometern die gerade das sieht, was uns normalerweise verborgen bleibt: die bisher weitgehend unerforschten Frequenzbereiche der Ultrakurzwellen zwischen etwa 10 bis 80 und 110 bis 240 MHz.

In Deutschland befinden sich insgesamt sechs Messstationen, die von verschiedenen wissenschaftlichen Einrichtungen betrieben werden. Eine dieser Messstationen liegt südöstlich vom Forschungszentrum Jülich und wird vom Forschungszentrum und der Ruhr-Universität Bochum gemeinsam betreut. In Abbildung 2 ist die Jülicher Forschungsstation gezeigt.

Eine neue Himmelskarte

Abb. 2: Die Jülicher LOFAR-Station DE605 besteht aus zwei Antennenfeldern zur Messung hoher und niedriger Frequenzen. Der Container in der Mitte enthält Elektronik zur Verarbeitung der Signale der einzelnen Antennen.
Abb. 2: Die Jülicher LOFAR-Station DE605 besteht aus zwei Antennenfeldern zur Messung hoher und niedriger Frequenzen. Der Container in der Mitte enthält Elektronik zur Verarbeitung der Signale der einzelnen Antennen.
(Bild: Forschungszentrum Jülich / Ralf-Uwe Limbach)

Mithilfe von LOFAR haben Wissenschaftler nun eine neue Himmelskarte erstellt. Viele der dort abgebildeten Galaxien waren bisher unbekannt, da sie extrem weit entfernt sind und ihre Radiosignale Milliarden von Lichtjahren zurücklegen müssen, um die Erde zu erreichen. Zudem ermöglichen Radiowellen es, kosmische Phänomene zu erforschen, die im für Menschen sichtbaren Wellenlängenbereich nicht beobachtet werden können.

Abb. 3: Eine neue Sicht auf das Universum: Das Bild zeigt das Galaxiencluster Abell 1314 (Details im Fließtext)
Abb. 3: Eine neue Sicht auf das Universum: Das Bild zeigt das Galaxiencluster Abell 1314 (Details im Fließtext)
(Bild: Rafaël Mostert/LOFAR Surveys Team/Sloan Digital Sky Survey DR13 / CC BY 3.0 / CC BY 3.0)

Mit LOFAR kommen Aufnahmen wie Abbildung 2 zustande: Was dort in Grautönen erscheint, ist ein Stück vom Himmel, wie wir ihn im sichtbaren Licht wahrnehmen. Die orangefarbenen Farbtöne zeigen hingegen die radioemittierende Strahlung im gleichen Teil des Himmels. Das Radiobild sieht gänzlich verschieden aus und zeigt Objekte in einer Entfernung von etwa 460 Millionen Lichtjahren von der Erde, die wir mit sichtbarem Licht nie entdeckt hätten.

Ein virtueller Flug durch das All und die von LOFAR entdeckten Galaxien:

Der Schein von Schwarzen Löchern

Gelangt Gas in Schwarze Löcher, wird eine gigantische Menge an Energie freigesetzt und Elektronen werden wie ein Wasserstrahl ausgestoßen. Die Materialstrahlen ‒ so genannte Jets ‒ sind bei Radiowellenlängen sichtbar. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit von LOFAR konnten die Wissenschaftler jetzt zeigen, dass diese Jets in jeder riesigen Galaxie vorhanden sind und dass Schwarze Löcher ständig wachsen.

Wenn Astronomen mit einem Radioteleskop den Himmel beobachten, ist hauptsächlich Strahlung aus der Umgebung von solchen Schwarzen Löchern zu sehen, die Millionen Mal schwerer sind als die Sonne. „Mit LOFAR wollen wir herausfinden, welchen Einfluss die Schwarzen Löcher auf die Galaxien haben, in denen sie sitzen“, sagt Prof. Dr. Marcus Brüggen, Astrophysiker von der Universität Hamburg. „Und wir wollen herausfinden, woher diese Schwarzen Löcher kommen“, ergänzt Prof. Dr. Huub Röttgering von der niederländischen Universität Leiden.

Magnetfelder in den Tiefen des Alls

Mit der Radiostrahlung, die LOFAR empfängt, können zudem kosmische Magnetfelder gemessen werden. So haben die Forscher aus Deutschland die Magnetfelder innerhalb von Galaxien vermessen und haben zudem nachgewiesen, dass sich auch zwischen Galaxien enorme magnetische Strukturen befinden. Dies bestätigt theoretische Vermutungen, die bisher noch nicht experimentell bestätigt werden konnten.

Zusammenprall von Galaxienhaufen

Nicht nur schwarze Löcher machen sich durch Radiowellen auffindbar. Auch die Verschmelzung zweier Galaxienhaufen erzeugt Radioemissionen ‒ so genannte Radiohalos ‒ mit einer Größe von Millionen von Lichtjahren, wie Dr. Amanda Wilber von der Sternwarte der Universität Hamburg erläutert: „Radiohalos werden von extrem schnellen Elementarteilchen hervorgerufen. Mit LOFAR können wir erforschen, welche kosmischen Beschleuniger diese Teilchen erzeugen und was diese antreibt.“

Dr. Matthias Hoeft von der Thüringer Landessternwarte Tautenburg fügt hinzu: „Wenn Galaxienhaufen verschmelzen, entstehen riesige Stoßwellen. Mit LOFAR können wir deren Radioemission aufspüren und lernen dadurch viel über das Gas am Rand der gigantischen Galaxienhaufen.“

Die beteiligten Astronomen geben einen kurzen Einblick in die Entdeckungen durch das Radioteleskop LOFAR:

Öffentliche Bilddatenbank

Himmelskarten auf Basis niederfrequenter Radiowellen zu erstellen bedarf sowohl beträchtlicher Teleskop- als auch Rechenzeit und erfordert die Analyse der Daten durch große Expertenteams. „LOFAR produziert gigantische Datenmengen ‒ wir müssen das Äquivalent von zehn Millionen DVDs verarbeiten. Dies stellt höchste Ansprüche an Soft- und Hardware und ist nur durch ein internationales und interdisziplinäres Team möglich“, sagt Prof. Dr. Dominik Schwarz von der Universität Bielefeld.

„Wir haben in Deutschland mit dem Forschungszentrum Jülich zusammengearbeitet, um die riesigen Datenmengen effizient in qualitativ hochwertige Bilder umzuwandeln. Diese Bilder sind nun öffentlich und werden Astronominnen und Astronomen die Möglichkeit geben, die Entwicklung von Galaxien in bisher unerreichter Detailgenauigkeit zu untersuchen“, ergänzt Prof. Dr. Ralf-Jürgen Dettmar von der Ruhr-Universität Bochum.

Einige Beispiele der Himmelsbilder von LOFAR finden sie in der Bildergalerie:

Bildergalerie

Bildergalerie mit 19 Bildern

Fahndung nach 15 Millionen Radioquellen

Abb. 4: Das Forschungszentrum Jülich beherbergt nahezu 15 Petabyte an LOFAR-Daten. Sie werden in einem Distributed Storage System gespeichert.
Abb. 4: Das Forschungszentrum Jülich beherbergt nahezu 15 Petabyte an LOFAR-Daten. Sie werden in einem Distributed Storage System gespeichert.
(Bild: Forschungszentrum Jülich GmbH, Ralf-Uwe Limbach)

Das Forschungszentrum Jülich beherbergt über 15 Petabyte an LOFAR-Daten – umgerechnet über 37 Jahre Video-Laufzeit in HD-Qualität. „Dies ist fast die Hälfte aller LOFAR-Daten, eine der größten astronomischen Datensammlung der Welt. Die Verarbeitung dieser gigantischen Datensätze stellt eine große Herausforderung dar. Was normalerweise auf herkömmlichen Computern Jahrhunderte gebraucht hätte, konnte durch die Verwendung von innovativen Algorithmen und extrem leistungsfähiger Computer auf ein Jahr reduziert werden“, sagt Prof. Dr. Dr. Thomas Lippert, Institutsleiter vom Jülich Supercomputing Centre. Jülich ist eins der drei Datenzentren des LOFAR-Projekts. Außerdem managt das Jülich Supercomputing Centre den Daten-Netzwerkverkehr zwischen den deutschen LOFAR-Stationen und zum zentralen Rechner in Groningen in den Niederlanden.

Abb. 5: Die LOFAR-Daten werden am Jülich Supercomputing Centre bearbeitet, unter anderem am modularen Supercomputer JUWELS.
Abb. 5: Die LOFAR-Daten werden am Jülich Supercomputing Centre bearbeitet, unter anderem am modularen Supercomputer JUWELS.
(Bild: Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau)

Die Himmelsanalyse mit LOFAR birgt sicher noch einige weitere spannende Entdeckungen. Denn die kürzlich veröffentlichten Arbeiten der Astronomen basieren lediglich auf etwa zwei Prozent der geplanten Beobachtungen. Die Wissenschaftler wollen jetzt die gesamte nördliche Himmelskugel kartieren. Sie erwarten, rund 15 Millionen Radioquellen zu finden.

Lesen Sie hier mehr über den Supercomputer in Jülich:

Ergänzendes zum Thema
Wo sind LOFAR-Stationen in Deutschland?

Deutschland ist neben den Niederlanden mit sechs Stationen der größte internationale Partner bei LOFAR. Die Radio-Teleskop-Stationen werden von der Ruhr-Universität Bochum, der Universität Hamburg, der Universität Bielefeld, dem Max-Planck Institut für Radioastronomie in Bonn, dem Max-Planck Institut für Astrophysik in Garching, der Thüringer Landessternwarte, dem Astrophysikalische Institut Potsdam und dem Forschungszentrum Jülich betrieben. Diese Institutionen sind im GLOW (German Long Wavelength) Konsortium zusammen geschlossen. Gefördert wird LOFAR in Deutschland von der Max-Planck-Gesellschaft, dem Bundesministerium für Bildung und Forschung, den jeweiligen Bundesländern und von der Europäischen Union.

LOFAR wird von der Forschungseinrichtung ASTRON in den Niederlanden gesteuert und gilt als das weltweit führende Teleskop seiner Art.

Originalpublikation: LOFAR team: LOFAR Surveys. 26 Fachartikel als Sonderausgabe der Fachzeitschrift „Astronomy and Astrophysics“ Volume 622, February 2019

* Dr. R. Panknin, Forschungszentrum Jülich, 52428 Jülich

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Über den Autor

Christian Lüttmann

Christian Lüttmann

Volontär, Vogel Communications Group GmbH & Co. KG