Radioastronomie

Neben Licht oder Wärme geben einige Himmelskörper auch andere Arten von elektronmagnetischer Wellen ab, z.B. Gamma- oder Radiostrahlung. Untersucht man auch diese, so können zusätzliche Informationen über das Objekt gesammelt werden, wie z.B. das Vorhandensein von starken Magnetfeldern, die Temperatur des Objektes oder die Zusammensetzung von Gaswolken. Extraterristische Radiostrahlung, wie z.B. die der Sonne, kann die Atmosphäre genau wie sichtbares Licht oder Infrarotstrahlung weitgehend unverändert passieren, sodass radioastronomische Messungen auch auf der Erde möglich sind.

Da Radiostrahlung nicht mit dem bloßen Augen wahrgenommen werden kann benötigt man einen besonderen Aufbau, ein Radioteleskop, um sie zu detektieren. Dieses besteht aus einer entsprechenden Antenne, die sich in der Regel im Fokuspunkt eines Parabolreflektors befindet, einem rauscharmen Verstärker und einem Computer zur Datenauswertung.
Radioteleskope haben den Vorteil, dass sie auch tagsüber oder bei bewölktem Himmel messen können, da die Radioastrahlung Wolken einfach durchdringt. Darüberhinaus gibt es auch Objekte, die mit dem Auge gar nicht, sondern nur mit z.B. einem Radioteleskop wahrgenommen werden können, wie z.B. Pulsare, rotierende Neutronensterne oder Quasare, aktive Kerne von Galaxien, die vermutlich aus einem schwarzen Loch bestehen. Ein schönes Beispiel dafür ist die Bildleiste oben auf unserer Seite. Sie zeigt das Zentrum der Milchstraße einmal bei sichtbarem Licht und einmal als Radio-Aufnahme. Während man im optischen Bereich nur eine strahlende Wolke sieht, erkennt man auf der Aufnahme die mit einem Radioteleskop gemacht wurde deutlich die Strahlungsquelle in ihrem Inneren.

Zwischen optischen Teleskopen und Radioteleskopen gibt es noch einen weiteren sehr entscheidenden Unterschied: Während ein optisches Teleskop einen bestimmten Himmelsausschnitt in seiner Gesamtheit erfasst und abbildet, fängt ein Radioteleskop immer nur Radiostrahlung von dem Punkt, auf den es ausgerichtet ist. Um ein "Bild" zu erzeugen, muss es die gewünschte Region punktweise abrastern. Die Aufnahmen sehen dadurch etwas "pixelig" aus, aber je größer der verwendete Reflektor ist und je genauer man ihn positionieren kann, desto besser wird die Auflösung. Beispiele finden sie unten.

Historie

Die Installation eines vollbeweglichen Radioteleskops ist ein Gemeinschaftsprojekt der beiden Arbeitsgemeinschaften „Jugend forscht“ und „Radioastronomie“ des Christian-Gymnasiums Hermannsburg. Was 2012 als "Jugend forscht"-Projekt mit einer kleinen Satellitenschpüssel begann, entwickelte sich durch die finanzielle und ideelle Unterstützung verschiedener Förderer und Partner zu einem mehrjährigen Großprojekt.

Innerhalb der letzten drei Jahre konnte so zuerst ein mobiles Radioteleskop mit einem 1,80 m großen Parabolreflektor aufgesetzt werden, gefolgt von einem 2,40 m großen vollbeweglichen Teleskop, das bereits computergesteuerte Messungen erlaubt. Während für die ersten Tests noch ein SAT-LNB (optimaler Messbereich: 10,7 GHz bis 12,75 GHz) verwendet wurde, stehen inzwischen eine Reihe von selbstkonstruierten Dipolen im oberen Megahertz-Bereich zur Verfügung. Die Konstruktion und Vermessung dieser war der Inhalt weiterer "Jugend forscht"-Projekte, ebenso wie die Entwicklung einer Motorsteuerung für die Antriebe, verschiedener Computerprogramme und Messgeräte. Neben Fragestellungen der Hochfrequenztechnik wurden auch technische Probleme, wie die Realisierung einer Sturmsicherung im Rahmen von Wettbewerbsbeiträgen behandelt.
Zusätzlich dazu konnten die Mitglieder der Arbeitsgemeinschaft im Herbst 2013 im Rahmen eines viertägigen Workshops das 100 m-Radioteleskop des Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn/Effelsberg kennenlernen und weitere praktische Erfahrung in der Hochfrequenztechnik sammeln.

Das 380 cm-Radioteleskop

Das große Radioteleskop, das auch zur Sternwarte gehört, ist mit einem Parabolspiegel mit einem Durchmesser von 3,7 m ausgestattet und ebenfalls vollbeweglich. Die größten Baumaßnahmen sind inzwischen abgeschlossen, es fehlt allerdings u.a. noch die Remote-Funktion für die Steuerung, sodass noch keine Messungen aufgenommen werden können. Diese werden später über einen Computer ferngesteuert und über einen weiten Frequenzbereich möglich sein. Ziel ist dann u.a. die Kartierung des Radiohimmels und die Bestimmung der Rotationsgeschwindigkeit der Milchstraße. Durch die Vielzahl der weiteren mit dem Radioteleskop verknüpften Problemstellungen aus dem mathematisch-technisch-naturwissenschaftlichen Bereich ergeben sich außerdem weitere zahlreiche Anknüpfungspunkte für den mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterricht und weitere Forschungsprojekte für die Teilnahme am Wettbewerb "Jugend forscht".

Doppler-Messung der Milchstraße

Dies ist die erste Aufnahme, mit der es uns gelungen ist, zweifelsfrei den Dopplereffekt der H1-Linie von Wasserstoffwolken in unserer Milchstraße zu messen. Man erkennt zwei ausgeprägte Maxima, dazwischen liegt ein deutlich schwächeres Maximum. Da die Milchstraße einen großen Bereich des Sternenhimmels überdeckt, ist es am einfachsten, einen Leitstern auszuwählen, dem das Teleskop nachgeführt werden kann.

Die hier beobachtete Himmelsregion liegt bei dem Stern Deneb, dieser befand sich zum Beobachtungszeitpunkt am nordöstlichen Sternenhimmel.

Da die Milchstraße rotiert, können sich ihre Spiralarme und damit der in ihnen enthaltene Wasserstoff auf den Beobachter zu oder von ihm fort bewegen. In ersterem Fall ist die H1-Linie dieses Wasserstoffs blauverschoben, im letzteren Fall rotverschoben. Das Spektrum zeigt eine deutliche Blauverschiebung, daraus lässt sich schließen, dass sich die beobachteten Gaswolken auf uns zu bewegen.

Die Zuordnung der Peaks ergibt sich nach dem nebenstehenden Bild: Der Einfachheit halber wird hier angenommen, dass die Eigenbewegung des Wasserstoffs an allen drei Punkten P1...P3 gleich groß sei. Der Beobachter (B) registriert von diesen drei Punkten aber lediglich die Relativbewegung des Wasserstoffs in Bezug auf seinen Standort. Im Punkt P1 ist diese am geringsten, bei P2 am größten und für P3 liegt sie zwischen den beiden Werten. Da P3 weiter entfernt ist als P1 oder P2, ist die Signalstärke deutlich geringer. Damit lässt sich der Peak 1 dem Punkt P1, der Peak 2 dem Punkt P3 und der Peak 3 dem Punkt P2 zuordnen.

Die Messung wurde mit dem 380 cm-Radioteleskop der Sternwarte Südheide aufgenommen, wobei der verwendete Kreuzdipol alle Polarisationsrichtungen erfasst. Das Signal wurde mit einem selbst konstruierten extrem rauscharmen Verstärker um 37 dB verstärkt und durch ein Bandpass-Filter auf einen Frequenzbereich von 1350 – 1450 MHz eingeschränkt. Die Signalauswertung erfolgte mit einem SpectraCyber (Eingangsempfindlichkeit: -120 dBm) mit einer Frequenzauflösung von 5 kHz. Die zusätzliche interne Verstärkung von 22 dB lässt auf eine Signalstärke von ca. -169 dBm ( = 9,5 Skt) am Ort des Dipols schließen. Zusammen mit der passiven Verstärkung des Reflektors von 35 dB ergibt sich hieraus für die Messanordnung eine Gesamtempfindlichkeit von -204 dBm.

Weitere Informationen zur Radioastronomie, dem bisherigen Stand und den weiteren Aktionen der Arbeitsgemeinschaft sind unter
www.jufo-hermannsburg.de zu finden.
Impressum Datenschutzhinweis