Die riesige Antenne auf dem Foto oben ist das Murchison Radio Astronomy Observatory in Westaustralien. Es besteht aus 36 Komplexen mit Spiegelantennen im 1,4-GHz-Band. Der Hauptspiegel jeder Antenne hat einen Durchmesser von 12 Metern und zusammen ist die Antenne nur ein Teil des Pathfinder-Radioteleskops. Dutzende solcher Antennen arbeiten zusammen, um die entferntesten Horizonte des Universums zu sehen, aber bald sollen Hunderttausende von Antennen zu einem System kombiniert werden. An wen es interessant ist frage ich unter kat.
Radioteleskope vom Typ Pathfinder werden auf der ganzen Welt eingesetzt. Viele von ihnen planen, sich bis 2030 in das SKA-System (Square Kilometer Array) mit einer Gesamtempfangsfläche von mehr als einem Quadratkilometer zu integrieren. Es wird ein Komplex aus zweitausend Antennensystemen in Afrika und einer halben Million Funkkomplexen aus Westaustralien sein.
Das Projekt, an dem Australien, Kanada, China, Indien, Italien, die Niederlande, Neuseeland, Südafrika, Schweden und das Vereinigte Königreich gleichzeitig arbeiten, wird viele Geheimnisse des Universums lösen. Er wird in der Lage sein, eine große Anzahl von Pulsaren, Sternfragmenten und anderen kosmischen Körpern zu messen, die elektromagnetische Wellen entlang ihrer Magnetpole aussenden. Durch Beobachtung solcher Objekte in der Nähe von Schwarzen Löchern können neue physikalische Gesetze entdeckt und möglicherweise eine einheitliche Theorie der Quantenmechanik und der Schwerkraft entwickelt werden.
Die Bauarbeiten für SKA werden in mehreren Schritten ab dem Bau des SKA1-Systems und anderer kleinerer Komponenten durchgeführt. SKA-1 selbst wird aus SKA1-mid im südlichen Afrika und SKA1-low in Australien bestehen.
Die auf dem Foto gezeigte SKA-Mitte besteht aus 197 Antennen mit einem Durchmesser von jeweils bis zu 15 Metern
SKA1-low wurde entwickelt, um niederfrequente Radiowellen zu sammeln, die vor mehreren Milliarden Jahren im Weltraum aufgetreten sind. Um solche Wellen zu empfangen, werden kleine Drehkreuzantennen verwendet. Sie empfangen Signale über einen weiten Frequenzbereich bei Fernsehen und FM. SKA1-Low-Antennen arbeiten im Bereich von 50 bis 350 MHz. Ihr Aussehen ist unten dargestellt:
Das Projektmanagement plant, bis 2024 mehr als 131.000 solcher Antennen zu installieren. Alle von ihnen werden in Cluster von jeweils 256 Teilen unterteilt, und ihre Signale werden kombiniert und über eine Glasfaserkommunikationsleitung übertragen.
Das Funktionsprinzip von Antennen in einem Array ähnelt dem Betrieb eines optischen Teleskops. Der einzige Unterschied besteht darin, dass das Radioteleskop nicht auf die optische Strahlung, sondern auf die Radiowellen fokussiert. Und je mehr Wellenlänge akzeptiert wird, desto größer ist der Durchmesser der Spiegelantenne, wie beispielsweise des FAST-Radioteleskops in China, das auch in Zukunft Teil von SKA werden wird.
Das Problem ist, dass eine unendliche Vergrößerung des Spiegels nicht funktioniert und der Aufbau leistungsfähiger Strukturen wie FAST nicht überall funktioniert. Deshalb ist es einfacher, viele kleinere verteilte Antennen zu verwenden. Ein Beispiel ist die Radioastronomieantenne des Murchison Widefield Array (MWA). MWA-Antennen arbeiten im Bereich von 80 bis 300 MHz:
Diese Antennen sind auch Teil von SKA1-low in Australien und können in die dunkle Zeit des frühen Universums blicken, die vor 13 Millionen Jahren existierte, als Sterne auftauchten und andere Objekte das mit Wasserstoffatomen gefüllte Universum zu erhitzen begannen. Es ist bemerkenswert, dass es immer noch möglich ist, Radiowellen zu erfassen, die von diesen neutralen Wasserstoffatomen emittiert werden. Die Wellen strahlten mit einer Wellenlänge von 21 cm aus, aber als sie die Erde erreichten, waren Milliarden von Jahren der Weltraumausdehnung vergangen und dehnten sie um mehrere Meter aus.
Das Bild unten zeigt die Abschnitte mit MWA-Antennen. Jeder Abschnitt enthält 16 Antennen, die über Glasfaser zu einem einzigen Netzwerk verbunden sind:
MWA-Antennen empfangen gleichzeitig Funkwellen in Teilen aus verschiedenen Richtungen. Die eingehenden Signale werden in der Mitte jeder Antenne unter Verwendung eines Paares rauscharmer Verstärker verstärkt und dann an den nächsten Strahlformer gesendet. Dort geben Wellenleiter unterschiedlicher Länge den Antennensignalen eine gewisse Verzögerung. Mit der richtigen Wahl dieser Verzögerung „kippen“ die Strahlformer das Strahlungsmuster des Arrays so, dass die von einem bestimmten Teil des Himmels kommenden Funkwellen gleichzeitig die Antenne erreichen, als würden sie von einer großen Antenne empfangen.
Solche Antennen sind in zwei Gruppen unterteilt, von denen jede Signale an einen Empfänger sendet. Es verteilt die Signale auf verschiedene Frequenzkanäle. Nachdem die Empfängeroptik ein Signal an das Observatorium gesendet hat. Dort werden die Daten korreliert, indem die Signale multipliziert und über die Zeit integriert werden. Mit diesem Ansatz können Sie ein einzelnes starkes Signal erzeugen, als würde es von einem großen Radioteleskop empfangen.
Der Sichtbereich eines solchen virtuellen Radioteleskops ist ebenfalls proportional zu seiner Größe. Bei einem Teleskop, das aus vielen Antennen besteht, wird seine maximale Auflösung durch den Abstand zwischen den empfangenden Teilen bestimmt. Und je größer es ist, desto genauer ist die Auflösung.
Dank dieser Eigenschaft erstellen Astronomen virtuelle Teleskope, die Kontinente abdecken. Dank eines solchen Kolosses ist es sogar möglich, schwarze Löcher in der Mitte der Milchstraße zu erkennen. Die Größe ist jedoch nicht die Hauptsache, um genaue Informationen über das im Universum untersuchte Objekt zu erhalten. Die Qualität der Auflösung wird durch die Gesamtzahl der Antennen und deren Position zueinander beeinflusst.
Mit MWA erhaltene Daten werden mit einem Supercomputer Hunderte von Kilometern zum nächsten Rechenzentrum gesendet. MWA kann mehr als 25 Terabyte Daten pro Tag senden und in den kommenden Jahren wird diese Geschwindigkeit mit der Veröffentlichung von SKA1-low noch höher. 131.000 Antennen im SKA1-Low-Radioteleskop, die in einem gemeinsamen Array arbeiten, erfassen täglich mehr als ein Terabyte Daten.
Und so wird das Problem mit der Stromversorgung von Radioteleskopen gelöst. Am Murchison Radio Astronomy Observatory wird die Stromversorgung für Antennenkomplexe durch Sonnenkollektoren mit einer Leistung von 1,6 Megawatt bereitgestellt:
Bis vor kurzem wurden die Antennen des Observatoriums mit Dieselgeneratoren betrieben. Jetzt gibt es neben Sonnenkollektoren auch eine große Anzahl von Lithium-Ionen-Batterieblöcken, die 2,6 Megawattstunden speichern können. Einige Teile des Antennenarrays werden bald ihre eigenen Sonnenkollektoren erhalten.
Bei solch ehrgeizigen Projekten ist das Thema Finanzierung immer recht akut. Derzeit beträgt das Baubudget von SKA1 in Südafrika und Australien rund 675 Millionen Euro. Dies ist der von 10 Projektmitgliedsländern festgelegte Betrag: Australien, Kanada, China, Indien, Italien, die Niederlande, Neuseeland, Südafrika, Schweden und das Vereinigte Königreich. Diese Finanzierung deckt jedoch nicht die vollen Kosten von SKA1 ab, auf die die Astronomen hoffen. Daher versucht das Observatorium, mehr Länder für eine Partnerschaft zu gewinnen, die die Finanzierung erhöhen könnte.
Mit Radioteleskopen können Sie entfernte Weltraumobjekte beobachten: Pulsare, Quasare usw. Hier haben wir beispielsweise mit dem FAST-Radioteleskop 2016 einen Funkpulsar erkannt:
